Phần mở đầu - Chƣơng 1: Tổng quan về bài toán động học Robot - Chƣơng 2: Phép đổi biến và mô hình động học tƣơng đƣơng - Chƣơng 3: Thực nghiệm và kiểm chứng kết quả - Kết luận của luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái12 Nguyên http://www.vn/ CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 1.Vị trí và vai trò của bài toán động học robot Bài toán động học robot là bài toán có chức năng xây dựng số liệu điều khiển mạch chuyển vị của robot công nghiệp. Nhiệm vụ của phần công tác đƣợc thiết lập trong không gian công tác, trong khi tác động điều khiển lại đặt vào khớp, nên biến khớp là đối tƣợng điều khiển trực tiếp. Vì vậy bài toán động học ngƣợc bao giờ cũng phải đƣợc giải, nhƣng vị trí của nó khác nhau giữa trƣờng hợp điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian công tác. Khi điều khiển trong không gian khớp, bài toán động học ngƣợc đƣợc giải trƣớc để chuyển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp.1: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp Hình 1.2: Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác Ở sơ đồ điều khiển trong không gian công tác, bài toán ngƣợc đƣợc giải trong mạch phản hồi, có thể thấy dữ liệu của bài toán động học chia thành hai nhóm: Nhóm thông số gồm các yếu tố có thể xác định đƣợc dựa trên thiết kế của robot nhƣ: - Chiều dài khâu (đo theo đƣờng nối tâm hai khớp của nó, kích thƣớc kí hiệu d trên bảng DH).
- Khoảng cách giữa hai gốc hệ quy chiếu kề nhau không cùng 1 khâu (đo theo phƣơng trục khớp, kích thƣớc kí hiệu a trong bảng DH). - Góc xoắn của khâu (kích thƣớc kí hiệu trong bảng DH). Các thông tin này đều đã biết trƣớc trong cả bài toán thuận và bài toán ngƣợc. Nhóm thứ hai là biến khớp: Bao gồm lƣợng tịnh tiến của khớp tịnh tiến hoặc góc quay của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái13 Nguyên http://www.vn/ khớp quay các giá trị này là đầu ra của bài toán động học ngƣợc.
Trong bài toán thuận đây là thông tin biết trƣớc. Để giải bài toán ngƣợc cần xác định thêm thông tin về phần chấp hành (vị trí và hƣớng), dữ liệu này do ngƣời sử dụng đƣa ra trong bài toán ngƣợc.2 Các phƣơng pháp xây dựng dữ liệu động học Trong quá trình sử dụng một robot công nghiệp, các khả năng công nghệ tiêu chuẩn có thể không thỏa mãn những yêu cầu thực tế. Nếu gặp trƣờng hợp cần điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo phức tạp hơn so với khả năng của bộ nội suy, việc xây dựng dữ liệu điều khiển là cần thiết. Giao diện qua cổng USB với file NC code viết theo chuẩn lập trình do nhà sản xuất quy định thƣờng là lựa chọn trong trƣờng hợp này.
Cấu trúc kết cấu của robot cho phép nó thực hiện các chuyển động không gian phức tạp, đồng thời cấu trúc điều khiển cho phép nhận tín hiệu chỉ huy từ nhiều nguồn khác nhau. Do vậy khả năng công nghệ của robot chỉ phụ thuộc vào phƣơng thức chuẩn bị và truyền dữ liệu.3: Giao diện của robot 1.1 Xử lý ảnh Công nghệ xử lý ảnh ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Ngoài các ứng dụng truyền thống nhƣ phục hồi, nâng cao chất lƣợng ảnh, các ứng dụng nhận dạng, an ninh, điều khiển ngày càng phổ biến. Công nghệ xử lý ảnh và nhận dạng là công nghệ khá phức tạp.
Ảnh thu nhận đƣợc từ camera luôn bị nhiễu. Việc xử lý khử nhiễu và nhận dạng mục tiêu trở nên khó khăn và tiêu tốn nhiều tài nguyên. Vì vậy để đƣa đƣợc công nghệ xử lý ảnh vào robot cần phải có sự hỗ trợ của những công nghệ khác nhƣ siêu âm, hồng ngoại,…để cải thiện độ chính xác và tốc độ. Trong công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái14 Nguyên http://www.vn/ nghiệp hình thức này thƣờng đƣợc ứng dụng trong các bài toán nhƣ lắp ráp với trƣờng dung sai hẹp hoặc tiếp cận các vật thể bố trí mang tính ngẫu nhiên.4: Sơ đồ xử lý ảnh với hai camera bố trí để đo tam giác 1.2 Bài toán ngƣợc Việc giải hệ phƣơng trình động học của robot đƣợc gọi là bài toán động học ngƣợc, nhằm xác định giá trị của các biến khớp theo các thông số đã biết của khâu chấp hành cuối.
KÕt qu¶ cña viÖc gi¶i hÖ phƣ¬ng tr×nh ®éng häc ®ãng vai trß hÕt søc quan träng trong viÖc ®iÒu khiÓn robot. Th«ng thƣêng, ®iÒu ta biÕt lµ c¸c vÞ trÝ vµ hƣíng mµ ta muèn robot ph¶i dÞch chuyÓn tíi vµ ®iÒu ta cÇn biÕt lµ mèi quan hÖ gi÷a c¸c hÖ to¹ ®é trung gian ®Ó phèi hîp t¹o ra chuyÓn ®éng cña robot, hay nãi c¸ch kh¸c ®ã chÝnh lµ gi¸ trÞ cña c¸c biÕn khíp øng víi mçi to¹ ®é vµ hƣíng cña kh©u chÊp hµnh cuèi hoÆc c«ng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái15 Nguyên http://www.vn/ cô g¾n lªn kh©u chÊp hµnh cuèi, muèn vËy ta ph¶i gi¶i hÖ phƣ¬ng tr×nh ®éng häc cña robot, tuy nhiên để thực hiện bài toán này thì có khó khăn ở những điểm sau: - Nếu n<6 thì lời giải không hoàn chỉnh, lúc này cơ cấu robot không đƣa bàn kẹp tới vị trí và định hƣớng nhƣ mong muốn đƣợc hoặc đạt tới vị trí nhƣng không thỏa mãn yêu cầu về định hƣớng. - Nếu n=6 tức là số ẩn bằng số phƣơng trình thì bộ biến khớp q1 ÷q6 hoàn toàn xác định. Tuy nhiên , lời giải không phải lúc nào cũng rễ dàng tìm ra vì các phƣơng trình này có thể là siêu việt và hệ phƣơng trình siêu việt này không phải lúc nào cũng hội tụ của lời giải.
- Nếu n>6 tức là ẩn số lớn hơn số phƣơng trình thì có khả năng có nhiều lời giải và cùng đạt tới một vị trí, một định hƣớng của bàn kẹp có thể có nhiều bộ thông số biến khớp qi. Trong khá nhiều trƣờng hợp giải bằng phƣơng pháp số lại không giải đƣợc lời giải thích hợp, thời gian tìm kiếm lời giải quá lâu do gặp khó khăn nhƣ giải hệ phƣơng trình siêu việt. Tính đa trị của lời giải cũng nhƣ sự đa dạng của các cấu hình trung gian của cơ cấu robot. Vì vậy có nhiều công trình nghiên cứu để tìm lời giải cho các bài toán động học ngƣợc ở dạng công thức.
Hầu hết các phƣơng pháp đều dùng cho các trƣờng hợp cơ cấu robot cụ thể nào đó và tất cả đều là trƣờng hợp từ 6 bậc tự do trở xuống.3 Kỹ thuật dạy – học Kỹ thuật dạy - học (Teach- Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các thao tác đã đƣợc dạy để làm việc ( Phƣơng pháp lập trình kiểu dạy học). Về cơ bản để dạy và học đƣợc hệ thống cần có các trang bị nhận biết trạng thái bản thân nhƣ chuyển vị, vận tốc, gia tốc bằng các cảm biến, các trạng thái này sau khi nhận biết thành công cần đƣợc định dạnh và lƣu trữ để truy xuất tuần tự khi cần nhằm tạo ra một chƣơng trình thực sự thông qua việc hệ thống các tƣ thế đƣợc học. Việc tƣơng tác ngƣời –máy đƣợc thực hiện thông qua remote – control, thông thƣờng trong chế độ dạy, tốc độ các động cơ đƣợc cố định, chỉ ghi nhận chuyển vị các điểm chốt. Các phần mềm để lập trình và các chƣơng trình điều khiển robot đƣợc cài đặt trên máy tính, dùng để điều khiển robot thông qua bộ điều khiển ( Controller).
Bộ điều khiển còn đƣợc gọi là Modun thông qua điều khiển( hay Unit, Driver), nó thƣờng đƣợc kết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái16 Nguyên http://www.vn/ nối với máy tính. Một Modun điều khiển có thể còn các cổng Vào – ra (I/O- port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau nhƣ các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác đinh vị trí của đối tƣợng làm việc hoặc các dò tìm khác, điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot 1.4 Liên kết CAD/ CAM Để hạn chế giá thành thiết bị, khả năng nội suy giới hạn của hệ thống điều khiển tiêu chuẩn tích hợp theo robot có thể không nội suy đƣợc các kiểu đƣờng cong nhƣ ellipse, parabolic, b-spline…khắc phục điều này nhà sản xuất để lại một cổng liên kết ngoại vi cho robot nhƣ RS232 hoặc RS485 nhằm liên kết các nguồn thông tin bên ngoài đƣợc xác lập theo mã chuẩn, đây chính là khả năng liên kết và chia sẻ các thông tin điều khiển của hệ thống khi robot là một thành phần của hệ đó. Trƣớc đây, việc mã hoá tín hiệu tập tin CAD thành các thao tác của robot thƣờng rất tốn kém và phức tạp. Một phần do các hệ thống đƣợc sử dụng là những máy móc mới nhất.
Phần khác do chi phí phần mềm tƣơng đối cao. Nhƣng nay việc mã hoá tập tin CAD đã trở nên đơn giản và đỡ tốn kém hơn nhờ CAD-CAM Robot, giải pháp tạo đƣờng dẫn trực tiếp từ các tập tin CAD để robot gia công vật dạng 2,5D đến 3D.CAD- CAM Robot có hai loại: CAD-CAM Robot dùng cho robot 3 trục và CAD-CAM Robot dùng cho robot 5 trục (cả hai đều sử dụng đầy đủ sáu trục cánh tay robot). Trong đó, loại dùng cho robot 3 trục thƣờng điều khiển robot gia công (phay, cán, cắt…) vật dạng “2,5D”. Còn loại dùng cho robot 5 trục điều khiển robot gia công vật dạng 3D.
Loại này yêu cầu phần mềm điều khiển khác với loại dùng cho robot 3 trục. Tuy nhiên, cả hai loại CAD-CAM cho Robot này đều có công suất CNC lớn và phạm vị ứng dụng rộng. Chúng có thể ứng dụng cho S4C mới nhất, robot S4CPlus ABB, các loại robot có kích cỡ từ IRB 140 rất nhỏ tới IRB 6400 có kích cỡ 3m.Các chuyên gia cho biết, khi robot gia công vật theo đƣờng cong, phần mềm CAD-CAM sẽ mã hoá tín hiệu qua đƣờng dẫn công suất và bộ xử lý, để tách đƣờng cong thành nhiều đƣờng chuyển dịch ngắn. Nhờ đó, robot thực hiện chính xác các quy trình gia công trên phạm vi rộng và hiệu suất lớn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái17 Nguyên http://www.5: Gia công cơ khí với robot mang dụng cụ cắt trong bàn tay điều khiển qua liên kết CAD/CAM.3 Bài toán động học ngƣợc Robot và các phƣơng pháp điển hình 1.
