Thiết kế, thi công và điều khiển mô hình five bar parallel robot linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau đồ án tốt nghiệp khoa đào tạo chất lượng cao ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử

LỜI NÓI ĐẦU Với công nghệ phát triển nhanh như chớp, chúng ta đang sống trong một xã hội nơi robot được sử dụng để làm cả những công việc cơ bản và phức tạp, giúp con người thực hiện cá

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, lời đầu tiên chúng con chân thành cảm ơn sự động viên

và hỗ trợ của gia đình trong suốt thời gian học tập Đặc biệt, chúng con xin gửi lời

cảm ơn trân trọng nhất đến ba mẹ, người đã sinh ra và nuôi dưỡng chúng con nên

người Sự quan tâm, lo lắng và hy sinh lớn lao của ba mẹ luôn là nguồn động lực cho

chúng con cố gắng phấn đấu trên con đường học tập của mình

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Vũ Quang Huy đã tận tình

hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình chúng em thực

hiện đề tài

Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ

Thuật TP.HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa ĐT CLC đã nhiệt tình giúp đỡ,

truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập của nhóm Vốn kiến thức được tiếp

thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện đề tài mà

còn là hành trang quý báu cho chúng em lập nghiệp sau này

Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ của bạn bè trong thời gian

học tập và trong quá trình hoàn thành đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài

Đào – Huyền – Thoa

LỜI NÓI ĐẦU

Với công nghệ phát triển nhanh như chớp, chúng ta đang sống trong một xã hội nơi

robot được sử dụng để làm cả những công việc cơ bản và phức tạp, giúp con người

thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, nguy hiểm và khó khăn hoặc thậm chí không thể

hoàn thành trong các trường hợp thông thường Có nhiều loại robot công nghiệp được

tạo ra trong các lĩnh vực như sản xuất, giám sát quân sự, vũ khí, y học và chăm sóc sức

khỏe, vận chuyển, và nghiên cứu an toàn và hiệu quả hơn

Trong đề tài này chúng em đã thực hiện việc tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí,

mô hình hóa, mô phỏng quá trình làm việc của robot song song 5 thanh Từ đó chế

tạo và điều khiển hoạt động robot này như đã tính toán Mong rằng đề tài này của

chúng em sẽ giúp cho những người đang cùng nghiên cứu về robot song song 5 thanh

giải quyết và hiểu được về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính toán thiết kế

và chế tạo được robot này Từ đó rút ngắn được thời gian đem nó vào ứng dụng trong

thực tế công việc, cuộc sống Đề tài hy vọng có thể đóng góp một phần công sức

trong công trình nghiên cứu robot vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại

học

Với một tinh thần làm việc đầy nhiệt huyết cùng với sự giúp đỡ tận tình của giáo

viên hướng dẫn, nhóm đã hoàn thành đề tài “Thiết kế, thi công và điều khiển mô hình

Five – bar parallel robot linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau”

MỤC LỤC

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp i

Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên hướng dẫn iii

Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên phản biện vi

LỜI CẢM ƠN ix

LỜI NÓI ĐẦU x

MỤC LỤC xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Đặt vấn đề 2

1.3 Mục đích thiết kế cơ cấu song song 2

1.4 Giới hạn đề tài 3

1.5 Nội dung sẽ trình bày trong các chương 3

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI 5

2.2 Động học robot 7

2.2.1 Động học thuận robot 8

2.2.2 Động học nghịch robot 10

2.3 Không gian làm việc của robot 13

2.3.1 Điểm kỳ dị loại 1 ( Điểm kỳ dị nối tiếp) 13

2.3.2 Điểm kỳ dị loại 2 (Điểm kỳ dị song song) 14

2.4 Quy hoạch quỹ đạo 22

2.4.1 Quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm cho trước 24

2.4.2 Quy hoạch quỹ đạo theo phương pháp SCA 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ 36

3.1 Thiết kế kỹ thuật cơ khí 36

3.2 Thiết kế kỹ thuật điện tử 38

3.3 Thiết kế lưu đồ giải thuật 39

CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH 46

4.1 Thi công mô hình 46

4.2 Thực nghiệm 55

4.3 Tổng hợp và phân tích 65

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 66

5.1 Kết quả thu được 66

5.2 Nhận xét và đánh giá 66

5.2.1 Nhận xét 66

5.2.2 Đánh giá 67

5.3 Ứng dụng của đề tài 67

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

6.1 Kết luận 68

6.2 Hướng phát triển 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

Phụ lục Code 72

Phụ lục bản vẽ 88

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SPI: Serial Peripheral Interface

SCK: Serial Clock

MISO: Master Input Slave Output

MOSI: Master Ouput Slave Input

SS: Slave Select

API: Application Programming Interface

GUI: Graphical User Interface

EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory

SRAM: Static Random Access Memory

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 2-1: Sơ đồ kết nối giao thức SPI 6

Hình 2-2: Quá trình truyền dữ liệu của SPI 6

Hình 2-3: Lựa chọn kích thước các thanh robot để tối ưu không gian làm việc 7

Hình 2-4: Tính toán động học robot 8

Hình 2-5: Sơ đồ robot song song để phân tích động học thuận robot 9

Hình 2-6: Sơ đồ robot song song để phân tích động học nghịch robot 11

Hình 2-7: Không gian làm việc của robot khi rơi vào điểm kỳ dị loại 1 14

Hình 2-8: Cấu hình của robot ở các điểm kỳ dị loại 2 15

Hình 2-9: Xác định góc và tọa độ các điểm trong trường hợp A1 trùng A2 16

Hình 2-10: Xác định góc trong trường hợp A1 trùng A2 17

Hình 2-11: Xác định chế độ hoạt động của robot trong trường hợp A1 trùng A2 18

Hình 2-12: Xác định tọa độ điểm trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng 19

Hình 2-13: Không gian làm việc của robot trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng 20

Hình 2-14: Không gian làm việc của robot trong vùng kỳ dị loại 2 21

Hình 2-15: Các ràng buộc can thiệp 21

Hình 2-16: Xác định điểm trong không gian khớp 22

Hình 2-17: Ma trận điểm không gian Descartes 22

Hình 2-18: Tìm vị trí khớp tốt nhất 23

Hình 2-19: Quy hoạch không gian khớp 23

Hình 2-20: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 3 trên Matlab 26

Hình 2-21: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 5 trên Matlab 28

Hình 3-1: Sơ đồ các thanh cánh tay robot 36

Hình 3-2: Sơ đồ phần cứng điều khiển hai động cơ 38

Hình 3-3: Sơ đồ nối dây điều khiển hai động cơ 39

Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống 39

Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật của chế độ vị trí ban đầu 40

Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật của chế độ chạy theo quỹ đạo cho trước 41

Hình 3-7: Lưu đồ giải thuật của chế độ chạy theo quỹ đạo bất kỳ 42

Hình 3-8: Lưu đồ giải thuật của chế độ các nút nhấn 44

Hình 3-9: Thiết kế giao diện bảng điều khiển 45

Hình 4-1: Raspberry Pi 4 lựa chọn cho mô hình 46

Hình 4-2: Arduino Uno R3 47

Hình 4-3: Thông số kỹ thuật của hai động cơ 49

Hình 4-4: Kích thước động cơ 49

Hình 4-5: Bản vẽ thiết kế của động cơ 50

Hình 4-6: Driver DMA860H Leadshine 51

Hình 4-7: Nguồn 48V – 10A 51

Hình 4-8: Van điện từ AIRTAC 3V110-06 52

Hình 4-9: Module Relay 8 kênh 12V 52

Hình 4-10: Mạch hạ áp 48V xuống 12V 5A 53

Hình 4-11: Nút nhấn giữ LA38-11BN 54

Hình 4-12: Nút nhấn dừng khẩn cấp LA38-11ZS 1NO 1NC 54

Hình 4-13: Mô hình robot khi chế tạo 55

Hình 4-14: Thi công tủ điện 56

Hình 4-15: Quỹ đạo đường thẳng 56

Hình 4-16: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo đường thẳng 57

Hình 4-17: Biến thiên đồ thị xung (đường thẳng) 57

Hình 4-18: Xung đảo chiều động cơ (đường thẳng) 58

Hình 4-19: Quỹ đạo tam giác 58

Hình 4-20: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo tam giác 59

Hình 4-21: Biến thiên đồ thị xung (tam giác) 59

Hình 4-22: Xung đảo chiều động cơ (tam giác) 60

Hình 4-23: Quỹ đạo hình chữ nhật 60

Hình 4-24: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo chữ nhật 61

Hình 4-25: Biến thiên đồ thị xung (chữ nhật) 61

Hình 4-26: Xung đảo chiều động cơ (chữ nhật) 62

Hình 4-27: Quỹ đạo hình tròn 62

Hình 4-28: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo hình tròn 63

Hình 4-29: Biến thiên đồ thị xung (hình tròn) 63

Hình 4-30: Xung đảo chiều động cơ (hình tròn) 64

Hình 4-31: Kết quả mô phỏng quỹ đạo hình tròn và đường thẳng 64

Hình 4-32: Kết quả mô phỏng quỹ đạo hình chữ nhật và hình tam giác 65

Hình 6-1: Bản vẽ thanh chủ động 88

Hình 6-2: Bản vẽ thanh bị động 88

Hình 6-3: Bản vẽ của mô hình robot 89

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độ chính

xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng

năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người… Tuy nhiên, loại

robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhược

điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng không cao, độ cứng

vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo Để khắc phục phần nào các nhược điểm

trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy) song song

Khác hẳn với robot nối tiếp là loại robot liên tiếp có kết cấu hở được liên kết với

các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song thì robot song song là

cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác động cuối được liên kết với nền bởi ít nhất là hai

chuỗi động học độc lập Robot song song có được những ưu điểm sau: độ cứng vững

cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lượng động thấp và kết cấu đơn

giản Với những ưu điểm trên, robot song song đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh

vực như y học, thiên văn học, máy mô phỏng, các máy công cụ…

Trong hoạt động sản xuất, những robot công nghiệp thường có hình dạng của

“cánh tay cơ khí”, mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người

Vì tinh thần phát triển các hệ thống cơ khí là thực hiện các thao tác giống con người

nên nó không tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng các chuỗi động học nối tiếp vòng hở, cấu

trúc này được gọi là tay máy nối tiếp Cấu trúc này có ưu điểm là vùng làm việc trải

rộng, có tính linh hoạt, khéo léo như tay người nhưng khả năng nâng tải của nó thấp,

độ bền thấp và độ chính xác chưa cao do các khớp nối trên tay máy cồng kềnh, khối

lượng lớn, khi chuyển động với tốc độ cao thì nó bị rung và lắc

Vì thế, đối với các ứng dụng mà mục tiêu quan trọng nhất là khả năng nâng tải

lớn, thực hiện động lực học tốt và định vị chính xác thì rất cần một sự thay thế tay

máy nối tiếp truyền thống Để tìm ra các giải pháp khả thi, các nhà khoa học đã quan

sát thế giới sinh vật và nhận thấy rằng thân hình của các loài thú có khả năng nâng

chở vật nặng có được độ ổn định, vững chắc hơn trên nhiều chân song song với nhau

so với loài người đứng trên hai chân, loài người cũng sử dụng các cánh tay, ngón tay

kết hợp với nhau để nâng vật nặng và thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xác

như khi viết, loài người dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc Tóm lại,

chúng ta có thể đưa ra kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối được gắn với

đất bằng nhiều chuỗi động học có các bộ tác động được gắn song song với nhau sẽ có

được độ cứng vững lớn hơn và khả năng định vị tốt hơn

1.2 Đặt vấn đề

Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào những năm 2007 nhưng

nhìn chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán

động học mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể Phòng cơ điện tử Viện cơ

học là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam cho ra đời sản phẩm như vậy Sau 2 năm nghiên

cứu Phòng Cơ điện tử - Viện cơ học Việt Nam đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một

Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật hiện đại trước mắt là

trong gia công cơ khí chính xác Phiên bản đầu tiên có tên gọi PR6-01, dùng làm giá

đỡ phôi cho các máy gia công cơ khí bán tự động kiểu cũ Thực tế đến nay, nhiều cơ

sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Bách khoa TP HCM, Viện cơ học,

Viện công nghệ thông tin đã chế tạo được một số Robot mẫu

Trước những ứng dụng và nghiên cứu của Robot song song, nhóm chúng em đã

lựa chọn đề tài “Thiết kế, thi công và điều khiển mô hình Five – bar parallel robot

linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau” Mong rằng đề tài này của chúng

em sẽ giúp cho những người đang cùng nghiên cứu về Robot song song giải quyết và

hiểu được về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính toán thiết kế và chế tạo

được robot này trong tương lai

1.3 Mục đích thiết kế cơ cấu song song

 Ưu điểm:

+ Có tốc độ di chuyển cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước

nhỏ gọn

+ Độ cứng vững cao do kết cấu hình học ưu điểm của chúng

+ Khả năng chịu tải cao

+ Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao

+ Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau

+ Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực

nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao

như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp

+ Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi

nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo

trên trần, tường

 Nhược điểm:

+ Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế

+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp

+ Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc

1.4 Giới hạn đề tài

Nghiên cứu, thiết kế, thi công và điều khiển mô hình robot song song 5 thanh

Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh nghiệm

thực tế còn hạn chế nên chúng em thực hiện đề tài tập trung nghiên cứu một số nội

dung sau:

 Tính toán động học, động lực học, tìm và mô phỏng vùng làm việc của robot

 Thiết kế mô hình cho robot song song 5 thanh

 Chế tạo mô hình robot song song 5 thanh

 Lập trình điều khiển robot hoạt động

1.5 Nội dung sẽ trình bày trong các chương

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI

 Động học robot

 Không gian làm việc của robot

 Quy hoạch quỹ đạo

Chương 3: Thiết kế

 Thiết kế kỹ thuật cơ khí

 Thiết kế kỹ thuật điện tử

 Thiết kế lưu đồ giải thuật

Chương 4: Thi công, thực nghiệm, tổng hợp và phân tích

 Thi công mô hình

 Thực nghiệm

 Tổng hợp và phân tích

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

 Kết quả thu được

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết về điện điện tử, lập trình… liên quan

đến việc thiết kế, chế tạo và điều khiển robot phù hợp với yêu cầu đặt ra Tính toán

cho robot song song 5 thanh: tính toán động học, động lực học của robot và xác định

không gian làm việc cũng như quy hoạch quỹ đạo để xây dựng thuật toán cho mô hình

robot

2.1 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI

a SPI là gì

SPI: là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất Đây

là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối quá trình

truyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ

xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là

tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời SPI đôi khi

được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là:

SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1

đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi Đây là điểm

khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART Sự

tồn tại của chân SCK giúp quá trình truyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có

thể đạt rất cao Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master

MISO: nếu là chip Master thì đây là đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO

lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

MOSI: nếu là chip Master thì đây là đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI

là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

SS: là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao

khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức

thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó Chỉ có 1 đường SS trên mỗi

Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế

của người dùng

Hình 2-1: Sơ đồ kết nối giao thức SPI

b Cơ chế hoạt động

Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bits Cứ mỗi xung nhịp do

Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master

được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu

của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO Do 2 gói dữ liệu trên

2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song

công”

2.2 Động học robot

Lựa chọn kích thước các thanh của cơ cấu robot?

Mục tiêu đề tài của nhóm là tối ưu không gian làm việc của robot Để làm được

việc đó, nhóm đã tiến hành so sánh độ dài của các liên kết như hình dưới:

Hình 2-3: Lựa chọn kích thước các thanh robot để tối ưu không gian làm việc

Theo như kết quả đã so sánh như trên (Hình 2-3), để robot có được không gian làm

việc lớn nhất thì l1=l2=l=100

Việc còn lại là xác định độ dài của d so với chiều dài l Rõ ràng nếu độ lệch càng

nhỏ thì không gian hoạt động càng lớn Tuy nhiên, nếu d<l thì các liên kết gần giữa 2

động cơ sẽ không thể đi qua được do nhiễu cơ học Do đó, thiết kế tối ưu là d>l một

chút sẽ tránh được nhiễu cơ học nhiều nhất có thể

Độ dài d sẽ được xác định bằng tổng của bán kính trục động cơ, bán kính đầu liên

kết gần, chiều dài l, hệ số an toàn và độ dài của chốt định vị

Từ đó ta tính ra được d>137 nên nhóm lựa chọn d=140

Hình 2-4: Tính toán động học robot

2.2.1 Động học thuận robot

a Tính toán động học thuận là gì

Tính toán động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp

hành khi biết tất cả các giá trị biến khớp

b Các bước làm

Hình 2-5: Sơ đồ robot song song để phân tích động học thuận robot

Tính toán động học nghịch là quá trình tính toán giá trị các biến khớp khi biết

được vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành

b Các bước làm

Hình 2-6: Sơ đồ robot song song để phân tích động học nghịch robot

2.3 Không gian làm việc của robot

Như chúng ta biết, không gian làm việc của một robot song song là thường nhỏ

hơn của robot nối tiếp có kích thước tương tự và thường được phân đoạn bởi các điểm

kỳ dị Trong ngành công nghiệp, cần có robot có khả năng sử dụng tối ưu những

không gian làm việc mô tả là các robot song song

Nói một cách dễ hiểu, điểm kỳ dị là những cấu hình trong đó độ cứng vốn có của

một robot song song đột ngột thay đổi Hầu hết các robot song song có hai loại điểm

kỳ dị chính

2.3.1 Điểm kỳ dị loại 1 ( Điểm kỳ dị nối tiếp)

Điểm kỳ dị loại 1 là cấu hình mà tác nhân cuối cùng của robot mất đi một hoặc

nhiều bậc tự do Chúng tương ứng với ranh giới của không gian làm việc, tức là nơi

mà một trong các cánh tay đạt đến giới hạn bên trong hoặc bên ngoài của nó

Hình 2-7: Không gian làm việc của robot khi rơi vào điểm kỳ dị loại 1

2.3.2 Điểm kỳ dị loại 2 (Điểm kỳ dị song song)

Điểm kỳ dị loại 2 là trong đó robot mất độ cứng và đặt được một hay nhiều bậc tự

do Sau đó, điểm đầu cuối trở nên di động ngay cả khi bộ truyền động bị chặn Mặt

khác thiết bị truyền động không thể chống lại lực hoặc tại một thời điểm được áp

dụng cho bộ tạo hiệu ứng cuối và robot không thể điều khiển được nữa

Điểm kỳ dị loại 2 được tìm thấy bên trong không gian làm việc, do đó tách nó

thành vài khu vực Việc đi từ vùng này sang vùng khác có thể đươc thực hiện bằng

cách vượt qua một điểm kỳ dị loại 2

Do bản chất của các điểm kỳ dị loại 2, chúng tôi thường giới hạn các chuyển động

của bộ tạo hiệu ứng ở một trong các vùng không có các điểm kỳ dị này

Không gian làm việc sau đó được thu nhỏ đáng kể Nếu chúng ta cố gắng vượt qua

những điểm kỳ dị này, rô bốt sẽ không thể thực hiện chuyển động liên tục và chính

xác Đối với các hoạt động chọn và đặt, quỹ đạo không cần phải chính xác và về mặt

lý thuyết có thể vượt qua điểm kỳ dị loại 2 Tuy nhiên, khả năng điều khiển của rô bốt

bị mất trong giây lát khi điểm kỳ dị đi qua, điều này đôi khi có thể dẫn đến hành vi

không chính xác Nó cũng là không thể nhặt hoặc thả một vật thể gần đường cong kỳ

dị loại 2

Tối ưu hóa không gian làm việc của robot song song là một vấn đề quan trọng

Phương pháp thường được ưa thích là tránh các chuyển động mà robot đi qua điểm kỳ

dị loại 2 bằng cách giảm không gian làm việc Do đó, việc điều khiển robot được đảm

bảo trong toàn bộ không gian được giảm thiểu và nguy cơ làm hỏng cơ cấu được

giảm thiểu Tuy nhiên, không gian này nên được giảm hơn nữa để tránh nhiễu cơ học

có thể tương đối phức hợp cho robot song song Không gian làm việc thực tế do đó

đáng kể giảm so với robot nối tiếp Để sử dụng hết tiềm năng không gian làm việc

của robot song song để nó có thể so sánh với không gian làm việc của robot nối tiếp

Có thể tránh được việc giảm không gian bằng cách sử dụng các phương pháp cho

phép robot di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác trong không gian bằng cách

đi qua các điểm kỳ dị loại 1

Hình 2-8: Cấu hình của robot ở các điểm kỳ dị loại 2

Ở bên trái, các liên kết A1C và A2C được xếp chồng lên nhau Trong trường hợp

này, tập A1CA2 không bị ràng buộc và có thể quay tự do xung quanh điểm A1

Ở bên phải, các liên kết A1C và A2C được căn chỉnh Robot không thể chống lại

lực tác động lên đường A1A2, ngoài ra robot không được giải phóng khỏi điểm kỳ dị

loại 2 và cơ cấu hoàn toàn bị chặn Do đó, để tháo robot phải sử dụng 1 lực bên ngoài

( vd trọng lực)

Trường hợp A1 trùng với A2

Để tìm ra không gian làm việc thuận lợi ta sử dụng cấu hình loại 1 với A1 trùng A2

Hình 2-9: Xác định góc và tọa độ các điểm trong trường hợp A1 trùng A2

Khi A1 = A2, ta được:

2

2 2

2 2

Hình 2-11: Xác định chế độ hoạt động của robot trong trường hợp A1 trùng A2

Trường hợp các liên kết A1C và A2C được căn chỉnh

Hình 2-12: Xác định tọa độ điểm trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng

: Khoảng cách giữa điểm O và EP (tính toán trong trường hợp kỳ dị loại 2: A1 EP

và A2 thẳng hảng)

: Góc giữa trục x với đường nối chéo OEP (0<<

2

)

Hình 2-13: Không gian làm việc của robot trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng

Hình 2-14: Không gian làm việc của robot trong vùng kỳ dị loại 2

Hình 2-15: Các ràng buộc can thiệp

2.4 Quy hoạch quỹ đạo

Quy hoạch quỹ đạo là tạo các tín hiệu vào tham chiếu cho bộ điều khiển robot để

robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn

Các bước quy hoạch quỹ đạo:

Bước 1: Tìm biểu đồ môi trường

Hình 2-16: Xác định điểm trong không gian khớp

Hình 2-17: Ma trận điểm không gian Descartes

 Với bước góc quay 1 độ làm việc trên không gian khớp (Hình 2-16)

 Và ma trận điểm 5x5 (mm) trên không gian descartes (Hình 2-17)

Bước 2: Tìm vị trí khớp đầu và các vị trí khớp cuối có thể có

 Lưu đồ giải thuật (Hình 3-7): Trả kết quả 2 hoặc 3 vị trí khớp thỏa yêu cầu (2 hoặc

3 mode) và (2 hoặc 1) vị trí khớp không thỏa có giá trị không xác định là NaN

Bước 3: Tìm vị trí khớp tốt nhất:

 Xác định đường đi ngắn nhất (Hình 2-18)

 Ưu tiên vị trí khớp cùng chế độ hoạt động hiện tại (Hình 2-19): Xét biểu đồ môi

trường, so sánh điểm hiện tại với những nút trên biểu đồ, kiểm tra nút trên biểu đồ

gần có phải nút trở ngại (điểm suy biến) không? Xác định điểm tốt nhất sẽ không gặp

nút trở ngại

Hình 2-18: Tìm vị trí khớp tốt nhất

Hình 2-19: Quy hoạch không gian khớp

Bước 4: Quy hoạch quỹ đạo

 Tạo danh sách các nút sử dụng để tạo quỹ đạo: So sánh giữa các nút hiện tại với nút

trở ngại

 Nối các nút trên biểu đồ môi trường từ điểm xuất phát đến điểm cuối

2.4.1 Quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm cho trước

Ta muốn đầu công tác đi qua hai điểm xác định trong không gian, từ vị trí đầu và

cuối của đầu công tác ta giải bài toán động học ngược hoặc dùng teach pendant di

chuyển đầu công tác đến vị trí đã định và đọc các biến khớp tương ứng, xác định các

giá trị đầu và cuối cho các biến khớp q0  q t  0 , q f  q t f Xét cho một biến

khớp, ta tìm biểu thức cho q t   thỏa mãn điều kiện về vị trí và vận tốc ở thời điểm

đầu và cuối, đôi khi xét thêm điều kiện về gia tốc

Hình 2-20: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 3 trên Matlab

- q t  là đa thức bậc 5 (gia tốc đầu và cuối bằng 0)

Hình 2-21: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 5 trên Matlab

2.4.2 Quy hoạch quỹ đạo theo phương pháp SCA

a Cơ sở lý thuyết

Đối với phép nội suy đường khối lập phương, chúng ta xác định các đa thức lập

phương từng mảnh bằng:

   3  2  

g x a xx b xx c xx d

Với i  0đến n  1và x i  x x i1

Yêu cầu chức năng nội suy toàn cục y = g(x) vượt qua tất cả n + 1 điểm và là kết

quả liên tục trong hai ràng buộc:

 

g x  y , g xi i1  yi1 với i  0đến n  1

Để đạt được phép nội suy trơn tru, yêu cầu thêm các dẫn xuất thứ nhất và thứ hai

của g(x) Điều này dẫn đến các ràng buộc bổ sung

 1 1 1

g x    g  x , g xi  i1  gi1  xi1 với i  0đến n  2

Có n đa thức bậc ba mảnh gi(x) và mỗi đa thức bậc ba có bốn hệ số tự do, với tổng

số 4n hệ số Số lượng các phương trình ràng buộc là 2n + 2(n − 1) = 4n − 2 để thiếu hai

phương trình để có được một nghiệm duy nhất Các phương trình này thường xuất phát

từ một số điều kiện bổ sung được áp dụng cho g0(x) và gn−1(x)

 3 2  

1

2 3

Cuối cùng, loại bỏ a và c hệ số từ kết quả phương trình cuối cùng, sau một số đại

số, trong đó là một hệ thống của n − 1 phương trình cho n + 1 không biết b0, b1, , bn

Chúng ta có thể biểu diễn các phương trình này dưới dạng ma trận như sau:

Trong đó các phương trình đầu tiên và cuối cùng vẫn được xác định Khi chúng ta

giải hệ số b, tất cả các hệ số khác có thể được tìm thấy và đa thức nội suy được xác

định

Cách mặc định để chỉ định các phương trình đầu tiên và cuối cùng được gọi là điều

kiện không phải là nút thắt, giả định rằng:

   

g x  g x , gn2  x  gn1  x

Hãy xem xét ràng buộc đầu tiên Bây giờ, hai đa thức bậc ba là bằng nhau nếu tại

một số x cố định, các đa thức và ba đạo hàm đầu tiên của chúng bằng nhau Các điều

kiện liên tục của spline lập phương đã đảm bảo rằng:

số b, điều kiện này được đưa ra bởi h b1 0  h0  h b1 1 h b0 2  0 mà chúng ta có thể

sử dụng làm phương trình đầu tiên còn thiếu Một đối số tương tự được thực hiện cho

ràng buộc thứ hai mang lại kết quả cho phương trình cuối cùng bị thiếu

Hệ số trọng số u (0 ≤ u ≤ 1) cho phép đánh giá quỹ đạo thu được từ phương pháp

này với quỹ đạo thu được từ phương pháp khác (u = 1 tương ứng với bài toán chuyển

giao thời gian tối thiểu)

Ta có:  u  1  với 0   u 1

  2 max

Quỹ đạo phải sao cho không bao giờ được vượt quá mômen xoắn, gia tốc và tốc độ

tối đa của động cơ Nó cũng không thể tiếp xúc với các chướng ngại vật (nhiễu cơ học

và các khu vực không thể tiếp cận) Do đó, chúng ta có thể xác định các ràng buộc

Sự hiện diện của những trở ngại: E q q  1, 2   0 (0.52)

E: ma trận không gian tùy ý

Trong đó: M: Ma trận khối lượng

Q: Vecto lực ly tâm và lực Coriolis

G: Vecto lực hấp dẫn (G=0, vì robot hoạt động trong mặt phẳng xy)

Chuẩn hóa các biến của mô hình hóa chuyển động so với moment xoắn cực đại:

  jmax  , maxji , maxj , maxj

Nhờ mô hình động chuẩn hóa này, các ràng buộc động sẽ được kết hợp trong việc

tạo quỹ đạo dưới dạng đường cong spline, nhưng để đạt được điều này, thang thời

gian chuẩn hóa được xác định như sau:

.

Sau đó, tốc độ và gia tốc được viết lại theo tỷ lệ thời gian chuẩn hóa Mối quan hệ

giữa tốc độ và gia tốc của quỹ đạo theo thời gian và các giá trị theo thang chuẩn hóa