Luận văn điều khiển robot có số bậc tự do dư

- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 Nga : Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liênkết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có

Lời nói đầu

Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước , vấn đề tự động hóa trong

sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng Ngày nay robot đang được ứng dụng rất nhiều trongcác ngành công nghiệp , các nhà máy … góp phần tăng hiệu quả sản xuất , đẩy mạnh pháttriển nền kinh tế Chính vì vậy robot đã và đang được thúc đấy nghiên cứu để có thể áp dụngrộng rãi để phục vụ đời sống con người

Hiện nay trong rất nhiều ngành công nghiệp đã ứng dụng những kỹ thuật tiên tiếnnhất của robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ , nângcao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh của sản phẩm dẫn đến nâng cao đượchiệu quả kinh tế trong đầu tư

Ra đời cách đây nửa thỊ kỉ nhưng robot công nghiệp đã có sự phát triển vượt bậc Nhiều nước trên thế giới đã sớm nghiên cứu và áp dụng mạnh mẽ kĩ thuật robot vào sảnxuất và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn làvấn đề khá mới mẻ , trước những năm 90 hầu như chưa nghiên cứu về kỹ thuật Robot.Bắt đầu từ năm 1990 nhiều nhà máy công nghiệp đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụquá trình sản xuất như trong việc lắp ráp các linh kiện điện tử , lắp ráp xe máy , hàn vỏ xe

« tô, phun phủ bề mặt … HIện nay ở bộ môn Tự động hóa XNCN trường đại học BáchKhoa Hà Nội đã có những nghiên cứu để đóng góp cho việc thiết kế chế tạo và lắp ráprobot phục vụ cho nền công nghiệp nước nhà Robot chính là phương tiện hữu hiệu nhất

để tự động hóa , nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người trong nhữngcông việc nặng nhọc và độc hại Vì vậy robot công nghiệp đã trở thành một bộ phậnquan trọng trong các ngành công nghiệp

Chương 1 Tổng quan về robot công nghiệp

1.1 Sơ lược quá trình phát triển và một số điểm mốc của lịch sử phát triển robot công nghiệp

Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 với ý nghĩa là một chiếc máygiống nh người để phục vụ cho yêu cầu trong đời sống , sản xuất của con người Thếnhưng từ thế kỉ 17 một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số đặc tính làm việc

nh robot công nghiệp hiện nay Jacques de Vancanson chế tạo một số búp bê cơ khí đánhnhạc Năm 1801 J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình .Năm 1805H.Mailader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh Năm 1892 S.Babbitt đã thiết kế một cầntrục truyền động động cơ có cơ cÂu kÍp để gắp thái thép đúc ra khỏi lò nung

Đầu thập kỉ 40 của thỊ kỉ 20 thì con người đã phát minh ra cánh tay máy côngnghiệp điển hình là năm 1938 W.Polland và H.Roselund đã thiết kế 1 cơ cấu phun sơnlập trình cho công ty De Vilbiss Năm 1946 G.C.Devol sáng chế thiết bị điều khiển cóthể ghi lại những tín hiệu điện bằng từ hóa sau đó được sử dụng để điểu khiển một máy

cơ khí

Vào những năm 50 , xuất hiện khái niệm về robot thông minh với kĩ thuật hỗ trợ

là bộ nhớ vòng Năm 1951 xuất hiện cơ cấu tau máy điều khiển từ xa có thể mang các vậtliệu phóng xạ chế tạo Năm 1952 mẫu máy điều khiển số đầu tiên ra đời và được trưngbày ở Viện Công nghệ Massschusetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo Năm 1954G.C.Devol đăng kÝ bản quyền phát minh thiết kế robot

đầu những năm 60 giới thiệu những robot được điều khiển bằng máy tính có ứngdụng trong công nghiệp thúc đẩy việc tăng cường nghiên cứu robot Năm 1960 Robot

“Unimate ” đầu tiên được giới thiệu là robot truyền động thủy lực , nó sử dụng dạngnguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy Năm 1961 công ty Ford lắp đặtRobot Unimate Năm 1962 công ty General Motor (GM) lắp đặt robot công nghiệp đầutiên (robot Unimate )trong dây chuyền sản xuất Năm 1966 công ty Trallfa lắp đặt robotphun sơn Năm1968 Robot di chuyển “Shakey” được chế tạo tại Viện Nghiên Cứu

Stanford Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp xỳc , mỏy ảnh , cú thể di chuyểntrờn mặt sàn

Những năm 70 đỏnh dấu mốc quan trọng trong quỏ trỡnh phỏt triển robot là sự xuấthiện của robot cú trớ thụng minh nhõn tạo cú thể ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp với

kĩ thuật vi xử lý lần đầu tiờn được giới thiệu và phỏt triển Năm 1970 tay mỏy Stanford làrobot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo ở trường đại học Stanford Năm 1971 hiệphội robot cụng nghiệp Nhật Bản bắt đầu đề xuất sử dụng robot trong cụng nghiệp NhậtBản Năm 1973 viện nghiờn cứu Stanford cụng bố ngụn ngữ lập trỡnh mỏy tớnh đầu tiờncho robot trờn là ngụn ngữ WAVE Năm 1974 cụng ty mỏy tớnh Cincinnati Milacrongiới thiệu robot điều khiển bằng mỏy tớnh Năm 1975 phũng thớ nghiệm CharlesStack Draper đó chế tạo cơ cấu nhỳn cú tõm ở xa sử dụng cho robot lắp rỏp Năm 1976Robot PUMA (mỏy lắp rỏp vạn năng cú thể lập trỡnh) được trỡnh diễn Năm 1978 robotcủa hóng Cincinnati Milacron được lập trỡnh thực hiện cỏc cụng việc khoan và hàntrờn cỏc bộ phận của mỏy bay Trong cựng năm đú thỡ robot Scara được chế tạo cho dõychuyền lắp rỏp ở trường đại học Yamanashi (Nhật) Năm 1979 robot cụng nghiệp bắtđầu một thời kỡ phỏt triển nhanh với cỏc robot mới

Những năm 80 lần lượt cỏc kĩ thuật mới là kĩ thuật số , kĩ thuât quang được ỏp dụngvào nghiờn cứu robot , đặc biệt là những robot dựng trong cụng việc nguy hiểm Năm 1980robot truyền động trực tiếp DDR được sỏng chế ở trường đại học Carnegie-Mellon Năm 1981hóng mỏy tớnh IBM chế tạo robot RS-1 cho lắp rỏp Năm 1982 một số hệ thống lập trỡnh “ Off-line” được trỡnh diễn cho robot Năm 1984 ứng dụng robot tiếp tục phỏt triển mạnh tập trungvào tich hợp robot trong cỏc dõy chuyền sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống CIM

Năm 1991 đỏnh dấu bước phỏt triuền mới của nền kinh tế thỊ giới với tập trungsản xuất cỏc sản phẩm phức tạp và ứng dụng cụng nghệ vỡ điện tư và cụng nghệ hiển thịtrong robot của dõy chuyền sản xuất tự động húa ỏp dụng kĩ thuật điều khiển logic vànhững nghiờn cứu về robot cú trớ thụng minh nhõn tạo cựng với sự tiến bộ về cơ khớ đólàm cho robot đỏp ứng hầu hết trong cỏc ngành cụng nghiệp

1.2 ứng dụng robot cụng nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot cụng nghiệp đợc ỏp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới gúc

độ thay thế sức người Nhờ vậy cỏc dõy chuyền sản xuất đợc tổ chức lại, năng suất vàhiệu quả sản xuất tăng lờn rừ rệt

Mục tiờu ứng dụng robot cụng nghiệp nhằm gúp phần nõng cao năng suất dõychuyền cụng nghệ, giảm giỏ thành, nõng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sảnphẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt đợc cỏc mục tiờu trờn là nhờ vào nhữngkhả năng to lớn của robot như : làm việc khụng biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghỊmột cỏch thành thạo, chịu đợc phúng xạ và cỏc mụi trờng làm việc độc hại, nhiệt độ cao,

“cảm thấy” đợc cả từ trờng và “nghe” đợc cả siờu õm Robot đợc dựng thay thỊ conngười trong cỏc trờng hợp trờn hoặc thực hiện cỏc cụng việc tuy khụng nặng nhọc nhưngđơn điệu, dễ gõy mệt mỏi , nhầm lẫn

Trong ngành cơ khớ, robot được sử dụng nhiều trong cụng nghệ đỳc, cụng nghệhàn, cắt gọt kim loại, sơn, phun phớ kim loại, thỏo lắp vận chuyển phụi, lắp rỏp sảnphẩm

Ngày nay đó xuất hiện nhiều dõy chuyền sản xuất tự động gồm cỏc mỏy CNC vớiRobot cụng nghiệp, cỏc dõy chuyền đú đạt mức tự động hoỏ cao, mức độ linh hoạtcao ở đõy cỏc mỏy và robot được điều khiển bằng cựng một hệ thống chương trỡnh

Ngoài cỏc phõn xưởng, nhà mỏy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việckhai thỏc thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phũng, trong chinhphục vũ trụ, trong cụng nghiệp nguyờn tử, trong cỏc lĩnh vực xó hội

Rừ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khảnăng của con người; do đú nú là phương tiện hữu hiệu để tự động hoỏ, nõng cao năngsuất lao động, giảm nhẹ cho con người những cụng việc nặng nhọc và độc hại Nhượcđiểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt nh con người, trong dõy chuyền tự động, nếu cúmột robot bị hỏng cú thể làm ngừng hoạt động của cả dõy chuyền, cho nờn robot vẫn luụnhoạt động dưới sự giỏm sỏt của con người

1.3 Cỏc khỏi niệm về robot cụng nghiệp

1.3.1 Định nghĩa robot cụng nghiệp

Hiện nay cú nhiều định nghĩa về Robot, cú thể điểm qua một số định nghĩa nhsau :

- Định nghĩa theo tiờu chuẩn AFNOR (Phỏp) :

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại cácchương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị,định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cơ, gá lắp theo nhữnghành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khácnhau

- Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để dichuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chươngtrình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga) :

Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liênkết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại

để hßan thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn

bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thíchnghi khác nhau

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyểnđộng, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàntay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quátrình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phí,rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháolắp chi tiết gia công, dao cơ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và traođổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt,được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tácđơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

1.3.2 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặctịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robotphải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự

do của nó có thể tính theo công thức :

ở đây : n - Số khâu động ;

pi- Số khớp loại i (i = 1,2, .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế)

Hình 1.1 tay máy 2 khớp quay

Ví dụ : tay máy có 2 khớp quay nh hình vẽ 1.1

linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo, người ta dùng robot với số bậc tự do lớnhơn 6.

1.3.3 Hệ toạ độ của robot (Coordinate frames)

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệtoạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độtrung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểmhoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài cácchuyển dịch góc cu¶ các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.2) Các toạ độ suy rộngcòn được gọi là biến khớp

Hình 1.2 Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải :Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trá vàgiữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục Z,thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục X và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trụcY

1.3.4 Vùng làm việc của robot

Vùng làm việc hay còn gọi là trường công tác hoặc không gian công tác của robot

là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các

chuyển động có thể ( chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay ) Vùng làm việc củarobot phụ thuộc bởi các thông số hình học của robot cũng như sự ràng buộc cơ học củacác khớp

1.3.5 Khâu tác động cuối - End Effector

Khâu tác động cuối là điểm tác động của robot lên vật đối tượng làm việc Khâutác động cuối của robot thường là bàn kÍp hoặc khâu gắn liền với các dụng cụ làm việccủa robot Khâu tác động cuối có thể điều khiển hoặc không điều khiển được phụ thuộcvào công nghệ sản xuất Khâu tác động cuối không điều khiển được thường có dạng nắmchắc vật để chờ tác động của các công cụ khác Khâu tác động cuối điều khiển được làcác cơ cấu có thể di chuyển linh hoạt phụ thuộc vào yêu cầu của bé điều khiển

1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

1.4.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thưêng bao gồm các thành phần chính như : cánh tay robot,nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bé điều khiển , thiết

bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của

hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nh hình 1.3

Hình 1.3 Các thành phần chính của hệ thống robot

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằngcác khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot

Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bưíc), các hệ thống

xy lanh khí nén, thủ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể cónhiều kiểu khác nhau nh : dạng bàn tay để nắm bắt đối tưîng hoặc các công cụ làm việc

nh mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiếttheo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy đểlàm việc (phư¬ng pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chư¬ng trình điều khiển robot được cài đặt trênmáy tính, dùng điều khiển robot thông qua bé điều khiển (Controller) Bé điều khiển cònđược gọi là Mo®un điều khiển (hay Unit, Driver), nó thưêng được kết nối với máy tính.Một mo®un điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiềuthiết bị khác nhau nhau các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xácđịnh vị trí của đối tưîng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơcấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot

1.4.2 Kết cấu của tay máy

Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làmviệc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng củatay ngưêi; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot cóhình dáng rất khác xa cánh tay ngưêi Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cầnquan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả nănglàm việc của robot nh : tầm với (hay trưêng công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léolinh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kÍp

Các khâu của robot thưêng thực hiện hai chuyển động cơ bản :

- Chuyển động tịnh tiến theo hưíng x,y,z trong không gian Descarde, thông thưêngtạo nên các hình khối, các chuyển động này thưêng ký hiệu là T (Translation) hoặc P(Prismatic)

- Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có cáckết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thưêng gặp của Robot làrobot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏngsinh)

1.5 Phân loại Robot công nghiệp

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, vì vậy việc phân loại robot cũng cónhiều tiêu chuẩn như phân loại theo kết cấu , phân loại theo hệ thống truyền động , phânloại dựa vào số bậc tự do , ứng dụng , theo hệ thống điều khiển ( kín hay hở ) …

1.5.1 Phân loại theo kết cấu

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ

độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA

a Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữnhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy nầy có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễđảm bảo vì vậy nó thuêng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ Đề Các

b Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng Thường

khớp thứ nhất chuyển động quay Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ nh: robot Versatran củahãng AMF (Hoa Kỳ)

Hình 1.5 Robot kiểu tọa độ trụ

c Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu Thường độ

cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên

Hình 1.6 Robot kiểu tọa độ cầu

d Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu robot được dùng

nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhấtvuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển độngquay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đềunằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng,ưu điểm nổibật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việctương đối lớn so với kích cë của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc nh : Robot PUMA của hãng Unimation - Nokia(Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (NhậtBản) V.V

Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ góc

e Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học

Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trìnhsản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm" :Tay máy mềm dẻo tuỳ ý Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nênSCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly RobotArm" Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theophương thẳng đứng

Hình 1.8 Robot kiểu SCARA 1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động

Trong các hệ thống truyền động robot có các dạng truyền động phổ biến là :

HƯ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : DirectCurrent) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kếtcấu gọn

HƯ truyền động thủ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiệnlàm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thủ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phituyến lớn khó xử lý khi điều khiển

HƯ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưnglại phải gắn liền với trung tâm tã ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình vànhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình địnhs¼n với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống”

1.5.3 Phân loại theo số bậc tự do

Cách phân loại theo số bậc tự do cũng là một cách thường dùng để phân loại robot Trong không gian ba chiều thì một cơ cấu robot có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng làmviệc là lý tưởng nhất vì ta có thể định vị và định hướng khâu chấp hành cuối ( điểm tácđộng cuối ) một cách tùy ý trong không gian trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự

do để định hướng robot Cũng nh vậy đối với robot chỉ hoạt động trong không gian 2chiều thì robot có 4 bậc tự do là đủ Tuy nhiên để cho robot có thể tự do di chuyển tránhcác chướng ngại vật và tăng tính linh hoạt của robot thì robot có thể có số bậc tự do dư

1.5.3 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,robot chuyển phôi v.v

1.5.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robotđiều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độchính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đíchnghiên cứu

1.6 Điều khiển robot công nghiệp

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot , ta có thể chia bài toán điều khiểnrobot thành 2 loại : điều khiển thô và điều khiển tinh

1.6.1.Điều khiển thô

Điều khiển thô là bài toán xác định luật điều khiển thích hợp để tốc độ , vị trí củacác khớp bám sát quỹ đạo chuyển động thiết kế trong thời gian quá độ nhỏ nhất Điềukhiển thô còn goi là điều khiển quỹ đạo ( vị trí) hay điều khiển tự do Đối với bài toánđiều khiển thô ta có hai phương pháp chính là :

- điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

- điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ §ecac )

a Điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

Hệ thống điều khiển sẽ đưa ra lượng đặt và giảm dần sai số của từng khớp đưakhớp tới đúng vị trí đặt bằng cách thực hiện việc khô sai lệch vị trí cho các khớp Biếnđiều khiển là biến khớp nên hệ thống sẽ điều khiển trực tiếp góc quay của các khớp

b Điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ §ecac)

Hệ thống điều khiển trong không gian làm việc ngược lại hẳn với hệ thống điềukhiển trong không gian khớp Hệ thống thực hiện khô sai lệch trực tiếp của các tọa độtrong không gian làm việc nên việc điều khiển khá trực quan giúp người điều khiển cóthể dễ dàng giám sát quá trình hoạt động của robot

1.6.2 Điều khiển tinh

Điều khiển tinh là điều khiển lực mà thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo , liênquan tới quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với đối tượng làm việc ví dụ như trườnghợp robot lắp ráp một chi tiết vào thiết bị máy Điều khiển tinh chia làm hai phươngpháp điều khiển chính :

b Điều khiển hỗn hợp

Điều khiển hỗn hợp gốm hai kênh điều khiÎn độc lập với nhau điều khiển vị trí và điềukhiển lực Trong đó các tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu bám theo vị trí

và sinh lực đặt trước Hướng vị trí và lực được điều khiển tùy thuộc vào nhiệm vụ robot thựchiện trong dây chuyền sản xuất Điều khiển hỗn hợp còn được gọi là điều khiển lai

1.7 Robot có bậc tự do dư

Bậc tự do của robot là thước đo để đánh giá khả năng chuyển động của robot đó( chuyển động quay hay tịnh tiến ) Thông thường thì robot có số bậc tự do tương ứngvới số biến cần điều khiển nhưng các robot này có khả năng di chuyển trong vùng làmviệc rất hạn chế chính vì vậy làm giảm khả năng di chuyển tránh chướng ngại vật cũngnhư khả năng di chuyển theo quỹ đạo đặt trước

Còn robot có bậc tự do dư lại có số bậc tự do lớn hơn số biến cần điều khiển chínhnhờ có số bậc tự do dư mà robot có khả năng di chuyển hết sức linh hoạt , mềm mại trongvùng làm việc , giải quyết các vấn đề về điều khiển hệ thống như : yêu cầu về động lực động lực học , điều khiển lực , di chuyển theo quỹ đạo định sẵn tránh các chướng ngạivật … Nhưng với những cơ cấu có số bậc tự do dư thì có số bậc tự do lớn dẫn đến việckhó khăn trong tính toán mô hình cũng như điều khiển khó khăn hơn Nhưng do đáp ứngđược các yêu cầu về ứng dụng , khả năng linh hoạt của robot trong lĩnh vực tự động hóanên robot có số bậc tự do dư được tìm hiểu , nghiên cứu và chế tạo rất nhiều

Hiện nay đa số robot công nghiệp đều là robot có bậc tự do dư Robot có số bậc

tự do dư được ứng dụng rất nhiều trong những cơ cấu robot làm việc nh cánh tay conngười Robot có số bậc tự do dư đã được sử dụng vào việc chế tạo những cơ cấu tay máygắp vật chính xác và linh hoạt , chế tạo những robot phỏng sinh để thay thế con ngườitrong những công việc khó khăn nhiều nguy hiểm …

Robot được nghiên cứu trong đồ án là robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có số bậc

tự do là 5 dịch chuyển trong mặt phẳng nằm ngang Oxy Đối với các robot hoạt độngtrong mặt phẳng nằm ngang thì việc định vị (điều khiển vị trí ) robot yêu cần cần 2 biếnđiều khiển ( điều khiển vị trí theo phương trục x , y ) việc định hướng của robot cũng yêucầu 2 biến điều khiển Vì vậy trong mặt phẳng nằm ngang điều khiển robot cần phải điềukhiển 4 biến do vậy yêu cầu robot có số bậc tự do là 4 , nên trong đồ án robot có 5 bậc tự

do là robot có số bậc tự do dư

1.8 Robot nghiên cứu trong đồ án

1.8.1 Giới thiệu về robot

Khảo sát loại robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có cùng một thanh nối đầu tiên nhhình vẽ Tay máy 1 bao gồm các thanh nối 1 , thanh nối 2 và thanh nối 3 Tay máy 2 baogồm thanh nối 1 , thanh nối 4 và thanh nối 5 trong đó trên thanh nối 1 có 2 khớp điềukhiển độc lập các thanh nối 2 và thanh nối 4 Với giả thiết robot hoạt động trong mặtphẳng nằm ngang , không chịu tác dụng của lực trọng trường

hình 1.9 robot 2 tay máy dạng chuỗi

1.8.2 Bài toán điều khiển

Yêu cầu điều khiển robot 5 bậc tự do gắp chắc vật trong mặt phẳng nằm ngang

Để gắp chắc được vật thể thì phải tác dụng lên vật thể 2 lực có độ lớn bằng nhau nhưngphải đối xứng với nhau qua vật thể nên phải điều khiển lực và vị trí của điểm tác độngcuối Từ đó ta xác định hai bài toán điều khiển chính của đồ án là :

- Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối E1 và E2

- Điều khiển lực theo độ lớn để gắp vật thể

a Điều khiển vị trí

Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối của hai tay máy với vị trí đặt đồng thời

- Vị trí tay máy E1 được điều khiển từ E10 tới E1d

- Vị trí tay máy E2 được điều khiển từ E20 tới E2d

Trong đó E10 và E20 lần lượt là là tọa độ điểm ban đầu của điểm tác động cuối E1 và E2 E1d và E2d lần lượt là tọa độ điểm cần điều khiển đên hay là tọa độ đặt của điểm tác độngcuối E1 và E2

b Điều khiển lực

Điều khiển lực tác dụng lên vật thể của 2 điểm tác động cuối E1 và E2 để có thểgắp được vật thể

- Lực tay máy f1 được điều khiển từ 0 đến fd1 = 7 N

- Lực tay máy f2 được điều khiển từ 0 đến fd2 = 7 N

Trong đó fd1 và fd2 là lực cần điều khiển hay là lực đặt của điểm tác động cuối E1 vàE2

1.8.3 Phương pháp điều khiển

-Để điều khiển vị trí của hai điểm tác động cuối E1 và E2 ta cần sử dụng 4 biếnđiều khiển là xE1 , yE1 ,xE2 và yE2 vì robot hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang nên điềukhiển mỗi điểm tác động cuối ta cần 2 biến điều khiển Do yêu cầu điều khiển tọa độ 2điểm tác động cuối E1 và E2 của robot 2 tay máy tới 2 tọa độ đặt E1d và E2d một cách đồngthời nên 4 biến điều khiển này hoàn toàn độc lập với nhau Do đó việc điều khiển vị trícủa 2 điểm tác động cuối tương ứng với việc điều khiển 4 biến toạ độ của E1 và E2

-Để điều khiển lực ta cần sử dụng 2 biến điều khiển là f1 và f2 do yêu cầu gắp chắcchắn vật thể nên ta phải điều khiển 2 điểm tác động cuối đặt 2 lực có đặc điểm độ lớn

bằng nhau và hướng ngược chiều nhau ) để điều khiển lực ta điều khiển 2 biến điều khiểnlực là f1 và f2

Do vậy để điểu khiển vị trí và lực của 2 điểm tác động cuối thì ta cần điều khiển 6biến xE1 , yE1 ,xE2 , yE2 , f1 và f2

Để điều khiển cả lực và vị trí có một phương pháp điều khiển phù hợp đó làphương pháp điều khiển hỗn hợp điều khiển đồng thời cả lực và vị trí thế nhưng đối vớirobot chúng ta là robot có 5 năm bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang Oxy thìrobot sẽ là robot có bậc tự do dư nên robot có nhiều biến điều khiển ( tối đa 5 biến ) cókhả năng di chuyển rất linh hoạt trong mặt phẳng Tuy nhiên đối với yêu cầu điều khiển

cả vị trí và lực thì tuy robot có số bậc tự do dư nhưng chúng ta không thể điều khiển đồngthời cả vị trí và lực cùng 1 lúc do điều khiển vị trí gồm 4 biến điều khiển xE1,xE2,yE1 và yE2cùng với 2 biến điều khiển lực là F1 và F2 như vậy tổng cộng là 6 biến điều khiển trongkhi robot chỉ có 5 bậc tự do ( tối đa điều khiển được 5 biến )

Do vậy ta phải sử dụng một phương pháp điều khiển khác gồm 2 quá trình :

- Quá trình 1 là quá trình điều khiển vị trí trong đó ta điều khiển toạ độ 2 khâu tác

động cuối gồm 4 biến tới tọa độ điểm đặt và không quan tâm đến vấn đề điều khiển lực

Nh vậy trong quá trình này chúng ta chỉ điều khiển 4 biến Để điều khiển vị trí ta lựachọn sử dụng phương pháp điều khiển trong không gian làm việc theo ma trận Jacobienchuyển vị vì phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác trong

đồ án này Vấn đề điều khiển vị trí sẽ được làm rõ trong chương 3 của đồ án

- Quá trình 2 là quá trình lực Khi đã hoàn thành quá trình 1 tức là 2 điểm tácđộng cuối E1 và E2 đã tới vị trí điểm đặt E1d và E2d thì chúng ta bắt đầu điều khiển lựcgồm 2 biến f1 và f2 để chóng có cùng độ lớn f1 = f2 = 7N Vấn đề điÒu khiển lực sẽ đượclàm rõ trong chương 5 của đồ án

Chương 2 : Thiết lập phương trình động học và động lực học 2.1 Phương trình động học robot

2.1.1 Đặt vấn đề

Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu(link) nối với nhau bằng các khớp (joints) Các khớp động này là khớp quay (R) Đểrobot có thể thao tác linh hoạt cơ cấu chấp hành của robot phải có cấu tạo sao cho điểmmĩt của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thờikhâu này có một hướng nhất định theo yêu cầu Khâu cuối cùng này thường là bàn kẹp(griper), điểm mĩt của nó chính là “điểm tác động cuối” E (end-effector)

Khi khảo sát chuyển động của Robot cần biết “định vị và định hướng” tại điểmtác động cuối trong mọi thời điểm Các lời giải của bài toán này được xác định từ nhữngphương trình động học của Robot Các phương trình này là mô hình Động học củaRobot Chỉng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ giữa các hệ toạ độ độngnói trên so với hệ toạ độ cố định

2.1.2 Phương trình động học robot

Đặt trục tọa độ nh hình vẽ 2.1

Hình 2.1 robot 2 tay máy 5 bậc tự do

Ta có các quy ước nh sau :

- Coi các thanh nối là đồng chất nên trọng lượng của mỗi thanh tập trung tại điểm giữa mỗi thanh gọi là trọng tâm Ci của thanh nối với i = 1- 5

- Chiều dài của các thanh từ 1 đến 5 là li với i = 1 - 5 ( trong mô phỏng matlab để đơn giản ta chọn chiều dài thanh số 2 bằng chiều dài thanh số 4 và chiều dài thanh 3 bằng chiều dài thanh số 5 tức l2 = l4 , l3 = l5 ) Chiều dài l = 0

- Trọng lượng của các thanh từ 1 đến 5 là mi với i = 1 - 5

- Góc quay của các thanh từ 1 đến 5 là i với i = 1 - 5 ,với cách tính các góc quay của thanh thứ i được tính bằng góc tạo bởi giữa thanh thứ ( i-1 ) và thanh thứ i , quy ước các góc quay nhận giá trị dương khi quay ngược chiều kim đồng hồ , nhận giá trị âm khi quay theo chiều kim đồng hồ (theo quy tắc bàn tay phải)

Vậy robot có 5 bậc tự do , 5 thanh nối , và 5 khớp quay dạng R

Trong đó 2 điểm E1 và E2 là hai cơ cấu tác động cuối , là đối tượng cần điều khiển chính

Do robot chỉ häat động trong mặt phẳng nằm ngang nên ta có thể bỏ qua tác dụng của lực trọng trường ( tức g = 0 )

+ Thiết lập tọa độ trọng tâm Ci của các thanh nối

Theo các phương pháp hình học và sử dụng các công thức lượng giác cơ bản ta dễ dàng tính toán được tọa độ trọng tâm của các thanh nối trên hình vẽ

- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ nhất :

(2.7)

2.1.3 Thiết lập ma trận Jacobien

-Thiết lập ma trận Jacobien J1 cho điểm tác động cuối E1 ( l=0 )

Hình 2.2 Tay máy thứ nhất của robot

Từ công thức (2.6) biểu diễn tọa độ của điểm tác động cuối E1 ta lấy đạo hàm tọa độ điểm tác động cuối E1 theo thời gian ta được

(2.8)Tiến hành rút gọn biểu thức ta có

.hoặc là

với

-Thiết lập công thức Jacobien J2 cho điểm tác động cuối E2 ( l = 0 )

Hình 2.3 tay máy thứ 2 của robot

Tương tự nh trên , từ công thức (2.7) biểu diễn tọa độ điểm tác động cuối E2 ta lấy đạo hàm tọa độ x và y theo thời gian ta được :

(2.9)

Rút gọn biểu thức ta có

Biểu diễn dưới dạng ma trận ta có

(2-10)Hoặc là

với

Trong đó

2.2 Phương trình động lực học

2.2.1 Nhiệm vụ và phương pháp phân tích động lực học

Nghiên cứu động lực học robot là giai đoạn cần thiết trong việc phân tích cũngnhư tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động Trong nghiên cứu động lực học robotthường giải quyết 2 nhiệm vụ sau đ©y :

+ Nhiệm vụ thứ nhất là xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trìnhchuyển động Khi đó quy luật biến đổi của biến khớp (t) xem như đó biết

+ Nhiệm vụ thứ hai là xác định các sai số động Lóc này phải khảo sát cácphương trình chuyển động của cơ cấu tay máy đồng thời xem xét các đặc tính động lựccủa động cơ truyền động

Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot nhưng thường dùng hơn cả

là phương pháp Lagrange bậc 2 vì ta sẽ được các phương trình động lực học ở dạngvector ma trận, rất gọn nhẹ và thuận tiện cho việc nghiên cứu giải tích và tính tãan trên

Các phương trình Động lực học robot được thiết lập dựa trên cơ sở phương trìnhLagrange bậc 2:

,i=1, ,n (2.13)

Trong đó :

L- hàm Lagrange L = K - P (2.14)

K, P- động năng và thế năng của cơ hệ

- động lực, hình thành trong khớp động thứ i khi thực hiện chuyển động

- biến khớp

- đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian

Các biến khớp là bộ các thông số dịch chuyển của các khớp động của robot Vịtrí trạng thái của điểm tác động cuối của robot hoàn toàn được xác định bởi bộ biến khớp này

2.2.2 Xây dựng phương trình động học robot

Để xây dựng mô hình động lực học robot dựng phương trình Lagrange bậc hai , cần biết vận tốc của điểm bất kì trên tay máy

: góc quay của khớp quay thứ i (i = 1 - 5 )

: khối lượng của thanh nối thứ i

: moment quán tính của thanh thứ i đối với trục qua tâm khối của thanh nối

: chiều dài từ khớp i đến tâm khối thanh nối i

Theo kết quả tính toán của phần trước , ta đã có toạ độ của trọng tâm các thanh nốinhư sau :

- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ nhất :

-Tốc độ dài của thanh nối thứ nhất

-Tốc độ dài của thanh nối thứ hai

-Tốc độ dài của thanh nối thứ ba

-Tốc độ dài của thanh nối thứ tư

-Tốc độ dài của thanh nối thứ năm

Do đó ta tính được động năng của tâm khối thanh nối từ 1 đến 5 theo công thứcsau :

Trong đó mi ,Vi, i lần lượt là khối lượng , vận tốc và góc quay của thanh nối thứ ivới i =(1,2…5);

Và Ji là Jacobien của thanh nối thứ i được tính bởi công thức

Do robot chỉ hoạt động trong mặt phẳng ngang 2-d (xy) Phương trình Lagrangeđược đơn giản thành

Trong đó : Ki : động năng , Pi : thỊ năng của thanh nối i;

Lấy đạo hàm hàm Lagrange lần theo các biến ; ; , ta được

Trong đó Hii và Vi có các biểu thức cụ thể nh sau :

+ Ma trận H

- 5 giá trị của hàng thứ nhất

- 5 giá trị của hàng thứ hai

;

;

+ Ma trận V

Chương 3 Tổng quan về điều khiển và xây dựng luật điều khiển vị trí cho robot có số

bậc tự do dư 3.1 Tổng quan về điều khiển robot công nghØÖp

Đối với một robot thì hệ thống điều khiển chiếm vị trí quan trọng nhất trong robot Điều khiển robot quyết định trực tiếp đến khả năng làm việc của robot Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là để robot luôn đảm bảo về chuyển động và lực đúng theo yêu công việc Hình 3.1 thể hiện sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển robot cơ bản

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống robot cơ bảnTùy theo đặc điểm làm việc của robot thì người ta chia bài toán điều khiển ra thành hai loại : điều khiển thô ( điều khiển quỹ đạo ) , điều khiển tinh ( điều khiển lực )

- Bài toán điều khiển quỹ đạo ( điều khiển thô ) có 2 phương pháp điều khiển Đó

là phương pháp điều khiển trong không gian khớp hay còn gọi là điều khiển tọa độ khớp và điều khiển trong không gian làm việc hay còn gọi là điều khiển tọa độ §ecac

- Bài toán điều khiển lực ( điều khiển tinh ) có 2 phương pháp đó là điều khiển trởkháng và điều khiển hỗn hợp ( điều khiển hỗn hợp còn được gọi là điều khiển lai )

Để điều khiển một robot thì tùy theo yêu cầu làm việc , theo nhiệm vụ … mà ta có thể lựa chọn phương án điều khiển phù hợp đối với robot trong từng trường hợp

Hình 3.2 Các phương pháp điều khiển chính của robot công nghiệp

3.2 Các phương pháp điều khiển vị trí robot

3.2.1 Điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

Với hệ thống điều khiển trong không gian khớp , đại lượng điều khiển là vị trí khớp robot : góc quay đối với khớp quay , độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến

Bộ điểu khiển được thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt , tức là sai lệch

vị trí khớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất Vị trí đặt của khớp được tính toán từ lượng đặt vị trí của tay robot trong không gian làm việc thông qua khâu tính toán động học ngược Ưu điểm của phương pháp điều khiển ở không gian khớp là bé điều khiển tácđộng trực tiếp đến hệ thống truyền động của khớp Tuy nhiên , hệ thống điều khiển này khó đảm bảo độ chính xác vị trí của tay khi tồn tại các sai lệch trong cơ cÂu cơ khí hoặc thiếu thông tin về quan hệ giữa tay robot và đối tượng

a Bé điều khiển PD bê trọng lực

Hình 3.3 Sơ đồ khối của bé điều khiển phản hồi

Trong sơ đồ trên qd là vect¬ tín hiệu đặt vị trí của các khớp ( qd = ) đối với các khớp quay và qd = rd đối với các khớp tịnh tiến , q là vecto vị trí thực của các khớp robot tương ứng là với khớp tịnh tiến , là vect¬ m«men đối với khớp quay và lực đối với khớp tịnh tiến

Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng :

(3.1)Luật điều khiển có cấu trúc dạng tư lệ - đạo hàm ( PD )

- là sai số vị trí của khớp robot

- là sai số tốc độ của khớp robot

Hệ thống điều khiển với cấu trúc (3.2),(3.3) đã được chứng minh là ổn định tuyệt đối xung quanh điểm cân bằng , không phụ thuộc vào khối lượng thanh nối và tải dựa trên nguyên lý ổn định của Liapunov

Nhược điểm của bé điều khiển PD : KP và KD quá lớn sẽ làm ảnh hưởng tới độ ổn định , chất lượng , quá trình quá độ , độ quá điều chỉnh , thời gian quá độ …

b Bé điều khiển PID

Bé điều khiển PID có cấu trúc tương tự nh bé điều khiển PD có bê trọng lực đã nêu

(3.4)Với là sai số tốc độ

Như vậy , tùy theo cấu trúc đã lựa chọn của bộ đIều khتn , ta đem đối chiều cácphương trình đIều khiển tương ứng vói phương trình Lagrange - Euler , từ đó nhận được

các phương trình của hệ điều khiển tương ứng Cần xác định các hệ số KI , KP , KD , để

hệ thống hoạt động ổn định

3.2.2 Điều khiển trong không gian làm việc

Trong thực tế chuyển động của robot được dặt trong không gian làm việc , do đó thuật tu¸n động học ngược cần thiết để biÐn đổi quỹ đạo đặt trong không gian tay về không gian khớp Điều đó sẽ là tăng khối lượng tính toán Vì vậy điÒu khiển robot côngnghiệp thông thường sÊ tính vị trí khớp thông qua bài toán động học ngược và sau đó tính toán tốc độ và gia tốc khíp bằng phương pháp vi phân số

Với hệ thống điều khiển không gian làm việc , tín hiệu đặt trực tiếp là quỹ đạo chuyển động mong muốn của tay robot trong không gian làm việc , lượng phản hồi sẽ được tính từ vị trí của khớp thông qua khâu động học thuận Khâu động học ngược ®uîc cài đặt trong mạch vòng điÒu khiển phản hồi sẽ tính đồi các biến vỊ không gian khớp Yêu cầu vỊ thời gian mẫu sẽ làm giảm chất lượng của hệ thống

Vì những hạn chế trên , hệ thống điều khiển không gian làm việc chỉ được sử dụng hiệu quả khi thực hiện điều khiển tương tác giữa tay robot và môi trường làm việc Thực tế hệ thống điều khiển trong không gian khớp được thiết kế cho điều khiển robot khi chuyển động tự do trong không gian Khi tay robot làm việc trong điều kiện ràng buộc với môi trường , vi dụ tay robot tiếp xúc với môi trường làm việc , cần thiết điều khiển đồng thời vị trí và lực tiếp xúc Lượng đặt của hệ thống điều khiển là quỹ đạo chuyển động của tay robot Sai lệch giữa vị trí đặt của tay robot và phàn hồi vị trí tay ở không gian tay sẽ được chuyển thành m«men hoặc lực của khớp truyền động cho các khớp Hai hệ thống điển hình là : hệ thống điều khiển ma trận Jacobien chuyển vị và hệ thống điều khiển ma trận Jacobien đảo

a Khái niệm về lực công ảo

Khi có một lực tác dụng vào một vật ở hệ tọa độ gốc sẽ gây ra các lực tu¬ng đương tác dụng ở các hệ tọa độ khác nhau gắn cứng với vật Các lực tương đương này có thể xác định theo phương pháp “dịch chuyển ảo ” hay còn gọi là lc công ảo , ta sẽ trình bày dưới đây :

Một ngoại lực tác dụng lên vật gây lên một vi phân dịch chuyển ảo ở hệ tọa độ gốc và lực tương đương gây ra một dịch chuyển ảo tương đương ở hệ tọa độ C gắn cưng với vật đó Giả thiết dịch chuyển là rất nhákh«ng làm thay đổi năng lượng của

hệ thống khi đó lực và tác dụng lên vật sẽ cân bằng với nhau và bằng :

Trong đó :

Với dx ,dy,dz là các thành phần dịch chuyển tịnh tiến theo 3 trục tọa độ và là các thành phần dịch chuyển quay theo 3 trục tọa độ

Độ dịch chuyển hệ tọa độ C và độ dịch chuyển hệ tọa độ gốc , chóng được liên

hệ với nhau qua phương trình :

với là ma trận Jacobien đối với khung tọa độ C

thay vào

ta được :

Quan hệ đúng với mọi dịch chuyển #0 nên ta có

Hoặc

b Hệ thống điều khiển ma trận Jacobien nghịch đảo

Phương pháp điều khiển ma trận Jacobien nghịch đảo được xây dựng trên

cơ sở phương pháp 3.3.1 nhưng lức này sai lệch vị trÞvµ sai lÖc tốc độ của tay robot được định nghĩa tương ứng là :

(3.5) (3.6)

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ma trận Jacobien nghịch đảo được biển ®iÔn

ở hình sau :

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống vị trí tay robot sử dụng ma trận Jacobien nghịch đảo

Khi coi các sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ tay robot là các đại lượng nhỏ , sử dụng biểu thức quan hệ giữa các vector dịch chuyển nhỏ của tay và khớp , hoặc quan hệ

tốc độ giữa tay và khớp ,vector sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ ®c xác định theo các phương trình sau :

(3.7) (3.8) Trong đó : - ma trận Jacobien nghịch đảo

Tương tự nh luật điều khiển PD kinh điển ,vector moment cần thiết để truyền độngcho khớp robot được xác định theo phương trình sau :

(3.9) Với Kp và Kd là các ma trận đường chéo

c Hệ thống điều khiển ma trận Jacobien chuyển vị

Lực cần thiết để di chuyển khớp tay robot theo quỹ đạo đặt trong không gian làm việc được xác định từ sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ trong không gian làm việc tương ứng với luật điều khiển PD kinh điển :

(3.10)Trong đó

- vector lực cần thiết để tay robot di chuyển theo quỹ đạo và tốc độ đặt trước;

, -tương ứng là vector vị trí đặt và vector vị trí thực của tay robot

, - tương ứng là vector tốc độ đặt và vector tốc độ thực của tay robot

-ma trận đường chéo các hệ số khuyÕch đại -ma trận đường chéo các hệ số đạo hàm Theo luật công ảo , vector lực ở tay robot được biến đổi về lực hoặc moment khớprobot thông qua ma trận Jacobien chuyển vị Khi đó kết hợp với luật điều khiển PD kinh điển ta có

Vector moment truyền động khớp robot được xác định nh sau :

(3.11)

Sơ đồ khối hệ thống vị trí tay robot sử dụng ma trận Jacobien chuyển vị trình bày trên hình