Cơ Sở Lý Thuyết và Ứng Dụng của Động Học, Động Lực Học và Điều Khiển trong Robotics

1. Introduction

1.1. Historical Development

1.2. Components and Mechanisms of a Robotic System

1.3. Reference Frame and Coordinate System

1.4. Introduction to Robot 's Kinematics, Dynamics, and Control

1.5. Problems of Robot Dynamics

1.6. Preview of Covered Topics

1.7. Robots as Multi-disciplinary Machines

1.8. Summary

I. Kinematics

2. Rotation Kinematics

2.1. Rotation About Global Cartesian Axes

2.2. Successive Rotation About Global Cartesian Axes

2.3. Global Roll-Pitch-Yaw Angles

2.4. Rotation About Local Cartesian Axes

2.5. Successive Rotation About Local Cartesian Axes

2.7. Local Roll-P itch-Yaw Angles

2.8. Local Axes Rotation Versus Global Axes Rotation

2.10. Active and Passive Transformation

2.11. Summary

3. Orientation Kinematics

3.1. Axis-angle Rotation

3.3. * Determination of Euler Parameters

3.5. * Spinors and Rot ators

3.6. * Problems in Representing Rotations

3.7. * Composition and Decomposition of Rot ations

3.8. Summary

4. Motion Kinematics

4.1. Rigid Body Motion

4.2. Homogeneous Transform ation

4.3. Inverse Homogeneous Transformation

4.4. Compound Homogeneous Transformation

4.5. *Screw Coordin at es

4.7. *Compound Screw Transformation

4.8. *The Plucker Line Coordinate

4.9. *The Geometry of Plane and Line

4.2. * Angle and Distance

4.3. * Plane and Line

4.10. *Screw and Plucker Coordinate

4.11. Summary

5. Forward K inematics

5.1. Denavit-Hartenberg Notation

5.2. Transformation Between Two Adjacent Coordinate Frames

5.3. Forward Position Kinemat ics of Robots

5.4. * Coordinate Transformation Using Screws

5.6. Summary

6. Inverse Kinematics

6.1. * Existence and Uniqueness of Solution

6.2. Inverse Transformation Technique

6.3. It erat ive Techniqu e

6.4. *Comparison of the Inverse Kinematic s Techniques

6.2. * Inverse Kinemati cs Techniques

6.6. Summary

7. Angular Velocity

7.1. Angular Velocity Vector and Matrix

7.2. T ime Derivative and Coordinat e Fram es

7.3. Rigid Body Velocity

7.4. Velocity Transformation Matrix

7.5. Derivative of a Homogeneous Transform ation Matrix

7.6. Summary

8. Velocity Kinematics

8.1. Rigid Link Velocity

8.2. Forward Velocity Kinematic s and the Jacobian Matrix

8.3. Jacobian Generating Vector s

8.4. Inverse Velocity Kinem atics

8.5. Summary

9. Numerical Methods in Kinematics

9.1. Linear Algebraic Equ ations

9.3. Nonlinear Algebraic Equations

9.4. * Jacobian Matrix From Link Transformation Matrices

9.5. * Kinematics Recursive Equ ations

9.1. *Recursive Velocity in Base Frame

9.2. *Recursive Acceleration in Base Frame

9.6. Summ ary

II. Dynamics

10. Acceleration Kinematics

10.1. Angu lar Acceleration Vector and Matrix

10.2. Rigid Body Acceleration

10.3. Acceleration Transformation Matrix

10.4. Forward Acceleration Kinematics

10.5. * Inverse Acceleration Kinematics

10.6. Summary

11. Motion Dynamics

11.1. Force and Moment

11.2. Rigid Body Translational Kinet ics

11.3. Rigid Body Rotational Kinetics

11.4. Mass Moment of Inertia Matrix

11.5. Lagrange's Form of Newton 's Equations of Motion

11.7. Summary

12. Robot Dynamics

12.1. Rigid Link Recursive Acceleration

12.2. Rigid Link Newton-Euler Dynamics

12.3. Recursive Newton-Euler Dynamics

12.4. Robot Lagrange Dynamics

12.5. * Lagrange Equations and Link Transformation Matrices

12.5.

III. Control

13. Path Planning

13.1. Joint Cubic Path

13.2. Higher Polynomial Path

13.3. Non-Polynomial Path Planning

13.4. Manipulator Motion by Joint Path

13.7. Mani pulator Motion by En d-Effector Path

14. * *Time Optimal Control

14.1. Minimum Time and Bang-Bang Contro l

14.3. ** Floating Time Method Time-Opt imal Contro l for Robots

15. * *Open and Closed-Loop Control

15.1. Open and Closed-Loop Control

15.2. Computed Torque Contro l

15.3. Linear Control Technique

15.4. Sensing and Control

References

A Global Frame Triple Rotation

B Local Frame Triple Rotation

C Principal C entral Screws Triple Combination

D Trigonometric Formula

Index

I. Tổng Quan về Động Học Động Lực Học và Điều Khiển trong Robotics

Động học, động lực học và điều khiển là ba lĩnh vực cốt lõi trong nghiên cứu và phát triển robotics. Động học nghiên cứu chuyển động của robot mà không xem xét lực tác động. Động lực học, ngược lại, xem xét các lực và mô men ảnh hưởng đến chuyển động. Điều khiển là quá trình điều chỉnh hành vi của robot để đạt được mục tiêu cụ thể. Sự kết hợp của ba lĩnh vực này tạo ra nền tảng cho việc phát triển robot tự hành và các hệ thống điều khiển phức tạp.

1.1. Định Nghĩa và Vai Trò của Động Học trong Robotics

Động học là lĩnh vực nghiên cứu chuyển động của robot mà không xem xét lực. Nó bao gồm các khái niệm như vị trí, vận tốc và gia tốc. Động học giúp xác định cách mà các bộ phận của robot di chuyển và tương tác với nhau.

1.2. Động Lực Học Lực và Mô Men trong Robot

Động lực học nghiên cứu các lực và mô men tác động lên robot. Nó giúp hiểu rõ hơn về cách mà robot phản ứng với các lực bên ngoài và nội tại, từ đó tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất hoạt động.

II. Thách Thức trong Động Học và Động Lực Học của Robot

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong lĩnh vực robotics, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong động học và động lực học. Các vấn đề như tính chính xác trong mô hình hóa, sự phức tạp trong tính toán và khả năng điều khiển chính xác vẫn là những vấn đề cần giải quyết. Những thách thức này ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của robot trong môi trường thực tế.

2.1. Vấn Đề Tính Chính Xác trong Mô Hình Hóa

Mô hình hóa chính xác là rất quan trọng để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, việc tạo ra các mô hình chính xác cho các hệ thống phức tạp là một thách thức lớn.

2.2. Khó Khăn trong Tính Toán Động Lực Học

Tính toán động lực học yêu cầu các phương pháp phức tạp và thời gian tính toán dài. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của robot trong các ứng dụng thực tế.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Động Học và Động Lực Học

Để giải quyết các vấn đề trong động học và động lực học, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các thuật toán điều khiển, mô hình hóa động học và động lực học, cùng với các công nghệ mới như học máy, đang được áp dụng để cải thiện hiệu suất của robot.

3.1. Thuật Toán Điều Khiển Hiện Đại

Các thuật toán điều khiển hiện đại như PID, LQR và điều khiển thích nghi giúp cải thiện khả năng điều khiển của robot trong các tình huống khác nhau.

3.2. Mô Hình Hóa Động Học và Động Lực Học

Mô hình hóa động học và động lực học sử dụng các phương pháp toán học để mô tả hành vi của robot. Các mô hình này giúp dự đoán chuyển động và tối ưu hóa thiết kế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Động Học và Động Lực Học trong Robotics

Động học và động lực học có nhiều ứng dụng thực tiễn trong robotics. Từ robot tự hành đến robot công nghiệp, các nguyên lý này giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của robot trong các nhiệm vụ khác nhau.

4.1. Robot Tự Hành và Động Học

Robot tự hành sử dụng động học để xác định lộ trình và điều hướng trong môi trường phức tạp. Các thuật toán động học giúp robot di chuyển một cách an toàn và hiệu quả.

4.2. Ứng Dụng trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, động lực học được sử dụng để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Robot công nghiệp cần phải hoạt động chính xác và hiệu quả để đáp ứng nhu cầu sản xuất.

V. Kết Luận và Tương Lai của Động Học Động Lực Học và Điều Khiển trong Robotics

Tương lai của động học, động lực học và điều khiển trong robotics hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ. Sự phát triển của công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo và học máy, sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện hiệu suất và khả năng của robot.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Robotics

Công nghệ robotics đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các robot thông minh hơn. Các xu hướng như tự động hóa và trí tuệ nhân tạo sẽ định hình tương lai của ngành này.

5.2. Tương Lai của Robot Tự Hành

Robot tự hành sẽ ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ giao thông đến dịch vụ. Sự phát triển của động học và động lực học sẽ là yếu tố quyết định cho sự thành công của chúng.