Luận án Giải bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt Rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véctơ tọa độ suy rộng

Trong các tài liệu vềrôbốt [25, 28, 32, 39] người ta đã đưa ra một sốkhái niệm vềrôbốt công nghiệp. Dưới đây là một sốkhái niệm (định nghĩa) điển hình: • Rôbốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt được sửdụng đểthay thếtừng phần hoặc toàn bộcác hoạt động cơbắp và hoạt động trí tuệcủa con người với nhiều khảnăng thích nghi khác nhau. • Rôbốt công nghiệp là một cơcấu chuyển đổi tự động có thểchương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độcó khảnăng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất, chi tiết, dụng cụgá lắp, dao cắt theo những chương trình thay đổi, đã chương trình hóa nhằm thực hiện các chương trình công nghệ khác nhau. • Rôbốt công nghiệp là một tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thểlập trình lại đểhoàn thành và nâng cao hiệu quảhoàn thành các nhiệm vụkhác nhau trong công nghiệp, nhưvận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, thiết bịhoặc các dụng cụchuyên dùng khác. Những chiếc rôbốt công nghiệp đầu tiên được chếtạo vào năm 1956 bởi công ty Unimation của George Devol và Joseph F. Engelberger ởMỹ. Các rôbốt đầu tiên này chủyếu được dùng đểvận chuyển các vật thểtrong một phạm vi nhỏ. Tính năng làm việc của rôbốt ngày càng được hoàn thiện và nâng cao hơn, nhất là khảnăng nhận biết và và xửlý các thông tin. Các rôbốt ngày nay được trang bịthêm các loại cảm biến khác nhau đểnhận biết môi trường xung quanh và nhờcác thành tựu to lớn trong các lĩnh vực như điều khiển học, tin học và 4 điện tửhọc mà các rôbốt có thêm nhiều tính năng đặc biệt. Nhờvậy mà các rôbốt công nghiệp đã có một vịtrí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nhất là trong các dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt (FMS). Do đó các nước đang đẩy mạnh việc sản xuất các rôbốt công nghiệp để ứng dụng vào các ngành công nghiệp, đi đầu trong lĩnh vực chếtạo rôbốt công nghiệp hiện nay đó là Nhật Bản, kế đến là Mỹ, Đức, Ý, Pháp, Anh và Hàn Quốc. Theo [9, 22, 25, 28, 32, 44, 56, 58], cấu tạo của rôbốt thường có 3 bộ phận chủyếu, đó là: • Tay máy (manipulator) • Bộphận dẫn động • Bộphận điều khiển Trong đó tay máy là bộphận cơkhí quan trọng, đóng vai trò là một bộ phận chấp hành của rôbốt. Tay máy cấu tạo bởi các khâu và các khớp nhằm mô phỏng theo nguyên tắc hoạt động của bàn tay con người. Bộphận dẫn động gồm các động cơ(có thểlà động cơ điện, khí nén hoặc thủy lực) đểtạo nên chuyển động cho các khớp của tay máy. Bộphận điều khiển giữvai trò quan trọng nhưlà bộnão của con người. Bộ điều khiển được dùng để điều khiển các hoạt động của rôbốt. Bộphận điều khiển thường được thực hiện thông qua một hệthống chương trình điều khiển - mỗi chương trình đảm nhận một nhiệm vụcụthể. Đểcó thểkhai thác, sửdụng một cách hiệu quảcác rôbốt đã được trang bị, cũng như đểcó thểtiến hành nghiên cứu, thửnghiệm, chếtạo các rôbốt mới đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của nền công nghiệp hiện đại thì việc nghiên cứu rôbốt đang được các cơsởsản xuất, các nhà khoa học, các trường học đại học, cao đẳng quan tâm. Khi nghiên cứu vềrôbốt chúng ta thường phải giải quyết các bài toán về động học, động lực học và điều khiển. Trong các bài toán này thì bài toán ngược mà đặc biệt là các bài toán ngược của rôbốt dưdẫn động là bài toán khó và hiện nay đang còn ít được nghiên cứu ởnước ta. Vì vậy tác giảchọn cho mình đềtài “Giải bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt rôbốt dưdẫn động dựa trên thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơtọa độsuy rộng” nhằm cải tiến phương pháp sốgiải bài toán ngược đã có hiện nay.

pdf155 trang | Chia sẻ: tuandn | Lượt xem: 2305 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Giải bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt Rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véctơ tọa độ suy rộng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC TRẦN HOÀNG NAM GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT RÔBỐT DƯ DẪN ĐỘNG DỰA TRÊN THUẬT TOÁN HIỆU CHỈNH GIA LƯỢNG VÉC TƠ TỌA ĐỘ SUY RỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC TRẦN HOÀNG NAM GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT RÔBỐT DƯ DẪN ĐỘNG DỰA TRÊN THUẬT TOÁN HIỆU CHỈNH GIA LƯỢNG VÉC TƠ TỌA ĐỘ SUY RỘNG Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số ngành: 62 52 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học : 1. GS.TSKH Nguyễn Văn Khang 2. PGS.TS Nguyễn Phong Điền Hà Nội 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực. Tác giả luận án Trần Hoàng Nam MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Mục lục I Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt thường sử dụng III Danh mục các bảng VI Danh mục các hình vẽ và đồ thị VII Mở đầu 1 Chương 1. Tính toán động học ngược rôbốt dư dẫn động bằng thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 8 1.1 Giải bài toán động học thuận rôbốt dư dẫn động bằng phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg 8 1.1.1 Các tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg 10 1.1.2 Phương trình xác định vị trí và hướng của khâu thao tác 12 1.1.3 Bài toán áp dụng 14 1.2 Ma trận tựa nghịch đảo 16 1.2.1 Định nghĩa 16 1.2.2 Ma trận tựa nghịch đảo Moore-Penrose 16 1.2.3 Phương pháp nhân tử Lagrange 18 1.2.4 Nghiệm tổng quát của phương trình đại số tuyến tính 19 1.3 Giải bài toán động học ngược rôbốt dư dẫn động bằng phương pháp hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 20 1.3.1 Phương pháp khai triển Taylor 20 1.3.2 Các công thức xác định véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc suy rộng 21 1.3.3 Các công thức xác định véc tơ tọa độ suy rộng 22 1.3.4 Đánh giá sai số 26 1.4 Các bài toán áp dụng 26 1.5 Kết luận chương 1 43 Chương 2 Tính toán động lực học ngược rôbốt dư dẫn động trong không gian thao tác dựa trên thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 44 2.1 Dạng thức Lagrange loại 2 của hệ nhiều vật 44 2.2 Giải bài toán ngược động lực học rôbốt dư dẫn động trong không gian thao tác 47 II 2.3 Các bài toán áp dụng 52 2.4 Kết luận chương 2 69 Chương 3 Điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán số hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 70 3.1 Cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov 70 3.1.1 Hệ phi tuyến và các điểm cân bằng 70 3.1.2 Khái niệm ổn định 72 3.1.3 Phương pháp trực tiếp Lyapunov 74 3.2 Bài toán điều khiển chuyển động của rôbốt 78 3.3 Điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động 80 3.4 Các bài toán áp dụng 85 3.5 Kết luận chương 3 102 Chương 4. Bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt rôbốt BKHN-MCX-04 103 4.1 Tổng quan về phương pháp đo chính xác bề mặt các chi tiết máy 103 4.2 Kết cấu của rô bốt đo BKHN-MCX-04 104 4.3 Tính toán động học ngược 106 4.4 Tính toán động lực học ngược 111 4.5 Điều khiển trượt rôbốt BKHN-MCX-04 122 4.6 Thí nghiệm 126 4.6.1 Cấu tạo của hệ thống thí nghiệm 126 4.6.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm 127 4.6.3 Hệ thống điều khiển 127 4.6.4 Kết quả thí nghiệm 131 4.7 Kết luận chương 4 133 Kết luận chung 134 Danh mục công trình của tác giả 136 Tài liệu tham khảo 137 III DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG SỬ DỤNG ai Khoảng dịch chuyển dọc trục xi (chiều dài của khâu thứ i) αi Góc quay quanh trục xi. A(z,θi) Ma trận biến đổi tọa độ bởi phép quay cơ bản xung quanh trục z. A(z,di) Ma trận biến đổi tọa độ bởi phép tịnh tiến dọc trục z. A(x,ai) Ma trận biến đổi tọa độ bởi phép tịnh tiến dọc trục x. A(x,αi) Ma trận biến đổi tọa độ bởi phép quay xung quanh trục x. Ai Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ i. A+ Tựa nghịch đảo của ma trận A. Ci Cosin (qi). C12…n Cosin(q1+q2+…+qn). C(q, )iq& iq& Véc tơ các lực Coriolis và lực hướng tâm của mô hình thực. ),(ˆ qqC & iq& Véc tơ các lực Coriolis và lực hướng tâm của bộ điều khiển. ),(~ qqC & Sai số giữa C(q, )iq& và ),(ˆ qqC & . di Khoảng dịch chuyển gốc tọa độ Oi-1 về O’i. d Véc tơ nhiễu. Di Ma trận chuyển đổi tọa độ từ O0x0y0z0 về hệ tọa độ Oixiyizi. ke Sai số dịch chuyển của bàn kẹp (không gian thao tác). ke& Sai số vận tốc của bàn kẹp. ke&& Sai số gia tốc của bàn kẹp. e(t) Véc tơ sai số bám theo góc quay. )t(e& Sai số bám theo vận tốc quay. ε Sai số của phép tính. epxi Gia tốc góc của khâu thứ i. f Số bậc tự do của cơ hệ. g(q) Véc tơ lực trọng trường suy rộng. )(ˆ qg Véc tơ các lực trọng trường của bộ điều khiển. )(~ qg Sai số giữa g(q) và )(ˆ qg . i-1Hi Ma trận biến đổi tọa độ từ hệ trục Oi-1xi-1yi-1zi-1 về Oixiyizi. h=Δt Khoảng thời gian của bước tính toán. li Vị trí trọng tâm khâu thứ i đối với hệ trục tọa độ khâu i. λ Nhân tử Lagrange. IV λi Hằng số dương thứ i. mi Khối lượng của chất điểm thứ i. M(q) Ma trận khối lượng suy rộng. )(ˆ qM Momen khối lượng của bộ điều khiển. )(~ qM Sai số giữa M(q) và )(ˆ qM . Ii Tenxơ quán tính khối của vật rắn thứ i. Izi Momen quán tính đối với trục z của khâu thứ i. JTi Ma trận Jacobi tịnh tiến của vật rắn thứ i. JRi Ma trận Jacobi quay của vật rắn thứ i. J(q) Ma trận Jacobi. J+(q) Tựa nghịch đảo của ma trận Jacobi. )(qJ +& Đạo hàm bậc nhất của J +(q). k Hệ số khuyếch đại . k Hệ số khuyếch đại của hàm sat. Ks Hệ số khuyếch đại dạng trượt. Kpd Hệ số khuyếch đại tỷ lệ - đạo hàm. omi Vận tốc góc của khâu thứ i. Px, Py, Pz Các tọa độ x, y, z của điểm thao tác P. Π Thế năng của hệ. q∂ Π∂ Thành phần lực suy rộng của các lực có thế. q Véc tơ tọa độ suy rộng của robot. q& Đạo hàm bậc nhất của q theo thời gian. q&& Đạo hàm bậc 2 của q theo thời gian. q0 Véc tơ tọa độ suy rộng tại thời điểm ban đầu. 0q& Đạo hàm bậc nhất theo thời gian của q0. 0q&& Đạo hàm bậc 2 theo thời gian của q0. 0 ~q Giá trị gần đúng của q0. Δq0 Số gia của q0. qk+1 Giá trị của q tại thời điểm t = tk+1. 1k+q& Đạo hàm bậc 1 theo thời gian của qk+1. 1k+q&& Đạo hàm bậc 2 của qk+1. 1k ~ +q Giá trị gần đúng của qk+1. qi_dot Đạo hàm bậc nhất của qi theo thời gian. qi_2dot Đạo hàm bậc 2 của qi theo thời gian . qd Véc tơ tọa độ suy rộng mong muốn. dq& Đạo hàm của véc tơ suy rộng mong muốn theo thời gian. V rCi Véc tơ định vị trọng tâm của vật rắn thứ i. sgn Hàm dấu. sat Hàm bão hòa. Si Sin(qi). S12..n Sin(q1+q2+…+qn). θi Góc quay của trục xi-1 xung quanh trục zi-1. x Véc tơ định vị của khâu thao tác. x=f(q) Phương trình xác định tọa độ x theo tọa độ suy rộng q. xd Vị trí mong muốn của bàn kẹp. dx& Vận tốc chyển động mong muốn của bàn kẹp. dx&& Gia tốc chuyển động mong muốn của bàn kẹp. x* Trạng thái cân bằng. dx~ Sai số bám của biến x. d ~x Véc tơ sai số bám. vr Véc tơ hình học của vận tốc. vi Véc tơ đại số của vận tốc khối tâm của vật rắn thứ i. V(x) Hàm Lyapunov. ωi Vận tốc góc của vật rắn thứ i. i ~ω Toán tử sóng của véc tơ vận tốc góc thứ i. τ Lực/momen trên khớp động . T Động năng của toàn hệ. u Quy luật điều khiển. DH Denavit-Hartenberg. MP Moore-Penrose. PD Tỷ lệ - vi phân. PID Tỷ lệ - vi phân – tích phân. VI DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Thông số DH rôbốt 5 khâu động 14 Bảng 2.1 Các tham số động học của rôbốt Scara 52 Bảng 2.2 Bảng thông số động lực rôbốt SCARA 4 bậc tự do 56 Bảng 2.3 Các thông số động lực học của rôbốt 5 khâu động 60 Bảng 2.4 Các thông số động học của rôbốt 5 khâu động 60 Bảng 2.5 Các thông số DH rôbốt 6 khâu động 62 Bảng 2.6 Các thông số động lực rôbốt 6 khâu động 62 Bảng 2.7 Các giá trị thông số động lực học của rôbốt 6 khâu động 67 Bảng 3.1 Các thông số động lực rôbốt 4 khâu động 85 Bảng 3.2 Các thông số động lực rôbốt SCARA 93 Bảng 4.1 Thông số hình học của rôbốt 105 Bảng 4.2 Bảng tham số động học D-H 106 Bảng 4.3 Vị trí khối tâm khâu i của rôbốt trên hệ động 114 Bảng 4.4 Các thông số động lực của rôbốt đo 119 Bảng 4.5 Các kết quả đo thực nghiệm 131 VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 0.1 Rôbốt trên dây chuyền của trung tâm sản xuất linh hoạt 1 Hình 0.2 Rôbốt phục vụ máy phay CNC 2 Hình 0.3 Rôbốt Mitsubishi RV-2AJ 2 Hình 0.4 Hình ảnh một số loại rôbốt 3 Hình 1.1 Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ các khâu 9 Hình 1.2 Sơ đồ rôbốt dạng chuỗi 13 Hình 1.3 Rôbốt 5 khâu động 14 Hình 1.4 Sơ đồ khối tính toán A+ theo phương pháp Moore-Penrose 17 Hình 1.5 Sơ đồ khối giải bài toán động học ngược 25 Hình 1.6 Rôbốt phẳng 5 khâu động 26 Hình 1.7 Các đặc tính chuyển động của khâu 1 27 Hình 1.8 Các đặc tính chuyển động của khâu 2 28 Hình 1.9 Các đặc tính chuyển động của khâu 3 28 Hình 1.10 Các đặc tính chuyển động của khâu 4 28 Hình 1.11 Các đặc tính chuyển động của khâu 5 29 Hình 1.12 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 29 Hình 1.13 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 29 Hình 1.14 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 30 Hình 1.15 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 30 Hình 1.16 Các đặc tính chuyển động của khâu 1 30 Hình 1.17 Các đặc tính chuyển động của khâu 2 31 Hình 1.18 Các đặc tính chuyển động của khâu 3 31 Hình 1.19 Các đặc tính chuyển động của khâu 4 31 Hình 1.20 Các đặc tính chuyển động của khâu 5 32 Hình 1.21 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 32 Hình 1.22 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 32 Hình 1.23 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 33 Hình 1.24 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 33 Hình 1.25 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 34 Hình 1.26 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 34 Hình 1.27 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 34 Hình 1.28 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 35 Hình 1.29 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 35 Hình 1.30 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 35 Hình 1.31 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 36 Hình 1.32 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 36 VIII Hình 1.33 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 37 Hình 1.34 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 37 Hình 1.35 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 37 Hình 1.36 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 38 Hình 1.37 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục x 38 Hình 1.38 Sai số vị trí của điểm thao tác theo trục y 38 Hình 1.39 Sai số góc định hướng của bàn kẹp 39 Hình 1.40 Dạng chuyển động của rôbốt theo kết quả tính toán 39 Hình 1.41 Rôbốt 6 khâu động 40 Hình 1.42 Đồ thị góc quay của các khớp 41 Hình 1.43 Đồ thị vận tốc góc các khớp 41 Hình 1.44 Đồ thị gia tốc góc các khớp động 41 Hình 1.45 Đồ thị sai số vị trí trong không gian thao tác 42 Hình 1.46 Đồ thị sai số vận tốc trong không gian thao tác 42 Hình 1.47 Đồ thị sai số gia tốc trong không gian thao tác 42 Hình 2.1 44 Hình 2.2 Thuật toán giải bài toán động lực học ngược trong không gian thao tác 51 Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu rôbốt scara 52 Hình 2.4 Đồ thị chuyển động của các khớp động rôbốt scara 53 Hình 2.5 Đồ thị vận tốc chuyển động của các khớp động rôbốt scara 54 Hình 2.6 Đồ thị gia tốc chuyển động của các khớp động rôbốt scara 54 Hình 2.7 Đồ thị sai số vị trí bàn kẹp rôbốt scara 55 Hình 2.8 Đồ thị sai số vận tốc bàn kẹp rôbốt scara 55 Hình 2.9 Đồ thị sai số gia tốc bàn kẹp rôbốt scara 56 Hình 2.10 Mômen trên khớp động thứ 1 57 Hình 2.11 Mômen trên khớp động thứ 2 58 Hình 2.12 Lực trên khớp động thứ 3 58 Hình 2.13 Mômen trên khớp động thứ 4 59 Hình 2.14 Rôbốt phẳng 5 khâu động 59 Hình 2.15 Đồ thị các mômen động cơ theo thời gian 61 Hình 2.16 Rôbốt phẳng 6 khâu động 61 Hình 2.17 Mômen trên khớp động thứ 1 67 Hình 2.18 Mômen trên khớp động thứ 2 67 Hình 2.19 Mômen trên khớp động thứ 3 68 Hình 2.20 Mômen trên khớp động thứ 4 68 Hình 2.21 Mômen trên khớp động thứ 5 68 IX Hình 2.22 Mômen trên khớp động thứ 6 69 Hình 3.1 Các khái niệm về ổn định 72 Hình 3.2 Gốc không ổn định 72 Hình 3.3 Trạng thái hội tụ không ổn định 73 Hình 3.4 Sự phân kỳ trạng thái khi chuyển động dọc theo các đường năng lượng thấp 76 Hình 3.5 Sự hội tụ đến tập bất biến lớn nhất 77 Hình 3.6 Sơ đồ hoạt động của rôbốt 78 Hình 3.7 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển không gian khớp 79 Hình 3.8 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển không gian thao tác 79 Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển rôbốt 80 Hình 3.10 Hàm sat 83 Hình 3.11 Hàm arctan 83 Hình 3.12 Sơ đồ tính toán và mô phỏng điều khiển rôbốt 84 Hình 3.13 Rôbốt 4 khâu động 85 Hình 3.14 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 1 86 Hình 3.15 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 2 86 Hình 3.16 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 3 87 Hình 3.17 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 4 87 Hình 3.18 Momen điều khiển tại khớp 1 88 Hình 3.19 Momen điều khiển tại khớp 2 88 Hình 3.20 Momen điều khiển tại khớp 3 89 Hình 3.21 Momen điều khiển tại khớp 4 89 Hình 3.22 Đồ thị sai số suy rộng s1 90 Hình 3.23 Đồ thị sai số suy rộng s2 90 Hình 3.24 Đồ thị sai số suy rộng s3 91 Hình 3.25 Đồ thi sai số suy rộng s4 91 Hình 3.26 Đồ thị tọa độ x(t) trong không gian thao tác theo thời gian 92 Hình 3.27 Đồ thị tọa độ y(t) trong không gian thao tác theo thời gian 92 Hình 3.28 Rôbốt Scara 93 Hình 3.29 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 1 94 Hình 3.30 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 2 94 Hình 3.31 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 3 95 Hình 3.32 Đồ thị nhiễu tác động trên khớp động 4 95 Hình 3.33 Momen điều khiển tại khớp 1 96 Hình 3.34 Momen điều khiển tại khớp 2 96 Hình 3.35 Lực điều khiển tại khớp 3 97 Hình 3.36 Momen điều khiển tại khớp 4 97 Hình 3.37 Đồ thị sai số suy rộng s1 98 X Hình 3.38 Đồ thị sai số suy rộng s2 98 Hình 3.39 Đồ thị sai số suy rộng s3 99 Hình 3.40 Đồ thi sai số suy rộng s4 99 Hình 3.41 Đồ thị tọa độ x(t) trong không gian thao tác theo thời gian 100 Hình 3.42 Đồ thị tọa độ y(t) trong không gian thao tác theo thời gian 100 Hình 3.43 Đồ thị tọa độ z(t) trong không gian thao tác theo thời gian 101 Hình 3.44 Đồ thị góc quay φ trong không gian thao tác theo thời gian 101 Hình 4.1 Mô hình rôbốt đo BKHN-MCX-04 104 Hình 4.2 Sơ đồ động học rôbốt đo BKHN-MCX-04 105 Hình 4.3 Quỹ đạo định trước của điểm E (đường xoắn ốc) 109 Hình 4.4 Đồ thị biến khớp q 109 Hình 4.5 Đồ thị vận tốc góc các khớp q& 110 Hình 4.6 Đồ thị gia tốc góc các khớp q&& 110 Hình 4.7 Vị trí trọng tâm các khâu 114 Hình 4.8 Quỹ đạo điểm E 119 Hình 4.9 Vị trí các khâu trong quá trình chuyển động 120 Hình 4.10 Trị số của biến khớp 2, 3 và 4 120 Hình 4.11 Vận tốc góc của động cơ dẫn động khâu 2, 3 và 4 121 Hình 4.12 Gia tốc góc của động cơ dẫn động khâu 2, 3 và 4 121 Hình 4.13 Mômen dẫn động cần thiết cho các khâu của rôbốt 122 Hình 4.14 Quỹ đạo định trước của điểm E (đường xoắn ốc) 123 Hình 4.15 Đồ thị tọa độ xE(t) trong không gian thao tác theo thời gian 124 Hình 4.16 Đồ thị tọa độ yE(t) trong không gian thao tác theo thời gian 125 Hình 4.17 Đồ thị tọa độ zE(t) trong không gian thao tác theo thời gian 125 Hình 4.18 Mô hình thí nghiệm rôbốt đo BKHN-MCX-04 126 Hình 4.19 Sơ đồ điều khiển toàn bộ rôbốt 128 Hình 4.20 Sơ đồ điều khiển từng khớp của BKHN-MCX-04 129 Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển 1 trục 130 Hình 4.22 Quỹ đạo thực nghiệm của điểm cuối E 132 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do lựa chọn đề tài Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất là một chủ trương lớn của đất nước chúng ta hiện nay. Với xu thế chung của thế giới, để có thể đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa cần ưu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào đời sống sản xuất. Trong đó vấn đề quan trọng nhất là phải tăng nhanh lượng tự động hóa vào các quá trình sản xuất công nghiệp. Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), sự nguy hiểm của môi trường lao động như sự nóng bức tại các lò hơi, sự lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, sự ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, sự nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ… Để có thể khắc phục được những vấn đề vừa nêu, các công ty ở các nước có nền sản xuất phát triển đã đưa các rôbốt vào các dây chuyền sản xuất của mình. Dưới đây là một số hình ảnh về các rôbốt và nơi ứng dụng của chúng mà chúng ta thường gặp Hình 0.1. Rôbốt trên dây chuyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt. 2 Hình 0.2 rôbốt trên dây chuyền của máy phay cnc. hình 0.2. Rôbốt phục vụ máy phay CNC. Hình 0.3. Rôbốt Mitsubishi RV-2AJ 3 a. b. c. Hình 0.4. Một số loại rôbốt • Tại các lò phản ứng hạt nhân (a) • Thám hiểm đại dương (b) • Khám phá vũ trụ (c) Trong các tài liệu về rôbốt [25, 28, 32, 39] người ta đã đưa ra một số khái niệm về rôbốt công nghiệp. Dưới đây là một số khái niệm (định nghĩa) điển hình: • Rôbốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt được sử dụng để thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người với nhiều khả năng thích nghi khác nhau. • Rôbốt công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất, chi tiết, dụng cụ gá lắp, dao cắt … theo những chương trình thay đổi, đã chương trình hóa nhằm thực hiện các chương trình công nghệ khác nhau. • Rôbốt công nghiệp là một tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, thiết bị hoặc các dụng cụ chuyên dùng khác. Những chiếc rôbốt công nghiệp đầu tiên được chế tạo vào năm 1956 bởi công ty Unimation của George Devol và Joseph F. Engelberger ở Mỹ. Các rôbốt đầu tiên này chủ yếu được dùng để vận chuyển các vật thể trong một phạm vi nhỏ. Tính năng làm việc của rôbốt ngày càng được hoàn thiện và nâng cao hơn, nhất là khả năng nhận biết và và xử lý các thông tin. Các rôbốt ngày nay được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh và nhờ các thành tựu to lớn trong các lĩnh vực như điều khiển học, tin học và 4 điện tử học mà các rôbốt có thêm nhiều tính năng đặc biệt. Nhờ vậy mà các rôbốt công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nhất là trong các dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt (FMS). Do đó các nước đang đẩy mạnh việc sản xuất các rôbốt công nghiệp để ứng dụng vào các ngành công nghiệp, đi đầu trong lĩnh vực chế tạo rôbốt công nghiệp hiện nay đó là Nhật Bản, kế đến là Mỹ, Đức, Ý, Pháp, Anh và Hàn Quốc. Theo [9, 22, 25, 28, 32, 44, 56, 58], cấu tạo của rôbốt thường có 3 bộ phận chủ yếu, đó là: • Tay máy (manipulator) • Bộ phận dẫn động • Bộ phận điều khiển Trong đó tay máy là bộ phận cơ khí quan trọng, đóng vai trò là một bộ phận chấp hành của rôbốt. Tay máy cấu tạo bởi các khâu và các khớp nhằm mô phỏng theo nguyên tắc hoạt động của bàn tay con người. Bộ phận dẫn động gồm các động cơ (có thể là động cơ điện, khí nén hoặc thủy lực) để tạo nên chuyển động cho các khớp của tay máy. Bộ phận điều khiển giữ vai trò quan trọng như là bộ não của con người. Bộ điều khiển được dùng để điều khiển các hoạt động của rôbốt. Bộ phận điều khiển thường được thực hiện thông qua một hệ thống chương trình điều khiển - mỗi chương trình đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể. Để có thể khai thác, sử dụng một cách hiệu quả các rôbốt đã được trang bị, cũng như để có thể tiến hành nghiên cứu, thử nghiệm, chế tạo các rôbốt mới đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của nền công nghiệp hiện đại thì việc nghiên cứu rôbốt đang được các cơ sở sản xuất, các nhà khoa họ
Luận văn liên quan