CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chương này sẽ trình bày định nghĩa, thuộc tính, ứng dụng của các loại cánh tay robot trong công nghiệp, cách phân loại robot theo kết cấu và theo phương pháp điều khiển từ đó lựa chọn kết cấu robot phù hợp với yêu cầu đặt ra. Ngoài ra, tìm hiểu quy tắc Denavit- Hartenberg (D-H), lý thuyết quy hoạch quỹ đạo để xây dựng thuật toán cho mô hình, tổng quan về bộ điều khiển PD, bộ điều khiển computed torque (CTC), bộ điều khiển sliding mode (SMC) và bộ giám sát lỗi (FE) cho mô hình.1 Định nghĩa robot: Robot, "Người máy" là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo thường là một hệ thống cơ khí-điện tử [1]. Cánh tay robot là một cỗ máy được lập trình sẵn nhằm thực hiện một công việc nào đó lặp đi lặp lại, tỉ mỉ, tốc độ làm việc cao và độ chính xác của cánh tay robot lớn gấp nhiều lần so với con người [1].
Nó hoạt động rất linh hoạt với cơ chế khớp ngón hệt như một con người. Thay thế bàn tay của con người trong các công đoạn lắp ráp, sửa chữa, thay thế linh kiện siêu nhỏ trong nhà máy. Cơ chế hoạt động của chúng dựa trên liên kết giữa bộ điều khiển và các khớp nối chuyển động. Robot công nghiệp là một cơ cấu máy có thể lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng mục đích phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người.
Đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm.2 Các loại cánh tay robot và ứng dụng: 1.1 Robot giàn: Robot giàn là robot có vùng không gian làm việc tọa độ Descartes nên còn lấy tên là robot Descartes, có ba trục điều khiển chính là tuyến tính (tức là chúng di chuyển theo đường thẳng chứ không quay) và vuông góc với nhau [1]. 6 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Hình 1. 1 Cấu trúc robot giàn 1.2 Robot hình trụ: Robot hình trụ là loại robot có vùng không gian làm việc hình trụ gồm khớp xoay ở đế, tạo ra chuyển động quay dọc theo trục thân hình lăng trụ của nó [1]. 2 Cấu trúc robot hình trụ 1.3 Robot hình cầu: Robot có khớp nối có thể bao gồm từ các cấu trúc đơn giản có hai khớp nối đến các hệ thống có mười khối nối tương tác trở lên, mặc dù hầu hết có ít nhất bốn đến sáu điểm khớp nối.
Mỗi khớp bổ sung, được gọi là một trục, cung cấp một phạm vi chuyển động bổ sung càng có nhiều trục cánh tay robot có thể càng chính xác [1]. 3 Cấu trúc robot hình cầu 7 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.4 SCARA robot: SCARA là viết tắt của cánh tay robot lắp ráp tuân thủ chọn lọc hoặc cánh tay robot có khớp nối có chọn lọc [1]. 4 Cấu trúc robot SCARA 1.5 Robot song song: Robot song song (một loại robot có cánh tay có các khớp hình lăng trụ hoặc xoay hội tụ trên một đế chung), được phân biệt bởi ba cánh tay được chế tạo từ các hình bình hành ghép lại [1]. Cấu trúc này duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối, phần được gắn vào phần cuối của cánh tay robot thực hiện công việc.
5 Cấu trúc robot song song 1.3 Phân loại robot: Robot có rất nhiều loại ví dụ: cánh tay robot, mobile robot, robot trên không, robot dưới nước,… Nên robot nói chung thì có nhiều cách phân loại tùy theo loại robot, tùy theo quan điểm khác nhau. Nhưng nếu nói về cánh robot nói riêng thì nhìn chung robot có thể chia thành ba loại như sau: theo kết cấu, theo phương pháp điều khiển và theo phạm vi ứng dụng của robot. 8 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Phân loại theo kết cấu: Theo kết cấu (hình học), người ta thường phân loại robot thành các loại: Descartes, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác (Hình 1. Điều này đã được trình bày trong mục 1.2 Phân loại theo điều khiển: Có hai kiểu điều khiển robot: điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín: - Điều khiển hở dùng truyền bước động (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,.) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển [1],[2].
Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. 6 Cấu trúc điều khiển vòng hở - Điều khiển kín (điều khiển kiểu Servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác[1],[2]. Có hai cách điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour). 7 Cấu trúc điều khiển vòng kín.
9 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.3 Phân loại theo ứng dụng: Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot [1],[2]. Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự,… Hình 1. 8 Robot lắp ráp ô tô Hình 1. 10 Phân tích cấu trúc robot Hình 1.4 Động học robot: Để biểu diễn toán học mô hình robot, hệ trục tham chiếu thường gắn tại một điểm để từ đó có thể xác định mối quan hệ với robot.
Mỗi khâu của robot được gắn với một hệ trục tham chiếu nhằm mục đích bám theo vị trí, hướng của khâu và mô hình hóa toàn bộ hệ thống robot di chuyển trong không gian mà không quan tâm đến các lực xung quanh tác động. Các cảm biến khớp đo góc quay đối với các khớp chuyển động quay hoặc đo khoảng cách trượt đối với các khớp chuyển động tịnh tiến cho phép bộ điều khiển tính toán giá trị điều khiển một cách chính xác để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Việc tính toán ma trận 10 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT vị trí và hướng từ các biến khớp cũng như mối quan hệ này theo chiều ngược lại được gọi là tính toán động học thuận, động học nghịch (còn được gọi là tính toán động học robot).1 Động học thuận cánh tay robot: Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối khi biết trước tất cả các giá trị biến khớp, mối quan hệ đó biểu diễn như hình 2. Để giải được bài toán này thì tuân thủ quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H) [2],[3],[4].
12 Cấu trúc động học thuận Giả sử trong chuỗi động học của cánh tay robot có n khâu, khâu thứ n nối khớp thứ n với khớp thứ n+1. 13 Mô hình hóa khâu khớp robot Để mô hình hóa robot với sự biểu diễn D-H, việc đầu tiên cần làm là gắn hệ trục tham chiếu lên mỗi và mọi khớp xoay. Tất cả mọi khớp được biễu diển theo trục Z. Nếu khớp là khớp quay, trục Z sẽ được định hướng theo hướng dịch chuyển tạo ra sự quay theo quy tắc bàn tay phải.
Nếu khớp là khớp tịnh tiến, trục Z của khớp dọc theo hướng di chuyển. Nếu gọi a biểu diễn khoảng cách đường vuông góc chung giữa trục zn −1 và z n thì hướng 11 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT của trục xn sẽ dọc theo hướng của đoạn a. Hướng của trục y được xác định theo tam diện thuận mà hệ trục tham chiếu có được. Từ đó có bảng thông số D-H.
1 Bảng thông số DH i a d 1 2 3 … n Trong đó: a là khoảng cách giữa z và z so với x n −1 n n −1 là góc giữa z và z so với x n −1 n n −1 d là khoảng cách giữa xn −1 và xn so với z n là góc giữa xn −1 và xn so với z n Ma trận chuyển vị từ hệ i đến hệ i+1 được thể hiện ở công thức (1.1), với các thông số được xác định trong bảng D-H [2],[3],[4]: cos i − sin i 0 ai −1 sin cos cos i cos i −1 − sin i −1 − sin i −1di i −1 i T = i i −1 (1.1) sin i sin i −1 cosi sin i −1 cos i −1 cos i −1di 0 0 0 1 Ma trận chuyển vị của hệ từ hệ 0 đến hệ i được tính bằng cách nhân các ma trận chuyển vị ở từng khâu lại với nhau như công thức (1.2) Kết quả của quá trình này thu được ma trận có dạng như công thức (1.3) như sau: nx ox ax px n oy ay p y R3 x 3 P3 x1 0 iT = y = pz 0 1 (1.3) nz oz az 0 0 0 1 12 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Trong đó R3 x 3 là ma trận biểu diễn hướng và P3 x1 là ma trận biểu diễn vị trí của điểm đầu cuối so với tọa độ gốc.2 Động học nghịch cánh tay robot: Bài toán động học nghịch là bài toán ngược lại của động học thuận. Sự phức tạp của bài toán động học nghịch sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của robot đó. Ví dụ việc tìm lời giải động học nghịch của robot 3 bậc tự do sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với robot 6 bậc tự do. Nghĩa là robot càng có số bậc tự do cao thì việc tính toán sẽ càng phức tạp.
14 Cấu trúc động học nghịch Để tìm được đáp số người thiết kế robot sử dụng một số phương pháp: - Phương pháp đại số: Ưu điểm: Tìm đầy đủ các nghiệm nên không bị sót nghiệm. Nhược điểm: Nếu robot quá phức tạp việc tính toán hệ phương trình nhiều ẩn sẽ rất khó khăn. - Phương pháp hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu. Nhược điểm: Dễ bị sót nghiệm - Phương pháp kết hợp đại số và hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu.
Nhược điểm: Đòi hỏi cần có kiến thức chắc giữa đại số và hình học.5 Quy hoạch quỹ đạo: Quy hoạch quỹ đạo là tạo các tín hiệu vào tham chiếu cho bộ điều khiển robot để robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Quỹ đạo điểm điểm là quỹ đạo đi qua hai điểm 13 Luan van CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT định trước trong thời gian xác định, quỹ đạo đường là quỹ đạo đi qua nhiều điểm theo một đường liên tục xác định trước [1],[2]. Đề tài này sử dụng đa thức bậc ba tạo quỹ đạo cho robot.