CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ROBOT DẠNG TAY MÁY ĐÔI Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới về các phương pháp điều khiển chuyển động cho hệ đa robot nói chung và hệ tay máy đôi nói riêng. Trong hệ robot dạng tay máy đôi ngoài xác định động học và động lực học của các tay máy, đối tượng, còn cần xác định các ràng buộc hình học, động học của các tay máy với đối tượng. Việc xác định được chính xác các thông số của mô hình hệ thống gặp nhiều khó khăn do sự phức tạp của hệ thống robot dạng tay máy đôi, do chiều dài, khối lượng, mô men quán tính các khớp của các tay máy, của đối tượng bị thay đổi khi hệ thống làm việc, các tham số động học, động lực học của hệ tay náy đôi được coi là các tham số bất định. Ngoài ra còn có các thành phần lực không xác định được chính xác khi các tay máy chuyển động như lực ma sát trên các khớp phụ thuộc vào cấu trúc của khớp.
Các hệ thống truyền lực như đai truyền đàn hồi, bánh răng có vùng chết, khi đảo chiều gây nên tính phi tuyến của vùng đặc tính này. Hệ thống cảm biến đo tốc độ các khớp, tốc độ của đối tượng, lực tác động của các tay máy lên đối tượng trong quá trình đo không đặt được tại vị trí cần đo, mà thông qua phép đo gián tiếp để tính đại lượng cần đo gây lên sai số đo. , ngoài ra một số trạng thái rất khó đo bằng sử dụng cảm biến. Để bù đặc tính phi tuyến, tính bất định và kháng nhiễu cho hệ tay náy đôi, cũng như xử lý các trạng thái khó đo được chính xác bằng cảm biến, các nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển cần được tiếp tục phát triển để mang lại hiệu quả cao trong điều khiển chuyển động hệ tay náy đôi.
Do vậy các phương pháp điều khiển sẽ được đề cập và phân tích trong mục này. Trước khi đi vào phân tích các phương pháp điều khiển cho hệ thống robot dạng tay máy đôi, tác giả sẽ đi phân tích khái quát về hệ thống robot dạng tay náy đôi và ứng dụng của nó. Tổng quan về hệ thống robot dạng tay máy đôi và ứng dụng Việc xác định thao tác tay máy đôi là một vấn đề vô cùng đa dạng và phức tạp, không chỉ phụ thuộc vào động lực học robot mà còn phụ thuộc vào nhu cầu của các nhiệm vụ được giao. [1] cung cấp một định nghĩa phân cấp cho thao tác robot dạng tay máy đôi, như trong Hình 1.
Theo định nghĩa, thao tác hai tay máy có thể được phân loại theo thao tác không phối hợp và thao tác phối hợp. Thao tác không phối hợp chỉ ra tình huống rằng chuyển động độc lập được chỉ định cho mỗi tay máy, giống như một người cầm tách cà phê bằng cánh tay trái trong khi vẽ một bức tranh bằng cánh tay phải. Thao tác phối hợp có thể được chia thành hai loại, thao tác phối hợp theo mục tiêu và thao tác phối hợp chuyển động. Thao tác phối hợp theo mục tiêu đề cập đến tình huống hai tay máy cùng thực hiện một nhiệm vụ, nhưng cả hai cánh tay được chỉ định chuyển 4 luan an Hình 1.1: Định nghĩa phân cấp của thao tác robot dạng tay máy đôi.
động độc lập, giống như một người đang gõ bàn phím bằng cả tay trái và tay phải. Thao tác phối hợp chuyển động hai tay máy biểu thị tình huống hai tay máy phối hợp tác động đồng thời lên cùng một đối tượng ở dạng đối xứng hoặc dạng không đối xứng, đối tượng có thể được giữ ổn định, di chuyển từ nơi này tới nơi khác, đối tượng được các tay máy thao tác có thể là một đối tượng rắn đồng chất, đối tượng rắn không đồng chất hoặc có thể là một đối tượng đàn hồi – bề mặt của đối tượng bị biến dạng khi chịu tác động lực từ các tay máy. Luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu hệ thống robot dạng tay máy đôi phối hợp chuyển động cùng một đối tượng.2 ví dụ một hệ thống robot dạng tay máy đôi đang phối hợp thao tác cùng một đối tượng, ở đây đối tượng đang được giữ ổn định.2: Hệ thống robot dạng tay máy đôi phối hợp. Mục tiêu chính của phối hợp chuyển động cùng một đối tượng trong hệ thống robot dạng tay máy đôi: • Chia sẻ tải giữa các tay máy.
• Thay đổi vị trí không gian của đối tượng (chuyển từ nơi này đến nơi khác) • Theo dõi vị trí và hướng nhất định của đối tượng. • Thực hiện một số công việc trên đối tượng đứng yên hoặc chyển động. 5 luan an Ý tưởng về một cỗ máy hoặc robot tự động có khả năng thay thế sức lao động của con người trong các công việc tẻ nhạt và tốn thời gian, đã trở thành mục tiêu của các kỹ sư và nhà phát minh từ xa xưa cho tới nay. Hệ thống robot đã và đang trải qua những thay đổi lớn và ngày càng mang lại những tác động kinh tế, xã hội đáng kể cho cuộc sống con người [2].
Robot công nghiệp đã được sử dụng rộng rãi và thành công trong các quy trình sản xuất thông thường do độ bền, tốc độ và độ chính xác cao trong môi trường công nghiệp [3]. Với những phát triển trong công nghệ robot và các yêu cầu về hiệu quả và chất lượng trong quy trình sản xuất, thao tác phối hợp của các tay máy ngày càng thu hút sự chú ý do tiềm năng ứng dụng khác nhau trong thực tế và cả những thách thức lý thuyết [4]. Ví dụ trong các ứng dụng sản xuất ô tô, việc lắp rắp, vận chuyển, sơn, đóng gói và hàn thường đòi hỏi tính linh hoạt và cơ động cao mà một robot đơn không thể thực hiện được. Do đó, sự phối hợp của nhiều tay máy phát sinh như một kỹ thuật quan trọng để tăng hiệu quả và nâng cao tính linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp.
Ngoài độ phức tạp cao của nhiệm vụ mà một robot đơn không thể thực hiện được, một số động cơ khác để phát triển hệ thống đa robot như khả năng phân phối tải, khả năng thích nghi cao khi một tay máy xảy ra lỗi, khả năng mở rộng và tính linh hoạt cao [5]. Ngoài ra, trong ngành công nghiệp, robot công nghiệp dạng tay máy đôi ngày càng được coi là một xu hướng đầy hứa hẹn của tự động hóa công nghiệp [6, 7], do một loạt các đặc điểm: (1) tay máy đôi giống như con người cung cấp cho người vận hành cách thao tác trực quan hơn, (2) khả năng dự phòng cao, cải thiện tính linh hoạt trong thao tác các nhiệm vụ khác nhau, (3) thao tác đồng bộ rút ngắn thời gian thực hiện nhiệm vụ. Dựa trên những đặc điểm này, robot dạng tay máy đôi do đó được coi là dòng robot công nghiệp chính trong thế hệ tiếp theo và đã được sử dụng trong nhiều cơ sở sản xuất và nghiên cứu. Không giống như robot đơn, điểm nhấn vào robot dạng tay máy đôi luôn là sự linh hoạt của chúng, robot tay máy đôi có hai tay máy giống như con người được kỳ vọng sẽ thay thế con người mà không phải thiết kế lại nơi làm việc [8, 9, 10].
Khả năng sử dụng thay thế robot cho con người được cho là chìa khóa của tự động hóa linh hoạt, chi phí thấp. Khi việc sử dụng robot trong các môi trường chăm sóc sức khỏe và gia đình tăng lên thì đòi hỏi robot phải thích nghi với các môi trường làm việc khác nhau. Các robot dáng người tiên tiến hơn được kỳ vọng sẽ bắt chước các hành vi của con người, hành động và thao tác các đối tượng theo những cách tương tự như con người. Hệ thống robot dạng tay máy đôi đã được ứng dụng trong nhiều ngành: Trong công nghiệp, tay máy đôi được sử dụng để làm việc trong môi trường phóng xạ [11], được sử dụng theo cặp với điều khiển cho từng tay máy.
Hãng Power Co., ở Nhật Bản [12] đã phát triển một hệ thống điều khiển từ xa tay máy đôi để bảo trì đường dây nóng trên không. Hệ thống điều khiển đa robot được công nhận là hiệu quả hơn trong việc lắp ráp và vận chuyển từ những thập kỷ trước [13], việc sử dụng chúng được hứa hẹn sẽ giảm chi phí sản xuất do nhiều robot hoạt động song song, đặc biệt trong các quy trình tốc độ thấp như hàn hồ quang [14]. Một trong số này nỗ lực vào khả năng thao tác và nhắm vào các ứng dụng sản xuất công nghiệp, như Robot tay máy đôi của Toyota [15]. ABB đề xuất một cánh tay đôi (FRIDA) 14 trục được trang bị bộ kẹp linh hoạt (Hình 1.3), nhằm đáp ứng các kịch bản sản xuất nhanh thường thấy trong ngành công 6 luan an nghiệp điện tử, tiêu dùng và ngày càng tăng trong các lĩnh vực khác [16].
Dự án SMErobotics [17] thực hiện nhiệm vụ lắp ráp với robot tay máy đôi công nghiệp thể hiện trong Hình 1.3: FRIDA robot tay máy đôi ABB Hình 1.4: Lắp ráp với tay máy đôi công nghiệp thuộc dự án SMErobotics Hình 1.5: Robot tay máy đôi Motoman DA20 lắp Hình 1.6: Robot hạng nặng của Hitachi để dọn ráp ghế dẹp FUKUSHIMA Hình 1.8: Hai robot PUMA uốn cong một tấm Hình 1.7: Bộ điều khiển tay máy đôi linh hoạt Ngoài ra, hệ thống tay máy đôi còn được ứng dụng trong lắp ráp các bộ phận [18], Hình 1.5 là hình ảnh robot Motoman DA20 lắp ráp ghế. Hãng Hitachi [19] đã phát triển một robot tay máy đôi có thể mang vác nặng trong những không 7 luan an gian nhỏ, cho nhiệm vụ dọn dẹp nhà máy điện hạt nhân bị hỏng (Hình 1. Một bộ điều khiển robot tay máy đôi công nghiệp (Hình 1.7) để lắp ráp chính xác các bộ phận cơ khí, cũng có thể sử dụng để nâng phôi lớn và nặng [20] Một lĩnh vực khác được nghiên cứu đó là định hình lại vật liệu. Hệ thống tay máy đôi được sử dụng để uốn các bộ phận kim loại [21] (Hình 1.8) và trong [22] hệ thống tay máy đôi được sử dụng để gấp các thùng carton thành các hình dạng định trước.
Tay máy đôi được dùng trong nhiệm vụ lắp ráp theo định hướng công nghiệp cho các đối tượng đa diện rắn [23], sử dụng phương pháp học từ quan sát.