A.
PHẦN MỞ ĐẦU
TRANG 1A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên
gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962
và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart
vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên
cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường số chân
bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot
có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song
thường có khả năng chịu tải lớn.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều
lĩnh vực:
- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
- Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ.
- Ngành Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
- Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt
- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi
tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính
xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp
- Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển
tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên
thuyền và treo trên trần, tường
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn
so với máy CNC có tính năng tương đương.
Nhược điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh
với các Robot chuỗi như:
A.
PHẦN MỞ ĐẦU
TRANG 3- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
- Bài toán điều khiển vị trí và tốc độ khá phức tạp.
Parallel Robot là chuỗi nhiều khâu khép kín cho nên nó hết sức đa dạng và
điều khiển rất phức tạp, để thực hiện một tác động điều khiển cho khâu động học
cuối, các khâu động học phải được điều khiển đồng thời. Đây là một đòi hỏi khó
khăn cho việc điều khiển Parallel Robot.
Để điều khiển Parallel Robot (PR- robot song song) hoạt động nhanh nhẹ và
chính xác thì không chỉ dựa vào bài toán động học thuận hay động học ngược, mà
phải dựa trên bài toán động lực học của robot để từ đó ta có thể xác định từng thời
điểm vận tốc của các khâu, các khớp là bao nhiêu là phù hợp nhất. Từ đó ta sẽ lựa
• Loại bỏ được các thành phần phi tuyến và liên kết chéo trong robot.
• Dựa đoán trước được kết quả.
• Người điều khiển không cần hiểu rõ hoạt động của robot và kết cấu cơ
khí.
Nhược điểm:
• Các tham số phi tuyến thường không được ước lượng chính xác.
• Quá trình tính toán phức tạp đòi hỏi thời gian thực.
Từ những ưu nhược điểm của hai phương pháp trên, để điều khiển robot
song song hoạt động tốt hơn khắc phục được nhược điểm và phát huy được ưu điểm
của phương pháp logic mờ và mạng nơ ron, em chọn đề tài nghiên cứu là “Nhận
dạng và điều khiển robot song song Delta bằng hệ suy luận mờ dựa trên mạng
thích nghi”.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
o Tính toán bài toán động học thuận và nghịch của Delta robot.
o Tính toán bài toán động lực học của Delta robot.
o Kiểm tra động lực học của Delta robot là bài toán phi tuyến.
o Điều khiển vận tốc và vị trí của Delta robot bằng phương pháp điều nơ
ron- mờ.
o So sánh và đánh giá kết quả phương pháp điều khiển mạng nơ ron – mờ
với các phương pháp điều khiển kinh điển (PID) và các pháp điều khiển
hiện đại khác (Logic mờ, mạng thần kinh noron).
3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
o Nghiên cứu nhận dạng và điều khiển robot song song Delta ba bậc tự do.
A.
PHẦN MỞ ĐẦU
TRANG 5
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ
ĐIỀU KHIỂN
1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG
1.1.1. Cấu trúc cơ cấu
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc
vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động,
từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn
trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động
học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác
nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động
lực học.
1.1.2. Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song
Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.
Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên cứu
các cơ cấu, Robot được dễ dàng và đơn giản hơn. Tuy nhiên, với các cơ cấu tốc độ
cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể
và chúng ta phải xét đến.
Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu.
Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu. Bề
mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp. Hai thành phần
khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp
cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc.
- Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt.
- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 7
thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự do.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 8Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các khớp
thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao.
Chuỗi động: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. Robot
nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín. Chuỗi
động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định. Trong cơ cấu có
thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trước.
Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác sẽ
phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển
động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác.
Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực
và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng hoặc
dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu. Để cơ cấu
này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hóa
và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát,
phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù
máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy, do không
thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động.
1.1.3. Bậc tự do của Robot cấu trúc song song
Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn vào
A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động
tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động
tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối .
Các khả năng chuyển động độc lập là :
- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz.
chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối với cơ cấu không
gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu .
Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu hoạt
đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 10của cơ cấu là n khớp vói một khớp cố định sẽ bằng λ(n 1). Tuy nhiên tổng các rằng
buộc của các khớp bằng
Do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:
f = λ(n 1)
(1.1) (1.1)
số ràng buộc của một khâu và sô bậc tự do của khâu đó , bằng thông số chuyển
động λ do đó .
λ = +
(1.2)
do tổng các ràng buộc của các khâu là :
= j*λ -
(1.3)
Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1)
f = λ(n – j – 1 ) (1.4)
phương trình (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach.
theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc tại các
khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay co
trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu bậc tự do này gọi
là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục được xác định
từ 2 khớp đó. Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc mô men và chuyển
Hình 1.2 Cơ cấu không gian Stewart – Gough
(Nguồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)
Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động được nối với đế cố định bởi
sáu chân trượt thông qua các khớp cầu. mỗi chân được tạo thành từ hai khâu và được
nối với nhau bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này gọi là cấu trúc S P – S . Do sựu phối
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 12hợp S P – S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa từ hình vẽ ta có: λ = 6,n =14 , j
i
=6, j
3
= 12, f
p
=6 số bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trinh (1.5):
f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6
sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá trị λ
. cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấu được
xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này. Đặc biệt λ =
3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. với cơ cấu không gian thì λ = 6.
Nói chung tiêu chuẩn Grubler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do. Nếu f = 0 cơ
cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định. Nếu f <0 cơ cấu sẽ
có số ràng buộc thừa. Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn
Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính linh động
cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớp phát
khâu tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó .
(bài toán động học ngược).
1.1.4.2. Động lực học
Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực,
trọng tải và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot vẫn là vấn đề
rất phức tạp và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu.
1.1.5. Phân loại robot
Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc
động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc tính
chuyển động…
1.1.5.1. Phân loại theo số bậc tự do
Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tưởng,
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không
gian ba chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot dư có hơn 6
bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do. Robot dư có thêm một bậc tự do để
di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các không gian hẹp. Mặt
khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp các chi tiết trên mặt
phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 14
Hình 1.3 Robot Fanuc 4 bậc tự do
Hình 1.4 a. Tay máy REVOLUTE Hình 1.4 b. Tay máy POLAR
Hình 1.5.a Tay máy CYLINDRICAL Hình 1.5.b Tay máy CARTERSIAL
hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng. Do đó,
chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động
cơ được lắp ở đế. Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở đế để truyền động
khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để
truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 16qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp
hành kiểu đó được gọi là vòng kín.
*Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:
Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không
gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về
không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian
trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai
là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới
từng điểm theo mọi chiều có thể. Không gian linh hoạt là một phần của không gian
có thể với tới.
Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối
tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại. Do đó ba khâu này
được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển
hướng của đầu tác động. Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu
còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6,
cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thường
được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được gọi là tâm cổ tay.
Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác
nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất robot
Thiết kế của robot Delta:
Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành. Các
hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 18vào. Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy
trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với
các cánh tay quay bằng các khớp quay. Các khớp quay của tay quay được truyền
động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng
các bộ tác động tuyến tính. Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để chuyển truyền
chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển.
Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ cho
phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm và 12
G trong các ứng dụng công nghiệp. Chính điều này làm cho robot Delta trở thành
một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối tượng nhẹ
(từ 10 gr đến 1 kg). Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờ tròn,
nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng làm việc hình trụ với
đường kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m.
Hình 1.8 Robot Delta
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)
Demaurex cũng cấp giấy phép cho một công ty Nhật Bản có tên là Hitachi Seiki
được quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (sản phẩm có tên
là DELTA) và khoan (PA35). Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện của
Demaurex tại Nhật Bản.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
Hình 1.10 C33 và CE33
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)
1.2 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG
1.2.1 Fuzzy logic điều khiển robot song song 3 bậc tự do (Nguồn: Fuzzy
Control of a 3 Degree of Freedom Parallel Robot):
Fuzzy logic (FZ- logic mờ) là kỹ thuật điều khiển hiện đại, nó thích hợp cho
các đối tượng điều khiển không xác định được các phương trình toán học hoặc
phương trình trạng thái đối với các hệ thống điều khiển phức tạp ví dụ như: nhiều
thông số hệ thống thay đổi theo thời gian, không tìm được các thông số của mô hình
hoặc hệ thống có độ phi tuyến cao. Để thiết kế được một hệ điều khiển mờ thì người
điều khiển cần quan tâm: luật điều khiển, kết cấu cơ khí của đối tượng, tập mờ, tập
giải mờ, dữ liệu ngõ vào và ngõ ra. Hình 1.12 thể hiện mô hình điều khiển robot
Isoglide3 bằng hệ logic mờ.
Hình 1.11 Mô hình robot song song Isoglide3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 21
Hình 1.12 Mô hình điều khiển robot song song Isoglide3 bằng Fuzzy logic
1
q
2
q
3
e
1
e
2
e
3
y
u
1
u
2
u
3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 22
a. Quỹ đạo chuyển động của robot b. Mô phỏng chuyển động 3D của robot
Hình 1.15 Mô phỏng chuyển động của robot song song Isoglide3
1.2.2 PID mờ điều khiển tay máy song song Stewart 6 bậc tự do (Nguồn:
Fuzzy Logic Tuned PID Controller for Stewart Platform Manipulator):
Robot song song Stewart 6 bậc tự do có độ cứng vững cao và hoạt động
Fuzzy
logic
q
id
e
i
q
i
C
d/dt
Hồi tiếp từ
các chân khác
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 241.2.3 Điều khiển tay máy song song 3-PRS bằng mạng nơ ron (Nguồn: A 3-
PRS Parallel Manipulator Control Based on Neural Network):
Mạng nơ ron thích hợp để giải quyết bài toán động học thuận của robot 3-
PRS với các biến khớp phức tạp và phi tuyến. Hình 1.21 Mô hình điều khiển tay
máy song song 3-PRS bằng mạng nơ ron.
Hình 1.20 Mô hình của tay máy song song 3-PRS
Ẋ
d
(t)
Ẋ(t)
ḋ d
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
TRANG 25
Hình 1.22 Cấu trúc của các lớp trong mạng nơ ron (sử dụng từ 9-11 lớp ẩn trong
mô hình huấn luyện).
Hình 1.23 Sai số của việc huấn luyện
Hình 1.24 Kết quả chuyển động của tay máy 3-PRS
Copyright: Tài liệu đại học ©