CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong nước ta ở các nhà máy, chỉ có các nghiên cứu thiết kế và vận hành cánh tay robot công nghiệp truyền thống. Ngoài ra còn có loại robot chạy bằng cáp, nhưng loại này chỉ được áp dụng trên robot song song [7]. Việc thiết kế và vận hành robot cáp nối tiếp hiện nay vẫn đang được các thầy, cô và sinh viên nghiên cứu, có thể kể đến như đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công mô hình robot 7 bậc tự do sử dụng cơ cấu truyền động cáp” do thầy Đặng Xuân Ba và 2 sinh viên trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thực hiện.
Kết quả của đề tài đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm, robot 7 bậc tự do có thiết kế đẹp, sử dụng cơ cấu lò xo để căng cáp và giải động học nghịch bằng phương pháp đại số. Nhưng hệ thống vẫn sử dụng điều khiển tập trung, điều này làm tăng gánh nặng của vi xử lí trung tâm và khó khăn khi sửa chữa hư hỏng, ngoài ra mô hình sử dụng encoder DC đặt ở khớp, điều này giảm hiệu quả vận hành khi robot hoạt động trong không gian từ trường lớn. Nhưng nhìn chung lĩnh vực robot đa bậc vẫn chưa được chú trọng và ứng dụng mặc dù có rất nhiều điểm mạnh vượt trội của robot cáp so với robot công nghiệp truyền thống. Việc nghiên cứu và xây dựng mô hình robot cáp nối tiếp là một lĩnh vực khá mới mẻ ở Việt Nam.
Từ những lý do trên nên nhóm đã thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình và bộ điều khiển chuyển động cho hệ robot truyền động cáp 6 bậc tự do dựa trên mạng CAN”.2 Mục tiêu đề tài: 1.1 Mục đích đề tài: Tạo ra một cấu hình robot mới. Nghiên cứu thêm phương pháp giải động học nghịch cho cấu trúc robot đa bậc. Điều khiển robot bằng mạng CAN Bus.2 Mục tiêu đề tài: Đề tài cơ bản sẽ nghiên cứu giải quyết các vấn đề cụ thể như sau: • Thiết kế mô hình robot truyền động cáp 6 bậc tự do. • Tính toán động học thuận, động học nghịch theo phương pháp đại số.
• Kết hợp giữa phương pháp “Cyclic Coordiante Decent (CCD)” và phương pháp đại số để tính toán động học nghịch và giải quyết điều khiển hướng. • Mô phỏng giải thuật với quỹ đạo vị trí và quỹ đạo hướng • Chế tạo mô hình thực nghiệm robot truyền động cáp 6 bậc tự do. • Xây dựng thuật toán điều khiển tạo khả năng linh hoạt cho robot. • Nghiên cứu và cấu hình mạng CAN áp dụng cho robot.
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3 CHƯƠNG 1.3 Phương pháp nghiên cứu: • Phân tích dữ liệu. • Phân tích toán học (dựa vào các công thức toán và phần mềm hỗ trợ) • Phân tích mô phỏng : sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng robot và giám sát tín hiệu ngõ ra, sai số và tín hiệu điều khiển • Phân tích thí nghiệm : Sử dụng mô hình thực nghiệm để đánh giá với dữ liệu từ mô phỏng • Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của phương pháp : Độ chính xác và độ ổn định của robot.4 Giới hạn đề tài: • Đề tài chỉ giải quyết các vấn đề liên quan đến động học của robot. • Thuật toán sử dụng không giải quyết được việc tránh vật cản nên hệ thống chỉ hoạt động tốt trong môi trường lý tưởng, không có vật cản. • Mô hình robot sử dụng vật liệu in 3D • Do giới hạn về mặt cấu trúc phần cứng nên thuật toán chỉ có thể điều khiển được vị trí và 2 hướng của robot.5 Giới thiệu nội dung: • Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 1 sẽ trình về đặt vấn đề của đề tài, mục tiêu đề tài, các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài, giới thiệu nội dung đề tài.
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày tổng quan về robot, lý thuyết động học thuận và động nghịch robot, quy hoạch quỹ đạo cho robot theo không gian làm việc, lí thuyết về giải thuật Cylic Coordinate Descent, lý thuyết về điều khiển phân tán, lý thuyết mạng CAN Bus. • Chương 3: Thiết kế mô hình và tủ điều khiển Chương 3 trình bày về phần cứng của hệ thống bao gồm mô hình và tủ điều khiển. Thiết kế mô hình trên phần mềm solidworks, bao gồm thiết kế đế robot, thiết kế các khâu và khớp. Thiết kế tủ điện, chọn lựa các thiết bị điện nặng và điện nhẹ.
• Chương 4: Bài toán động học robot Chương 4 trình bày về phân tích động học thuận và động học nghịch cho robot truyền động cáp 6 bậc tự do. Động học thuận bao gồm đặt trục và vẽ không gian làm việc của robot. Nêu lên khó khăn khi phân tích động học nghịch theo hướng đại số. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 4 CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN • Chương 5: Áp dụng giải thuật Cylic Coordinate Descent kết hợp đại số Sau khi phân tích sự khó khăn khi giải động học nghịch bằng phương pháp đại số, chương 5 sẽ trình bày áp dụng giải thuật Cylic Coordinate Descent để giải động học nghịch. Đồng thời giải thuật sẽ kết hợp với phương pháp đại số để giải quyết vấn đề hướng cơ cấu chấp hành cuối của robot • Chương 6: Mô phỏng và đánh giá Ở chương 6, các kết quả mô phỏng động học được trình bày. Sau khi thiết kế mô hình trên phần mềm solidwork, kết hợp công cụ Simscape và Simulink để mô phỏng và đánh giá giải thuật Cylic Coordinate Descent kết hợp đại số để giải động học nghịch. • Chương 7: Phương pháp điều khiển Chương 7 sẽ trình bày các phương pháp điều khiển hệ thống.
Thiết lập các thông số của mạng CAN, cách điều khiển AC Servo. Tạo giao diện giám sát để thu thập dữ liệu theo thời gian thực • Chương 8: Thi công, thực nghiệm và đánh giá Chương 8 sẽ trình bày thực nghiệm hệ thống. Chạy các quỹ đạo đã mô phỏng trên matlab simulink. Đánh giá mạng CAN Bus.
• Chương 9: Kết luận và hướng phát triển BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này sẽ trình bày tổng quan về robot, động học thuận và động học nghịch robot, quy hoạch quỹ đạo cho robot, lý thuyết điều khiển phân tán và lí thuyết mạng CAN, lý thuyết giải thuật Cyclic Coordinate Descent.1 Tổng quan robot: Robot là những cỗ máy tự động, mô phỏng toàn bộ hoặc một phần hoạt động của con người. Robot sinh ra để thay thế con người thực hiện các công việc phức tạp, nguy hiểm.
Robot được lập trình bởi một máy tính có khả năng thực hiện một loạt các hoạt động phức tạp dưới sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình sẵn. Cơ chế hoạt động dựa trên những liên kết của bộ điều khiển và khớp nối chuyển động. Hầu hết các khớp robot hoạt động thông qua động cơ điện, dạng chuyển động là dạng chuyển động quay, thích hợp sử dụng trong hệ thống tải nhẹ. Robot có ưu điểm là đáp ứng được những công việc đòi hỏi sự lặp lại, tốc độ làm việc và chính xác cao, độ bền lớn.
Chúng thường được sử dụng trong các công việc lắp ráp, sản xuất, sữa chữa, làm việc trong các môi trường khắc nghiệt, độc hại, nguy hiểm.2 Động học robot: 2.1 Động học thuận: Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy. Ngoài ra động học thuận còn được sử dụng để xác định không gian làm việc của robot. Tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởi một số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp. Một đầu của chuỗi nối với giá (Base), còn đầu kia nối với phần công tác (End effector).
Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước nó một cặp khâu-khớp - Hình 2. Mỗi cặp khâu khớp được đặc trưng bởi hai loại thông số: • Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình làm việc của tay máy được gọi là tham số. • Các thông số thay đổi khi tay máy làm việc được gọi là các biến khớp. Để biểu diễn sự thay đổi giữa hệ tọa độ của các khớp liền kề (cách gọi khác là giữa hệ tọa độ thứ i và hệ tọa độ thứ i-1), ta sẽ thực hiện một phép biến đổi đồng nhất.
Theo quy tắt Denavit-Hartenberg cho phép tổ hợp các ma trận chuyển vị riêng lẻ thành một ma trận chuyển vị thuần nhất. Sự biến đổi này cũng là một hàm chỉ có duy nhất một nghiệm, ba thông số còn lại là cố định với thiết kế cơ khí. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Các thông số trong hệ trục giữa Z i −1 và Z i (một cặp khâu-khớp) Trong đó: i−1 : Góc quay từ Z i−1 đến Z i nhìn từ X i−1 ai−1 : Khoảng cách từ Z i−1 đến Z i dọc theo X i−1 i : Góc quay từ X i −1 đến X i nhìn từ Z i d i :Khoảng cách từ X i −1 đến X i dọc theo Z i Dịch chuyển từ hệ tọa độ Z i −1 đến hệ tọa độ Z i gồm các bước: • Bước 1: Quay quanh trục xi−1 một góc i −1 • Bước 2: Tịnh tiến dọc trục X i−1 một khoảng ai−1 • Bước 3: Quay trục Z i một góc i • Bước 4: Tịnh tiến trục Z i một khoảng d i Dịch chuyển từ hệ tọa độ Z i −1 đến hệ tọa độ Z i viết dưới dạng ma trận: BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 7 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 0 0 0 1 0 0 ai−1 ci − si 0 0 1 0 0 0 0 c − s i−1 0 0 1 0 0 si ci 0 0 0 1 0 0 i −1 T = i −1 i 0 s i−1 c i−1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 di 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 (2.1) Trong đó: ci là viết tắt của cos( i ) , si là viết tắt của sin( i ) , s i là viết tắt của sin( i ) , c i là viết tắt của cos ( i ) Từ (2.1), suy ra được ma trận tổng quát từ hệ i đến hệ i+1: ci − si 0 ai −1 s c ci c i −1 − s i −1 − sai −1di i −1 T = i i −1 (2.