Luận án tiến sĩ: Tính toán dung sai robot chuỗi theo nhóm cấu trúc - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán dung sai robot chuỗi theo nhóm cấu trúc. Phân tích chi tiết các phương pháp tính toán độ chính xác và ứng dụng robot.

• Tác giả: Lê Thị Thu Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thành Long
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi

Robot chuỗi là cấu trúc cơ bản trong robot công nghiệp, gồm các khâu nối tiếp qua khớp. Dung sai chế tạo khâu và khe hở khớp ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị khâu cuối. Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc là hướng tiếp cận mới, phân loại robot thành các nhóm cấu trúc tương đồng để xây dựng phương pháp tính toán thống nhất. Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Thị Thu Thủy tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên năm 2021 đã đề xuất cách tiếp cận này. Phương pháp giúp tối ưu hóa dung sai chế tạo, đảm bảo độ chính xác yêu cầu đồng thời giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình toán học liên kết giữa dung sai khâu, khe hở khớp và sai lệch vị trí khâu cuối. Hướng nghiên cứu này mang tính ứng dụng cao trong thiết kế và chế tạo robot công nghiệp hiện đại.

1.1. Khái niệm dung sai và nhóm cấu trúc robot chuỗi

Dung sai trong robot chuỗi là khoảng sai lệch cho phép của các thông số hình học gồm chiều dài khâu, góc xoắn, offset và khe hở khớp. Nhóm cấu trúc robot là cách phân loại dựa trên đặc điểm động học tương đồng như số bậc tự do, loại khớp và sơ đồ liên kết. Việc nhóm cấu trúc giúp tổng quát hóa phương pháp tính toán, áp dụng được cho nhiều loại robot khác nhau. Mỗi nhóm có công thức tính dung sai đặc trưng, phản ánh mối quan hệ phi tuyến giữa thông số khâu và vị trí khâu cuối.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu dung sai trong thiết kế robot

Xác định dung sai hợp lý giúp cân đối giữa yêu cầu độ chính xác và chi phí chế tạo. Dung sai quá chặt làm tăng chi phí gia công, dung sai quá rộng khiến robot không đạt hiệu suất. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc chọn dung sai tối ưu ngay từ giai đoạn thiết kế. Đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp 4.0, robot công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao trong khi vẫn phải đảm bảo tính kinh tế sản xuất hàng loạt.

II. Phân tích các nguồn sai số và vấn đề tồn tại trong xác định dung sai robot

Sai số trong robot chuỗi có nhiều nguồn gốc khác nhau. Sai số chế tạo khâu bao gồm sai lệch chiều dài, góc xoắn, offset. Sai số khớp phát sinh từ khe hở và lệch trục. Sai số động học do sai lệch tham số danh nghĩa. Ngoài ra còn sai số do biến dạng đàn hồi, nhiệt độ và tải trọng. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tiếp cận theo hai hướng: định tính xác định yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, hoặc định lượng tính toán sai lệch khâu cuối. Phương pháp định tính sử dụng phân tích độ nhạy, phương pháp định lượng dùng mô hình động học. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có còn hạn chế khi chưa phân loại robot theo nhóm cấu trúc để xây dựng phương pháp tổng quát. Nhiều công trình chỉ khảo sát cho robot cụ thể, khó áp dụng rộng rãi. Bài toán tối ưu dung sai cũng chưa được giải quyết triệt để trong các nghiên cứu trước.

2.1. Các nguồn gây sai số chính trong robot chuỗi

Sai số robot chuỗi gồm bốn nhóm chính. Thứ nhất là sai số hình học do chế tạo khâu như sai lệch chiều dài, góc xoắn. Thứ hai là sai số khớp gồm khe hở ổ bearing, lệch tâm trục. Thứ ba là sai số động học do sai lệch tham số Denavit-Hartenberg. Thứ tư là sai số phi động học từ biến dạng nhiệt, đàn hồi và ma sát. Mỗi nguồn sai số có đặc điểm riêng, yêu cầu phương pháp mô hình hóa và tính toán phù hợp để xác định đóng góp tổng sai số.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xác định dung sai truyền thống

Phương pháp truyền thống thường áp dụng cho robot cụ thể, thiếu tính tổng quát. Cách tiếp cận kinh nghiệm dựa trên thực nghiệm tốn thời gian và chi phí. Phương pháp giải tích gặp khó khăn với hệ phi tuyến phức tạp. Các nghiên cứu trong nước chủ yếu dừng ở mức định tính, chưa có công cụ tính toán định lượng đầy đủ. Phương pháp số đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. Việc thiếu phân loại theo nhóm cấu trúc khiến khó xây dựng quy trình chuẩn hóa cho thiết kế dung sai robot công nghiệp.

III. Phương pháp tính toán xác định dung sai robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

Phương pháp đề xuất trong luận án dựa trên xây dựng mô hình toán học liên kết dung sai khâu, khe hở khớp với sai lệch khâu cuối. Tiếp cận theo nhóm cấu trúc giúp tổng quát hóa công thức tính toán. Mô hình sử dụng hình cầu giới hạn sai số cho phép để biểu diễn miền sai lệch chấp nhận được của khâu cuối. Từ phương trình động học thuận, sai số được biểu diễn qua ma trận Jacobian biến đổi. Áp dụng phương pháp số GRG tối ưu để xác định giá trị dung sai. Bài toán được xây dựng theo hướng cho trước sai số cho phép tại khâu cuối, tìm dung sai chế tạo các khâu thỏa mãn. Mối quan hệ giữa dung sai và sai lệch được thiết lập qua hệ phương trình vi phân động học. Phương pháp cho phép tính toán đồng thời dung sai tất cả các khâu trong chuỗi, đảm bảo tổng sai số nằm trong giới hạn cho phép.

3.1. Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ dung sai và sai lệch

Mô hình toán học sử dụng hệ tọa độ Denavit-Hartenberg để mô tả động học robot. Mỗi khâu được đặc trưng bởi bốn tham số gồm góc xoắn, chiều dài, offset và góc khớp. Dung sai các tham số này dẫn đến sai lệch vị trí và hướng khâu cuối. Mối quan hệ được biểu diễn qua hàm số phi tuyến f(di, ai, qi, βi) = pj. Hình cầu giới hạn sai số cho phép xác định miền chấp nhận được của sai lệch khâu cuối. Từ đó suy ngược tìm dung sai các tham số đầu vào.

3.2. Phương pháp tối ưu hóa dung sai bằng thuật toán GRG

Thuật toán GRG (Generalized Reduced Gradient) được áp dụng để giải bài toán tối ưu dung sai. Bài toán đặt mục tiêu tối đa hóa dung sai nhằm giảm chi phí chế tạo, đồng thời ràng buộc sai lệch khâu cuối nằm trong hình cầu giới hạn cho phép. Phương pháp GRG xử lý hiệu quả hệ phương trình phi tuyến với nhiều biến và ràng buộc. Từ phương trình động học ngược, thuật toán xác định tọa độ suy rộng trong không gian khớp tại các điểm khảo sát. Kết quả cho ra bộ dung sai tối ưu cho từng khâu robot.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế chế tạo robot công nghiệp

Luận án đã xây dựng thành công phương pháp tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc. Phương pháp được kiểm chứng qua tính toán và mô phỏng cho các nhóm robot phổ biến. Kết quả cho thấy tính khả thi và ưu việt so với phương pháp truyền thống. Công thức tính toán tổng quát áp dụng được cho nhiều loại robot trong cùng nhóm cấu trúc. Phương pháp giúp kỹ sư xác định nhanh chóng dung sai chế tạo phù hợp ngay từ giai đoạn thiết kế. Ứng dụng thực tiễn bao gồm thiết kế robot hàn, robot lắp ráp, robot phẫu thuật. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu dung sai chuẩn theo nhóm cấu trúc robot. Kết quả có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp vào lĩnh vực thiết kế chế tạo robot công nghiệp tại Việt Nam.

4.1. Kết quả chính đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã phân loại robot chuỗi thành các nhóm cấu trúc đặc trưng. Mô hình toán học liên kết dung sai với sai lệch khâu cuối được xây dựng hoàn chỉnh. Phương pháp tính toán sử dụng hình cầu giới hạn sai số và thuật toán GRG được kiểm chứng. Kết quả tính toán cho các nhóm robot cụ thể phù hợp với mô phỏng và thực nghiệm. Luận án cung cấp công thức tổng quát có thể áp dụng rộng rãi cho robot công nghiệp cùng nhóm cấu trúc.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển tiếp theo

Phương pháp áp dụng trong thiết kế robot hàn, cắt, lắp ráp tự động trong sản xuất công nghiệp. Ứng dụng trong chế tạo robot phẫu thuật yêu cầu độ chính xác cao. Hướng phát triển gồm xây dựng phần mềm tính toán tự động, mở rộng cho robot song song và lai. Nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp yếu tố tải trọng, biến dạng nhiệt vào mô hình. Xây dựng cơ sở dữ liệu dung sai chuẩn theo nhóm cấu trúc phục vụ thiết kế robot công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 1.1 Sai số và các nguồn gây sai số Bắt đầu ra đời từ những năm sáu mươi của thế kỷ trước, các robot đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và xã hội. Robot phục vụ trong các hoạt động sản xuất công nghiệp như: xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp linh kiện điện tử, phun sơn, hàn điểm, hàn theo cung, gia công vật liệu…được gọi là robot công nghiệp (hình 1. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Với sự kết nối giữa các khâu (link) và khớp (joint) theo một cách thức nào đó để tạo thành các robot khác nhau nhằm mô phỏng và thay thế chức năng hoạt động của cánh tay con người, phần cơ khí của robot công nghiệp còn được gọi là tay máy (manipulator).

Và tay máy chính là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot. Tay máy gồm các khâu được liên kết bằng các khớp tạo các chuyển động khéo léo và linh hoạt nhằm đảm bảo khâu cuối (End-effector, hay còn được gọi là khâu chấp hành cuối, tay kẹp, khâu chấp hành, khâu tác động cuối hay khâu công tác) có khả năng định vị và định hướng chính xác đến đối tượng làm việc. Để có thể thực hiện được chức năng này một cách tuỳ ý trong không gian ba chiều, robot cần có sáu bậc tự do (DOF-Degree Of Freedom), trong đó ba bậc tự do để định vị và ba bậc tự do để định hướng. Do đó, đa số robot công nghiệp có sáu bậc tự do, như robot phục vụ trong hàn, sơn…Còn đối với một số công việc đơn giản hơn như nâng hạ, xếp dỡ,… chỉ yêu cầu số bậc tự do ít hơn sáu thì có thể sử dụng robot năm bậc tự do hoặc robot SCARA 4 bậc tự do.

Đây là những robot có cấu trúc vòng hở (Open loop) điển hình được dùng rộng rãi trong công nghiệp (hình 1. Xếp dỡ vật liệu c. Gia công - Phay Hìn 1. 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp a.

Robot SCARA 4DOF Hình 1. 2: Một số robot công nghiệp điển hình 10 Việc phân loại robot theo cấu trúc vòng kín (Close loop) và vòng hở (Open loop) sẽ hình thành nên hai loại robot là robot chuỗi (Serial robot) và robot song song (Parallel robot). Robot được tạo thành từ một chuỗi động học vòng kín nếu mỗi khâu được kết nối với mọi khâu khác bằng ít nhất hai đường dẫn riêng biệt và vòng mở nếu mỗi khâu được kết nối với khâu khác bằng một và chỉ một đường dẫn.3 là ví dụ về một robot có vòng động học khép kín (robot song song) và một robot có vòng động học hở (robot chuỗi). Trong đó, robot chuỗi chiếm đại đa số trong các ứng dụng công nghiệp do tính linh hoạt, không gian hoạt động lớn và độ chính xác cao.

Mặc dù robot song song có độ chính xác cao hơn, nhưng vì không gian làm việc nhỏ hẹp nên ứng dụng của nó bị hạn chế. 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) [47] Trong kỹ thuật nói chung cũng như trong kỹ thuật robot nói riêng, sai số luôn tồn tại. Có thể hiểu, sai số là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo được hoặc tính được và giá trị thực hay giá trị chính xác của một đại lượng nào đó. Robot công nghiệp là sự kết nối của chuỗi các bộ phận hợp thành nên cũng tồn tại nhiều sai số.

Các sai số này tích lũy đến khâu cuối (khâu cuối) làm cho robot hoạt động về mặt vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc…trong không gian công tác không đạt được các giá trị điều khiển mong 11 muốn. Để chỉ mức độ sai lệch này trong không gian công tác, ở robot tồn tại hai khái niệm về độ chính xác là: độ chính xác (pose accuracy) và độ chính xác lặp/ độ lặp lại (pose repeatability). Đây là hai giá trị quan trọng mô tả mức độ chính xác của tay máy được chỉ định trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 9283: Độ chính xác của robot được đánh giá bằng sự sai lệch của khâu cuối so với vị trí mong muốn trong không gian làm việc của robot. Hay, là khả năng của robot di chuyển chính xác đến một vị trí mong muốn trong không gian ba chiều [4].

Độ chính xác lặp là một phép đo về khả năng của robot di chuyển trở lại cùng một vị trí và hướng [4].4 minh họa rõ bản chất của độ chính xác và độ chính xác lặp của robot công nghiệp. Các vị trí đạt được của khâu thao tác Độ chính xác và độ Độ chính xác lặp tốt Cả độ chính xác và độ chính xác lặp đều kém nhưng độ chính xác kém chính xác lặp tốt Hìn 1. 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp [59] Độ chính xác quyết định chất lượng và giá thành công việc mà robot đảm nhận. Xét về chất lượng, khi robot càng chính xác thì chất lượng công việc của nó càng tốt, đây là mong muốn của người sử dụng.

Tuy nhiên, khi 12 robot có sai số thao tác càng nhỏ thì các yêu cầu kỹ thuật, công nghệ của các bộ phận hợp thành đòi hỏi càng cao và tinh vi, chi phí tổng thể để sản xuất tay máy tăng lên nhiều. Do đó, việc thiết kế, chế tạo robot sao cho đảm bảo độ chính xác ban đầu đạt yêu cầu là công việc khó khăn, tốn nhiều thời gian và công sức đối với các nhà thiết kế. Tùy vào mức độ chính xác của robot được chế tạo mà các nhiệm vụ, sản phẩm do robot thực hiện có đạt yêu cầu và đảm bảo kỹ thuật đặt ra hay không. Damak và các cộng sự [20], độ chính xác lặp của robot nằm trong phạm vi từ 0,03mm đến 0,1mm đối với những robot cỡ nhỏ và trung bình và có thể lớn đến 0,2mm đối với loại lớn.

Trong khi đó, độ chính xác thì thường nằm trong phạm vi vài mm. Theo [75], sự khác nhau về độ chính xác giữa robot theo thiết kế và robot thực tế chế tạo có thể từ 8mm đến 15mm, kết quả này là do dung sai chế tạo và biến dạng của kết cấu robot. Sai số lặp có nguyên nhân chủ yếu từ khả năng của bộ điều khiển không thể đạt được đến chính xác cùng một điểm tại các lần chạy khác nhau, và sự hiện diện của khe hở (backlash) trong các bánh răng bị mòn của tay máy. Các sai số gây sai lệch vị trí đích của khâu cuối bị tác động bởi một số lượng các tham số hình học và phi hình học [4].

Các tham số hình học chính là các kích thước khâu của tay máy và sự định hướng của các khớp. Trong quá trình sản xuất, sự thay đổi các phần của kích thước là không thể tránh khỏi từ robot này sang robot khác do dung sai. Theo [17], trong các tay máy sáu bậc tự do quay, độ dài của ba khâu đầu ảnh hưởng đến vị trí và khớp thứ 4, 5 và 6 (cổ tay) đóng góp chủ yếu vào sự định hướng của khâu thao tác. Các tham số khác ảnh hưởng độ chính xác gồm: Độ đàn hồi của các khớp và khâu, sự phân bố tải và độ lệch khớp, hệ thống truyền động phát nhiệt, sự ổn định và rung động của 13 cảm biến, sự linh hoạt và độ lệch tâm của hộp số, và nhiệt độ làm việc của môi trường [31].

Ngoài ra, vị trí cố định khâu cuối và sự xác định hệ tọa độ cố định O0 cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của tư thế (pose) của khâu thao tác trong môi trường làm việc [45]. Cụ thể, có thể phân ra làm ba nhóm các nguồn gây sai số chính trong không gian công tác này của robot như sau [67]: 1) Các sai số hình học hoặc động học: có nguồn gốc từ các cấu trúc cơ khí của robot, ví dụ như: trong các khớp hoặc trong các khâu của robot. Đây là những sai số trong quá trình chế tạo robot có kích thước thực tế sai khác so với kích thước danh nghĩa. Nó có thể là khoảng cách giữa các khớp (độ dài khâu) hoặc sai số góc trong quá trình xây dựng giữa các khớp.

Đây là một chuỗi các sai số nhỏ, nhưng các sai số nhỏ ở đầu chuỗi có thể tạo ra các sai số lớn ở cuối chuỗi (chính là sai số tại khâu thao tác) [19]. 5: Các yếu tố động học gây sai số Còn lại là các sai số phi hình học: Sai số phi hình học phụ thuộc vào tải trọng và chuyển động. Độ biến dạng của khớp, khe hở bánh răng, sai số động lực học trong bộ điều khiển, độ đàn hồi của khâu, giãn nở nhiệt độ, ma sát… [42]. 14 2) Các sai số trong hệ điều khiển của robot, bắt nguồn từ hệ thống truyền động học, gồm các mã hóa, hoặc các sai số động lực học và cả các sai số tính toán từ việc tính toán động học thuận và ngược.

Đối với các robot mới thì không gặp vấn đề gì nhưng khi robot mòn, và nhận được một số thay đổi hướng đi, có thể dẫn đến mất chuyển động (trong đó đầu ra không di chuyển khi các bánh răng chuyển động). Sai số này có thể được đo lường - bằng cách điều khiển tâm khâu cuối đến một điểm từ một hướng; và đến cùng một điểm đó nhưng từ một hướng khác – sau đó đo sự khác biệt. Một số nhà sản xuất đã đặt bộ mã hóa kép vào robot để bù sai số do khe hở cạnh răng - nhưng nhìn chung cần có sự can thiệp đại tu sửa chữa khi khe hở trở nên nghiêm trọng – robot bị cũ, xuống cấp. 6: Sai số do khe hở mặt răng + Cảm biến và hệ thống đo: Độ phân giải của hệ thống các mã hóa được gắn trên mỗi động cơ dẫn động và các cảm biến để xác định giá trị dịch chuyển quay hoặc tịnh tiến của các khớp quay hoặc khớp trượt là có giới hạn.

Giới hạn này càng nhỏ tức là độ phân giải nhỏ sẽ làm cho việc điều khiển 15 chuyển động sẽ ―mịn‖ hơn. Khi đó sự sai lệch giá trị dịch chuyển thực tế so với giá trị dịch chuyển mong muốn sẽ giảm xuống.