MỤC LỤC

Mục Nội dung Trang

Trang phụ bìa luận án 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 9

Danh mục các bảng biểu 11

Danh mục các hình vẽ đồ thị 12

MỞ ĐẦU 15

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 19

1.1.1 Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp 19

1.1.2 Tổng quan về cổ tay cầu truyền động song song dư 25

1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 28

1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số 29

1.2 Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành 31

1.2.1 Động học 31

1.2.1.1 Bài toán giải tích động học 32

1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học 32

1.2.2 Tĩnh học 32

1.2.3 Động lực học 33

1.2.3.1 Giải tích động lực học 33

1.2.3.2 Tổng hợp động lực học 34

1.3 Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ34thống

1.4 Hướng nghiên cứu của đề tài 37

1.5 Kết luận chương 1 38

CHƯƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

2.1 Chất lượng quá trình làm việc của robot công nghiệp 40

2.2 Dữ liệu của bài toán động học ngược robot 41

2.2.1 Dữ liệu động học và vị trí của bài toán ngược trong điều khiển 41

2.2.2 Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học 42

2.3 Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 43

2.3.1 Một số vấn đề cơ bản về động học robot 43

2.3.2 Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực 45

2.4 Quan hệ giữa bài toán động học và bài toán tối ưu 46

2.4.1 Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán 46

2.4.2 Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ưu 49

2.4.3 Bài toán di chuyển tối thiểu 50

2.5 Tự động hoá xác định các biến trong điều khiển động học robot 51

2.5.1 Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ưu 51

2.5.2 Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính 52

2.6 Bài toán quy hoạch phi tuyến với ràng buộc dạng chuẩn 53

2.6.1 Bài toán quy hoạch phi tuyến và nghiệm tối ưu của nó 53

2.6.2 Các phương pháp triển vọng với dạng hàm mục tiêu Banana 54

2.6.2.1 Phương pháp cầu phương tuần tự (SQP) 54

2.6.2.2 Phương pháp Giảm Gradient tổng quát (GRG) 55

2.6.2.3 Phương pháp di truyền (GA) 56

2.6.3 Môi trường lập trình và lựa chọn hàm chức năng 57

2.6.3.1 Nhận định chung 57

2.6.3.2 Kết quả bài toán mẫu 58

2.6.3.3 Kết quả chạy chương trình 59

2.6.3.4 Lựa chọn phương pháp tối ưu 60

2.7 Giải bài toán ngược với công cụ Solver của MS – OFFICE 61

2.7.1 Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp 61

2.7.2 Minh hoạ các thao tác chính với công cụ Solver 65

2.8 Kết luận chương 2 68

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÁY TÍNH GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC

VÀ XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA BIẾN KHỚP

3.1 Các chỉ tiêu đánh giá 70

3.1.1 Tính vạn năng 70

3.1.2 Tốc độ hình thành lời giải 70

3.1.3 Tính chính xác 70

3.1.4 Tính thực dụng, khả năng lồng ghép các yêu cầu riêng 71

3.2 So sánh kết quả với phương pháp khác 72

3.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng (Toàn khớp quay) 72

3.2.2 Robot Adept-One (Bốn bậc tự do, q3 tịnh tiến) 75

3.2.3 Robot Scorbot (Năm bậc tự do toàn khớp quay) 77

3.2.4 Robot Stanford (Sáu bậc tự do, q3 tịnh tiến) 79

3.2.5 Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 82

3.2.6 Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 85

3.2.7 Robot Fanuc (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 88

3.3 Xây dựng các đặc tính động học của khớp

3.3.1 Mô tả bài toán

3.3.2 Xây dựng các ma trận Pi

3.3.3 Tính toán chiều dài đường hàn, thời gian hàn

3.3.4 Hệ phương trình động học thuận robot VR-006CII

3.3.5 Giải bài toán ngược tại các điểm chốt

3.3.6 Xây dựng đặc tính chuyển động trong không gian khớp

3.3.6.1 Biến khớp q6

3.3.6.2 Biến khớp q5

3.3.6.3 Biến khớp q4

3.3.6.4 Biến khớp q3

3.3.6.5 Biến khớp q2

3.3.6.6 Biến khớp q1

3.4 Mô phỏng robot 90

3.5 Phần mềm điều khiển Robot thí nghiệm 92

3.5.1 Mô tả cấu trúc thí nghiệm 92

3.5.2 Chương trình máy tính 92

3.6 Kết luận chương 3 93

CHƯƠNG 4 - TỔNG HỢP ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CỔ TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO

4.1 Các cơ cấu cổ tay cầu dùng truyền động bánh răng nón điểnình

4.1.1 Các cơ cấu điển hình 125

4.1.2 Phân loại theo số khâu hợp thành 125

4.1.2.1 Cổ tay bảy khâu 126

4.1.2.2 Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 126

4.1.2.3 Các cổ tay tám khâu 126

4.1.2.4 Cổ tay chín khâu 126

4.2 Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai 127

4.2.1 Phương trình mạch cơ sở 127

4.2.2 Điều kiện đồng trục 128

4.3 Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do 128

4.3.1 Giới thiệu về cổ tay robot cầu có phần đóng mạch 128

4.3.2 Đề xuất cấu trúc phần chấp hành 129

4.3.3 Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch 130

4.3.3.1 Điều kiện hoạt động của mạch vòng kín 130

4.3.3.2 Tính chất lát cắt 131

4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu 133

4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch 135

4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả 137

4.4 Kết luận chương 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội dung của đề tài luận án)

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

CÁC PHỤ LỤC CỦA LUẬN ÁN

Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết kế của Robot thí nghiệm

Phụ lục 2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot

Phụ lục 3: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển động cơ bước

Phụ lục 4: Chương trình mô phỏng robot AutoLisp

Phụ lục 5: Mã nguồn chương trình điều khiển robot thí nghiệm

Phụ lục 6: Mã nguồn chương trình mô phỏng động học robot

Phụ lục 7: Phương trình đặc tính chuyển động của các biến khớp

Phụ lục 8: Khai triển sơ đồ cổ tay cầu truyền động song song

MỞ ĐẦU

Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm. Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học. Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần. Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh. Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người.

Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940 có những robot thực sự đầu tiên. Đến những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ. Những năm gần đây các thành tựu về cơ- tin-điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật.

1-Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ, những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống. Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người ra khỏi những lao động nặng nhọc. Do đó, có thể thấy con người mong đợi sự xuất hiện của những robot hoàn hảo đến thế nào.

Mặc dù robot và robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song bản thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn. Bên cạnh đó động học, động lực học robot vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích. Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc, chưa được hiểu biết đầy đủ. Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học

và động lực học.

Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được khai thác đúng mức ở Việt Nam. Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước, khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này. Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể.

Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực…trên các robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị. Trong khi đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh theo ý đồ. Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu. Chẳng hạn vì lí do giá thành, nhà sản xuất chỉ trang bị bộ nội suy cung tròn và bộ nội suy đường thẳng cho robot hàn. Việc gia công các đường cong ghềnh không gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của hệ điều khiển được trang bị.

Các thông số động học, động lực học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng chưa thực sự chú trọng đến tính thực dụng trong điều khiển thời gian thực. Trong đó các thông số động học, chủ yếu nhận được thông qua giải hệ phương trình ràng buộc, chưa kể đến giới hạn cơ học của các khớp. Do vậy việc chọn nghiệm điều khiển từ nghiệm toán học thường làm kéo dài thời gian vô ích.

Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu giải quyết vấn đề:

“Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robotcông nghiệp”

2-Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về các đặc tính làm việc của robot công nghiệp. Cũng như phương pháp xây dựng những đặc tính này, chuẩn bị cho lập trình điều khiển.

Đánh giá tính hiệu quả các phương pháp đó trên một số phương diện như thời gianthực hiện, độ chính xác của dữ liệu và khả năng ứng dụng máy tính của từng phương pháp.

Trọng tâm của đề tài là xây dựng một thuật toán mới giải bài toán động học ngược của tất cả các robot dạng chuỗi động học hở không giới hạn về số bậc tự do. Thuật toán áp dụng với các cấu trúc robot khác nhau theo một trình tự chung và có thời gian thực hiện ngắn hơn, dễ sử dụng hơn so với các phương pháp hiện nay.

Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Thực hiện các phép thử cần thiết trên các đối tượng khác nhau để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật.

3-Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, có cấu trúc chuỗi động học hở. Chủ yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động học ngược, xác định các thông số tọa độ suy rộng phục vụ điều khiển chuyển động.

Các thông số động học được xác định qua mô hình toán, việc xác định các thông số này bằng con đường lí thuyết, sau đó kiểm chứng lại kết quả với cách làm truyền thống, kết quả mô phỏng, sẽ đảm bảo tính khách quan của vấn đề.

4-Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

+ Đánh giá được tính hiệu quả về thời gian, tính vạn năng, độ chính xác của các phương pháp truyền thống giải bài toán động học ngược robot.

+ Đề xuất một phương pháp giải bài toán ngược mới có tính tổng quát cao, có khả năng áp dụng cho tất cả các robot có cấu trúc chuỗi động học hở. Có thời gian chạy ngắn, đáp ứng được yêu cầu điều khiển thời gian thực.

+ Sử dụng máy tính giải bài toán động học ngược, làm cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Xây dựng được các đặc tính làm việc của biến khớp, gồm đặc tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc.

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng, nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của cấu trúc chấp hành. Từ bài toán này có thể nghiên cứu về việc giữ ổn định cho cấu trúc thông qua hạ thấp trọng tâm cơ cấu,

tránh va đập, dịch chuyển tối thiểu, xác định vùng làm việc…

-Ý nghĩa thực tiễn:

+ Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về robot hoặc ứng dụng vào quá trình chuẩn bị sản xuất trong thực tế.

+ Rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu, do việc xác định nghiệm toán học và chọn nghiệm điều khiển được nhập vào bài toán tối ưu.

+ Thuật toán mới dễ sử dụng hơn so với các thuật toán truyền thống nên việc tiếp

cận với lĩnh vực này của robot sẽ dễ dàng hơn với tất cả mọi người.

5-Cấu trúc luận án

Nội dung luận án được chia thành 4 chương, cuối luận án là kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:

Phần mở đầu.

Chương 1: Tổng quan về các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành trên robotcông nghiệp.

Chương 2: Giải bài toán động học ngược trong điều khiển robot.

Chương 3: Ứng dụng máy tính giải bài toán ngược và xây dựng các đặc tính độnghọc của biến khớp.

Chương 4: Tổng hợp động học cơ cấu cổ tay robot ba bậc tự do.

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

Danh mục các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án.

Tài liệu tham khảo.

Phần phụ lục của luận án.