Chương 1 giới thiệu tổng quan về lí do chọn đề tài, các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan và nhiệm vụ nghiên cứu. Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết tổng quát về mô hình động lực học của cánh tay robot, thuật toán bầy đàn PSO và thuật toán di truyền GA. Chương 3 trình bày chi tiết về các vấn đề sau: - Cách xác định mô hình động lực học của cánh tay robot RRR có 3 bậc tự do. - Xây dựng mô hình mô phỏng phương trình động lực học của cánh tay robot RRR.
- Cách sử dụng thuật toán PSO và GA để nhận dạng các thông số của mô hình động lực học của cánh tay robot. - Trình bày một số kết quả mô phỏng và so sánh đánh giá hiệu quả nhận dạng của hai phương pháp PSO và GA. Cuối cùng, chương 4 là kết luận về đề tài nghiên cứu, những giới hạn và hướng phát triển tiếp theo của đề tài. Trang 5 HVTH: Đặng Thị Mỹ Chi GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về robot 2.1 Giới thiệu chung về Robot [2] - Robot là một loại máy móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động. - Quá trình phát triển của robot bắt đầu từ những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, một công ty của Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) đã giới thiệu một loại máy tự động vạn năng được gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất hay còn gọi là cánh tay robot.
- Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.
- Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo,. - Việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo Trang 6 HVTH: Đặng Thị Mỹ Chi GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt.
Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot ngày càng có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. - Các hệ thống điều khiển robot được xem như là các hệ thống phức tạp, việc thiết kế hệ thống điều khiển liên quan đến việc xác định mô hình động học của hệ thống. Nó phức tạp bởi việc điều khiển liên quan đến tính phi tuyến, số trục hoặc số bậc của robot và việc thay đổi theo môi trường làm việc.
Và vì mô hình lý thuyết cho hệ thống này không hoàn toàn giống với môi trường làm việc thực tế của hệ thống điều khiển. - Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các 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 bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ 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 có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn .2 Các thông số về cánh tay robot a.
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 hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Số bậc tự do mà một cơ cấu có được là số biến vị trí độc lập phải được xác định để xác định vị trí của tất cả các thành phần của cơ cấu. Đối với robot công nghiệp điển hình, vì cơ cấu thường là một chuỗi động học mở và vị trí của mỗi khớp được xác định bởi một biến riêng biệt nên số lượng của các khớp bằng số bậc tự do.
Hệ tọa độ (co-ordinate frames) [2] Mỗi robot thường gồm nhiều khâu (link) liên kết với nhau qua các khớp (joint) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm Trang 7 HVTH: Đặng Thị Mỹ Chi GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (xem hình 2. Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.1: Các tọa độ suy rộng của robot [2] Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản sau : • Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Đề-các, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic). • Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Rotation). Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau.
Các phép biến đổi thuần nhất [2] Phép biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ về vị trí và hướng giữa robot và vật thể. Hệ tọa độ thuần nhất : Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều, người ta dùng Vectơ điểm (Point vector). Vectơ điểm thường được ký hiệu bằng các chữ viết thường như u, v, x1. để mô tả vị trí của điểm U, V, X1 Nếu i, j, k là các vec tơ đơn vị của một hệ toạ độ nào đó, ta có 𝑣 = 𝑎𝑖 + 𝑏𝑗 + 𝑐𝑘 (2.1) với a, b, c là toạ độ vị trí của điểm V trong hệ đó.
Trang 8 HVTH: Đặng Thị Mỹ Chi GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm Phép biến đổi tịnh tiến (T: Translation) Gọi u là vectơ điểm biểu diễn điểm cần biến đổi tịnh tiếnu = x y z T , h là vectơ dẫnℎ = 𝑎𝑖 + 𝑏𝑗 + 𝑐𝑘được biểu diễn bằng một ma trận T gọi là ma trận chuyển đổi.2) 0 0 1 𝑐 0 0 0 1 v là vectơ biểu diễn điểm sau khi đã biến đổi.3) Phép quay (Rotation) quanh các trục toạ độ: [3] Giả sử ta cần quay một điểm hoặc một vật thể xung quanh trục toạ độ nào đó với góc quay θo, ta lần lượt có các ma trận chuyển đổi như sau : 1 0 0 0 0 cos 𝜃 − sin 𝜃 0 𝑅𝑜𝑡 𝑥, 𝜃 0 = (2.4) 0 sin 𝜃 cos 𝜃 0 0 0 0 1 cos 𝜃 0 sin 𝜃 0 0 1 0 0 𝑅𝑜𝑡 𝑦, 𝜃 0 = (2.5) − sin 𝜃 0 cos 𝜃 0 0 0 0 1 cos 𝜃 − sin 𝜃 0 0 sin 𝜃 cos 𝜃 0 0 𝑅𝑜𝑡 𝑧, 𝜃 0 = (2.3 Phương trình động học của robot (Kinematic Equations) Bất kỳ một robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền với các khớp (joints). Ta đặt trên mỗi khâu của robot một hệ toạ độ. Sử dụng các phép biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ toạ độ này.
đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma trận A. Nghĩa là ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ toạ độ của hai khâu liền nhau. A1 mô tả vị trí và hướng của khâu đầu tiên; A2 mô tả vị trí và hwớng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhất. [2] Như vậy vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ toạ độ gốc Trang 9 HVTH: Đặng Thị Mỹ Chi GVHD: TS.
Nguyễn Minh Tâm được biểu diễn bởi ma trận T2 = A1.A2 và tương tự, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai nên ta có T3 = A1. Nếu một robot có 6 khâu ta có mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ gốc là T6 = A1. Chuyển vị T6 như vậy sẽ bao gồm các phần tử : 𝑛𝑥 𝑂𝑥 𝑎𝑥 0 𝑛 𝑂𝑦 𝑎𝑦 0 𝑇6 = 𝑦 (2.7) 𝑛𝑧 𝑂𝑧 𝑎𝑧 0 0 0 0 1 Các thông số Denavit- Hartenberg (DH): Một robot bao gồm nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động. Gốc chuẩn (base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu.
Khâu 1 nối với khâu chuẩn (khâu 0) bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước: Độ dài pháp tuyến chung: an. Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an: αn.2: Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu [2] Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác định bởi dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục.
dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu. Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ toạ độ.