Tài liệu Nghiên cứu, mô phỏng sự tương tác của robot với môi trường làm việc thông qua một mẫu robot tự thiết kế, chế tạo và tích hợp.

  • Số trang: 24 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 83 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15893 tài liệu

Mô tả:

1 Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước Ngoài nước: Khoa học Robot đã phát triển trên toàn thế giới với một số lượng lớn các chuyên gia làm việc ở nhiều lĩnh vực. Sự phân chia lớn đầu tiên là giữa những chuyên gia làm việc với các tay máy và các chuyên gia làm việc với hệ thống vision. Trước đó, các hệ thống vision hình như được đánh giá có nhiều hứa hẹn hơn các phương pháp khác để giúp Robot cảm nhận về môi trường của nó. Vision rất hữu dụng cho việc định hướng tìm đường, xác định vị trí đối tượng và tự xác định vị trí và hướng tương đối của Robot trong môi trường, tạo điều kiện cho Robot có khả năng tương tác với môi trường như là: tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị, ... Tuy nhiên điều này thường không đủ đối với các ứng dụng lắp ráp chi tiết hoặc khi Robot làm việc có các lực liên kết của môi trường. Do đó cần phải đo lực và mômen phát sinh do môi trường lên Robot và sau đó sử dụng những kết quả đo đạc này để điểu khiển ứng xử của Robot. Trong công nghiệp, việc sử dụng điều khiển lực cho Robot luôn tụt hậu so với các nghiên cứu phát triển trong lĩnh vực này. Sự thật là trong lúc điều khiển lực mức cao rất hữu dụng cho các vấn đề của tay máy thao tác nói chung, các vấn đề đặc biệt trong môi trường công nghiệp rất bị hạn chế, vì vậy điều khiển lực thường chỉ được quan tâm có giới hạn, hoặc không có điều khiển lực. Trong nhiều thập niên gần đây, nghiên cứu về Robot học đã và đang được mở rộng từ một lĩnh vực trung tâm trong nghiên cứu các thiết bị Cơ điện tử trở thành một lĩnh vực liên ngành rộng lớn hơn nhiều. Dẫn chứng như khoa học Robot dạng người cần giải quyết sự tương tác giữa con người và các máy thông minh đang phát triển mạnh. Các khái niệm như cảm xúc giữa Robot và con người đang được quan tâm nghiên cứu kết hợp cùng với các lĩnh vực trước đó như sinh lý học con người, sinh vật học con người để tạo thành một xu thế trong nghiên cứu Robot. Trong nước: Tại Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng Robot đã và đang được quan tâm tuy nhiên còn rất hạn chế. Nhiều cơ sở nghiên cứu như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin... đã nghiên cứu, chế tạo được một số Robot mẫu và đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp. Robot công nghiệp đã được nghiên cứu nhưng nhìn chung mới chỉ dừng ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động lực học cho Robot phục vụ điều khiển chuyển động mà chưa tự chủ động được quá trình thiết kế và chế tạo Robot đáp ứng yêu cầu cụ thể. Các vấn đề mới đang được quan tâm trên thế giới nhằm nâng cao kỹ năng độc lực học và khả năng ứng xử thông minh giống con người cho Robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu ở Việt Nam như: vấn đề tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị của Robot, … và đặc biệt là vấn đề tương tác lực của Robot với môi trường trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động. 1.1.2 Ý nghĩa của việc phân tích sự tương tác giữa Robot với môi trường Môi trường là những yếu tố bên ngoài và có ảnh hưởng qua lại tới sự hoạt động của Robot. Sự ảnh hưởng qua lại này chính là sự tương tác của Robot với môi trường và tuỳ theo 1 đặc thù công việc của Robot mà sự tương tác này là ràng buộc về vị trí, vận tốc, gia tốc, ràng buộc về lực, ràng buộc về khoảng cách, ràng buộc về nhiệt độ, ràng buộc về áp suất, … Nghiên cứu về điều khiển lực cho Robot đã và đang phát triển từ 3 thập niên trước. Đây là một vấn đề được quan tâm rộng lớn bởi sự thôi thúc với mong muốn chung là cung cấp khả năng ứng xử và cảm nhận nâng cao giống con người cho hệ thống Robot. Các Robot sử dụng phản hồi lực, tiếp xúc, khoảng cách, hình ảnh được mong đợi có thể tự vận hành trong các môi trường có cấu trúc chưa xác định khác với các Robot công nghiệp truyền thống. Thực tiễn cho thấy rằng, chỉ sử dụng chiến lược điều khiển chuyển động để điều khiển sự tương tác của Robot với môi trường sẽ trở thành không đủ cho nhiều ứng dụng. Về xu thế, việc tìm kiếm giải quyết vấn đề điều khiển lực như là một bước tiến cách mạng của thời kỳ các vấn đề điều khiển chuyển động. 1.2 Mục đích của luận án  Nghiên cứu xây dựng phương pháp luận cho việc mô phỏng, phân tích lực tương tác của Robot với môi trường trong nhiều ứng dụng.  Xây dựng cơ sở khoa học cho thiết kế các chiến lược điều khiển lực tương tác của Robot với môi trường.  Ứng dụng các kết quả đạt được vào quá trình thiết kế, chế tạo và tích hợp, điều khiển Robot tay máy 6 bậc tự do phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu các vấn đề về Robot công nghiệp. 1.3 Nội dung nghiên cứu của luận án Nội dung báo cáo luận án được tổ chức theo 6 phần chính sau:  Phần tổng quan: Luận án trình bày về lịch sử phát triển Robot tay máy nói riêng và Robot nói chung bao gồm: những điểm nổi bật về các nghiên cứu lý thuyết liên quan tới động học, động lực học, điều khiển, cảm biến, …; về tình hình ứng dụng Robot trong công nghiệp, trong đời sống, …; về xu thế nghiên cứu và ứng dụng Robot trong tương lai (nâng cao các kỹ năng động học, động lực học, tự nhận dạng môi trường, tự đưa ra quyết định ứng xử trong các tình huống chưa biết trước, thân thiện và nhiều khả năng giống con người, …). Một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trên thế giới nhằm nâng cao kỹ năng động lực học của Robot tay máy và cũng là cơ sở về khoa học công nghệ để tạo ra những Robot thế hệ mới là nghiên cứu, phân tích sự tương tác của Robot với môi trường, bao gồm vấn đề về điểm kỳ dị và tránh điểm kỳ dị; vật cản và tránh vật cản và đặc biệt là vấn đề tương tác lực của Robot với môi trường trong không gian làm việc của Robot - đây là vấn đề trọng tâm mà luận án giải quyết. Luận án nêu ra ý nghĩa của việc phân tích lực tương tác giữa Robot với môi trường mang tính thực tiễn. Từ những nghiên cứu, phân tích tổng quan ở trên, luận án đã lựa chọn và đưa ra mục đích mà luận án sẽ giải quyết.  Phần cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot: Trước tiên để nhấn mạnh sự liên kết đa ngành trong Robot, luận án tóm lược lại các vấn đề liên quan cần giải quyết cho một hệ thống Robot (là một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử) như là: vấn đề Cấu trúc, vấn đề Hình học, vấn đề Động học, vấn đề Tĩnh học, vấn đề Động lực học, vấn đề Xây dựng quỹ đạo, Quá trình cảm biến, vấn đề Điều khiển, vấn đề Đánh giá khả năng 2 hoạt động của Robot, vấn đề Thiết kế, vấn đề Căn chỉnh. Tiếp theo, để phục vụ trực tiếp cho luận án, luận án trình bày chi tiết về cơ sở nghiên cứu, mô phỏng, điều khiển sự tương tác cho Robot tay máy bao gồm: Cơ sở động học của Robot, Phân tích Jacobian cho Robot tay máy và Cơ sở động lực học cho phân tích lực tương tác giữa Robot tay máy và môi trường (đây là phần lý thuyết trọng tâm của luận án, luận án đã bỏ nhiều thời gian cho nghiên cứu, tổng hợp và phân tích, tính toán để góp phần xây dựng thành cơ sở này). Với định hướng nghiên cứu, mô phỏng phục vụ điều khiển cho Robot, luận án đi sâu phân tích các chiến lược điều khiển lực tương tác của Robot và môi trường gồm có: phân tích giữa điều khiển chuyển động và điều khiển tương tác, chiến lược điều khiển lực tương tác bị động, chiến lược điều khiển lực tương tác chủ động, chiến lược điều khiển lai ghép lực/chuyển động, và đưa ra các dạng mô hình tương tác phục vụ việc xây dựng các mô hình về nhiệm vụ tương tác lực. Cuối cùng, để thực thi phần việc mô hình, mô phỏng, tính toán một đối tượng Robot cụ thể, luận án giới thiệu về bộ công cụ Matlab/Simulink mà luận án sử dụng để xây dựng mô hình, thuật toán Động học, Động lực học, Điều khiển, viết chương trình tính toán, mô phỏng, điều khiển phục vụ việc nghiên cứu, phân tích lực tương tác của Robot với môi trường.  Phần Robot tay máy 6 bậc tự do - eRobot: Luận án giới thiệu về cấu trúc, chức năng, đặc tính kỹ thuật một hệ thống Robot tay máy 6 bậc tự do – có tên gọi là eRobot (education Robot) là một sản phẩm khoa học công nghệ của Đề tài cấp Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của luận án đã đóng góp phần lớn vào việc xây dựng mô hình, tính toán động học, động lực học và mô phỏng điều khiển cũng như thiết kế chế tạo, tích hợp hệ thống eRobot. Những nội dung đóng góp của luận án cho hệ thống eRobot bao gồm: kết quả mô hình động học và các thuật giải động học thuận, động học ngược cho eRobot phục vụ mô phỏng và điều khiển chuyển động của eRobot; mô hình động lực học, các thuật toán động lực học cho tính toán mô phỏng lực tương tác giữa khâu thao tác của eRobot với môi trường trong nhiều trường hợp. Đây cũng là mục đích đặt ra ban đầu của luận án là nghiên cứu định hướng ứng dụng, đặc biệt đối với lĩnh vực Robot – Cơ điện tử.  Phần kết quả chính đạt được: Trình bày cụ thể hóa các kết quả đạt được bám sát mục tiêu mà luận án đặt ra là: nghiên cứu các chiến lược điều khiển lực tương tác, xây dựng và giải phương trình động lực học có ràng buộc của Robot với môi trường; các thuật toán viết bằng ngôn ngữ Matlab (dạng m file) về động học (tính toán động học thuận, tính toán động học ngược bằng phương pháp giải tích, tính toán động học ngược bằng phương pháp số), động lực học có tương tác của Robot với môi trường, xây dựng quỹ đạo, tìm kiếm và tránh điểm kỳ dị, tránh vật cản cho Robot; xây dựng và viết chương trình giao diện tính toán, phân tích, điều khiển chuyển động, mô phỏng lực tương tác của eRobot với môi trường trong nhiều trường hợp viết bằng GUI (Graphic Users Interface) của Matlab. Các kết quả thiết kế cơ khí, điều khiển và tích hợp eRobot cũng là sản phẩm của luận án và được thể hiện trong phần 3-Robot tay máy 6 bậc tự do-eRobot và phần phụ lục. Các kết quả mô phỏng hiển thị bằng đồ họa trực quan và đã được kiểm chứng trong thực tế.  Phần kết luận chung và hướng phát triển: Luận án tổng kết lại các kết quả hoàn thành luận án và đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho mục đích phát triển hệ thống Robot phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu định hướng ứng dụng. 1.4 Kết luận 3 2 Cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot 2.1 Các vấn đề của một hệ thống Robot 2.2 Cơ sở nghiên cứu, mô phỏng sự tương tác của Robot với môi trường 2.2.1 Cơ sở động học 2.2.2 Phân tích Jacobian cho Robot tay máy 2.2.3 Cơ sở động lực học 2.2.3.1 Phương trình Lagrange 2.2.3.2 Tọa độ suy rộng 2.2.3.3 Động năng 2.2.3.4 Thế năng 2.2.3.5 Lực suy rộng 2.2.3.6 Phương trình Lagrange loại 2 cho Robot tay máy 2.2.3.7 Động lực học của Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường Giả sử khâu thao tác của Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường theo phương trình ràng buộc holonom và dừng như sau   q   0 , Jacobian ràng buộc là J   / q . Bổ xung ràng buộc bằng một tập hợp các lực liên kết, ta thu được phương trình sau: τ  Mq  V  G  τ c (2.56) Với điều kiện: J q  J  q  0   0, J q  0  (2.57) Ở đây τ c là véc tơ lực liên kết suy rộng. Do liên kết là lý tưởng nên ta có: τc   q  q  ker  J  (2.58) Với  q thỏa mãn ràng buộc tại một điểm, q, trong không gian cấu hình của Robot tay máy. Do đó có thể biểu diễn lực liên kết suy rộng như là một tổ hợp tuyến tính của các cột trong ma trận JT . Và τ c  JT λ , trong đó λ là một véc tơ nhân tử Lagrange chưa biết. Lúc này phương trình chuyển động của Robot như sau: τ  Mq  V  G  JT λ (2.59) Phương trình (2.59) thỏa mãn điều kiện (2.57) Từ đây, ta có thể loại bỏ nhân tử Lagrange từ phương trình (2.59) từ việc sử dụng: τ c . q   τ  Mq  V  G  . q  0 Với các di chuyển ảo phù hợp với ràng buộc, ta thu được: 4 (2.60) τ c . q   τ  Mq  V  G  . q  0 (2.61)  q  ker  J  Từ (2.58), các lực liên kết suy rộng không tạo ra công ảo dưới các dịch chuyển ảo mà phù hợp với ràng buộc. Do đó, số hạng τ c q biến mất khỏi phương trình (2.61) và ta thu được mối quan hệ trực giao sau:  Mq  V  G  τ  . q  0 (62)  q  ker  J  Giả sử rằng có thể biểu diễn các dịch chuyển ảo phù hợp với liên kết,  q  ker  J  , theo một bộ tối thiểu p (nhỏ nhất) các tọa độ độc lập của các dịch chuyển ảo, q p , như sau:  q  C q p (2.63) Sử dụng mối quan hệ (2.63) vào phương trình (2.62), ta có:  C Mq  C V  C G  C τ  . q T T  q p  T T p 0 p  (2.64) CT τ  CT Mq  CT V  CT G Vì rằng q  Cq p và q  Cq p  Cq p ta biểu diễn lại (2.64) như sau: τ p  M p  q  q p  Vp  q, q p   G p  q  (2.65) Trong đó, M p  q   CT MC Vp  q, q p   CT V  CT MCq p G p  q   CT G (2.66) τ p  CT τ Một cách khác không dùng phương trình biến phân (2.60) để có được mối quan hệ trực giao tương tự như (2.58) là sử dụng phương trình biến phân cấp hai, được biết đến là gia tốc ảo, chúng ta có thể đi tới được một nguyên lý về tối thiểu hóa. Nguyên lý này đầu tiên được minh họa bởi Gauss sau đó được nguyên cứu tỉ mỉ bởi Gibbs với dạng sửa đổi. Trước tiên biểu diễn dạng biến phân của (2.56) như sau: τ c . q   τ  Mq  V  G  . q  0 (2.67) Khi chỉ quan tâm tới ràng buộc dừng, gia tốc ảo,  q , là biến phân của tất cả gia tốc mà phù hợp với ràng buộc trong khi thời gian, vị trí, vận tốc là cố định. Với  q  0 và  q  0 của (2.57) ta có: 5   J q  J  q   J   q  0 (2.68) Phương trình (2.68) chỉ ra rằng  q  ker  J  . Với điều kiện này phương trình (2.67) bị giới hạn tới các gia tốc ảo phù hợp với ràng buộc, τ c . q   τ  Mq  V  G  . q  0  q  ker  J  (2.69) Sử dụng lại (2.58) ta có:  q  ker  J  τc   q (2.70) Do vậy số hạng τ c q biến mất khỏi (2.69) và thu được mối quan hệ trực giao sau:  Mq  V  G  τ  . q  0 (2.71)  q  ker  J  Thỏa mãn phương trình (2.57). Định nghĩa một hàm Gauss, G , đo độ lệch trọng số khối lượng giữa các gia tốc không bị ràng buộc và gia tốc bị ràng buộc như sau: 1 2 &- q & &* ) M (q & &- q & & G @ (q& *) T (2.72) ở đây q&&* là gia tốc không bị ràng buộc của hệ thống, có nghĩa là gia tốc suy rộng khi mà hệ thống thể hiện sự không có mặt của ràng buộc, tức là: - 1 & & q * = M (τ - V - G ) (2.73) Tính Gradient của G trên miền q&&, ta thu được: ¶G & &- q & &* ) = Mq & &+ V + G - τ = M (q & & ¶q (2.74) Thế (2.74) vào (2.71) ta thu được: ¶G & &= 0 .dq & & ¶q & &Î ker (J f " dq ) (2.75) Điều trên cho thấy rằng nghiệm của vấn đề động lực học Robot tay máy có ràng buộc mang lại một giá trị ổn định của G trên bộ gia tốc phù hợp với ràng buộc, hay là: dG = 0 & &Î ker (Jf " d | dq ) (2.76) Thỏa mãn (2.57). Điều này được thể hiện rõ trong nguyên lý Gauss về ràng buộc tối thiểu. Các điều kiện này yêu cầu các gia tốc suy rộng thực, q&&, dẫn đến một giá trị ổn định của hàm Gauss, G , và phù hợp với ràng buộc. Hơn thế nữa, vì G là dạng toàn phương và M là ma trận đối xứng xác định dương, nên q&&phải làm tối thiểu G phù hợp với ràng buộc. 6 Từ những kết quả đã trình bày ở trên, nhận thấy rằng vấn đề của động lực học Robot tay máy có ràng buộc có thể được xem như là vấn đề nhân tử hoặc vấn đề tối thiểu hóa và cả hai phát biểu này là tương đương. Điều này có nghĩa là, nghiệm của vấn đề nhân tử tối thiểu hóa hàm Gauss, G , trên toàn bộ gia tốc phù hợp với ràng buộc và nghiệm của vấn đề tối thiểu hóa thỏa mãn phương trình dạng nhân tử. Từ đây ta có thể dẫn tới nghiệm tường minh của động lực học Robot tay máy có ràng buộc, sử dụng thêm (2.73) để biểu diễn lại (2.57) và (2.59) như sau: & &- q & &* ) = J f λ M (q & &+ J&q&= 0 J q f (2.77) f Từ đây giải (2.77) ta thu được các nghiệm như sau: - 1 (J q&&+ J&q&)+ q&& ) (J q&&+ J&q&) & &= - M- 1JTf (J f M- 1J Tf ) q λ = - (J f M- 1J Tf f * f (2.78) * - 1 f * f Từ phương trình (2.78) cho thấy tương ứng với một đối tượng Robot cụ thể khi đã biết được nhiệm vụ chuyển động của Robot trong không gian khớp ( q* , q* , q* ) hoặc thông qua tính toán động học ngược, biết được nhiệm vụ tương tác lực trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động thông qua ma trận Jacobian ràng buộc J f (cách tính toán J f sẽ được giới thiệu chi tiết ở phần tiếp theo), ta hoàn toàn có thể tìm được nghiệm q, q, q và từ đó lấy được ra véc tơ nhân tử Lagrange λ phục vụ cho tìm kiếm lực tương tác giữa Robot và môi trường. 2.3 Cơ sở về điều khiển lực tương tác của Robot với môi trường 2.3.1 Điều khiển chuyển động và điều khiển tương tác Khoa học Robot có hai cấp độ điều khiển: điều khiển chuyển động và điều khiển lực. Điều khiển chuyển động đã có sớm hơn và phát triển trong một thời gian dài; tiếp cận điều khiển lực có muộn hơn, tuy nhiên điều khiển lực thực sự không thể thiếu đối với phát triển Robot giai đoạn tiếp theo, đặc biệt cho các nhiệm vụ Robot có nhiều yêu cầu kh t khe. Để điều khiển chuyển động cho Robot tay máy, thường tìm, xác định mômen khớp để điều khiển khâu tác dụng cuối đảm bảo thực hiện nhiệm vụ theo vị trí và hướng như mong đợi.Trong trường hợp Robot không có sự tương tác về tiếp xúc với môi trường, người ta thường sử dụng hai giai đoạn: trước tiên thực hiện biến đổi động học ngược tính toán ra các biến khớp tương ứng với hướng và vị trí của khâu tác dụng cuối được đưa ra, tiếp theo là thiết kế bộ điều khiển để đảm bảo rằng các khớp thực hiện đúng như các giá trị được tính toán ra - đây cũng được gọi là chiến lược điều khiển động học. Việc sử dụng điều khiển chuyển động trong các ứng dụng của Robot thực hiện nhiệm vụ có tương tác với môi trường chỉ có thể được khi ta đã lập kế hoạch chính xác cho nhiệm vụ. Yêu cầu này cũng có nghĩa là cần phải có mô hình đủ chính xác của cả Robot (mô hình động học và động lực học) và môi trường (các đặc điểm về hình học và cơ học). Mô hình hóa Robot có thể đủ chính xác, tuy nhiên diễn tả chi tiết về môi trường thì khó đạt được chính xác. Khi thực hiện nhiệm vụ, Robot luôn có sự tương tác qua lại với môi trường. Chuyển động của Robot sẽ tác dụng lực và mômen lên môi trường. Tùy thuộc vào các đặc tính của môi 7 trường là mềm (có thể co giãn ) hay cứng mà môi trường sẽ phát sinh các lực và mômen tương ứng tác dụng lại Robot. Thực tế, sai số trong quá trình thiết kế quỹ đạo có thể làm thay đổi lực tương tác (sai lệch giữa quỹ đạo khâu thao tác với quỹ đạo thiết kế), ngược lại hệ thống điều khiển sẽ phản ứng làm giảm sai lệch này, điều này có thể dẫn tới hiện tượng phá hỏng các chi tiết khi tiếp xúc. Hay ta có thể nói rằng ảnh hưởng của lực là một nguyên nhân chính làm thay đổi nhiệm vụ chuyển động của Robot được thiết kế trước. Trong nhiều trường hợp lực có thể còn phá hủy cấu trúc cơ cấu của Robot. Với môi trường có độ cứng càng cao và bộ điều khiển chuyển động càng chính xác, hiện tượng trên càng dễ xẩy ra. Đây sẽ là những trở ngại trong các ứng dụng đòi hỏi Robot phải cảm nhận được môi trường và có những ứng xử phù hợp ngay lập tức (đáp ứng on - line). Khó khăn này có thể được giải quyết khi đảm bảo được sự co giãn của hệ thống Robot trong thời gian có sự tương tác. Người ta có thể sử dụng kiểu bị động bằng cách ghép xen vào giữa khâu tác dụng cuối của Robot và môi trường một thiết bị cơ khí co giãn phù hợp, hoặc kiểu chủ động bằng cách thiết kế, xây dựng một chiến lược điều khiển tương tác phù hợp. 2.3.2 Điều khiển lực bị động Tiếp cận điều khiển tương tác bị động, lực tương tác do tính co giãn nội tại trong Robot làm thay đổi quỹ đạo thiết kế của khâu tác dụng cuối trên Robot. Tính co giãn này có thể do tính chất mềm của các khâu, các khớp và của khâu tác dụng cuối, hoặc có thể là tính mềm của cơ chế servo vị trí. Trong các ứng dụng của Robot có tương tác với con người, mục đích tiên quyết của thiết kế Robot là phải an toàn, cánh tay Robot là mềm với các khâu hoặc khớp có tính đàn hồi. Trong các ứng dụng công nghiệp, người ta đã thiết kế chế tạo một loại thiết bị cơ khí có khả năng điều chỉnh tính co giãn khi có tác động lực từ bên ngoài và đã được ứng dụng rộng rãi (RCC-remote center of compliance device). Một RCC là một khâu tác dụng cuối mềm được tích hợp trên một Robot cứng, được thiết kế và tối ưu cho công việc l p ghép chi tiết (minh họa trên hình 2.10). Hình 2.10 Điều khiển lực bị động Dễ dàng nhận thấy rằng tiếp cận bị động để điều khiển tương tác là tương đối đơn giản và tiết kiệm giá thành, bởi vì không yêu cầu có các cảm biến đo lực/mômen, hơn thế nữa đáp ứng của cơ chế co giãn bị động thường nhanh hơn nhiều so với quá trình chủ động bằng cách ứng dụng các thuật toán điều khiển trên máy tính. 8 Tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu là không được thay đổi các quỹ đạo thiết kế được lập trình trước của khâu tác dụng cuối tại thời gian thực thi nhiệm vụ. Nhược điểm chính của cách tiếp cận này trong các ứng dụng công nghiệp là thiếu tính mềm d o vì với m i một nhiệm vụ của Robot, cần phải thiết kế và tích hợp một khâu tác dụng cuối mềm chuyên dụng tương ứng. Tiếp cận này cũng chỉ giải quyết được với sự thay đổi nhỏ của vị trí và hướng của quỹ đạo thiết kế được lập trình trước. Và một điều quan trọng cuối cùng là vì không có thông tin lực đo về, chúng ta không thể đảm bảo rằng sẽ không xuất hiện các lực tiếp xúc lớn. 2.3.3 Điều khiển lực chủ động Khác với tiếp cận điều khiển tương tác bị động, điều khiển tương tác chủ động bằng cách sử dụng hệ thống điều khiển được thiết kế nhằm đảm bảo tính mềm của hệ thống Robot (minh họa trên hình 2.11). Tiếp cận này thường yêu cầu phải có tín hiệu đo của lực và mômen cấp về bộ điều khiển, bộ điều khiển sử dụng các thông tin này để thay đổi hoặc thậm chí phát sinh trực tuyến quỹ đạo thiết kế mong đợi của khâu tác dụng cuối trên Robot. Điều khiển tương tác chủ động có thể giải quyết được những nhược điểm của điều khiển tương tác bị động được trình bày trước đó, tuy nhiên phương thức này luôn chậm hơn, chi phí nhiều hơn và phức tạp hơn. Để đạt được một tốc độ thực hiện nhiệm vụ và khả năng loại bỏ kích động xấu chấp nhận được, cần phải sử dụng kết hợp điều khiển tương tác chủ động với các cấp độ mềm bị động: phản hồi, nhận dạng tín hiệu luôn xẩy ra sau khi có sự xuất hiện sai lệch về chuyển động và lực, do đó cần sử dụng thêm phương thức mềm bị động để giữ các phản lực dưới một ngư ng cho phép. Hình 2.11 Điều khiển lực chủ động Chiến lược điều khiển tương tác chủ động có thể được phân thành hai phạm trù: thực hiện điều khiển lực gián tiếp và thực hiện điều khiển lực trực tiếp. Sự khác nhau chính giữa hai phạm trù này là với trường hợp đầu, đạt được điều khiển lực qua việc điều khiển chuyển động mà không cần sử dụng một vòng kín tường minh có phản hồi lực, với trường hợp sau sử dụng vòng kín có phản hồi lực để xây dựng hệ điều khiển lực và mômen tiếp xúc đạt giá trị mong đợi. 2.3.4 Các dạng mô hình tương tác Việc thiết kế bộ điều khiển tương tác và phân tích sự thực hiện của nó luôn được tiến hành dưới các giả thiết đơn giản hóa. Hai trường hợp dưới đây được đưa vào xem xét: 9 - Robot và môi trường là cứng hoàn toàn và môi trường đặt lên Robot các ràng buộc thuần động học. - Robot cứng hoàn toàn, tất cả tính mềm của hệ thống đặt lên môi trường và xấp xỉ hệ lực xo n tiếp xúc bằng một mô hình đàn hồi tuyến tính. Trong cả hai trường hợp ở trên, giả thiết bỏ qua lực ma sát. Hiển nhiên các tình huống trên chỉ là lý tưởng. Tuy nhiên, tính bền vững của bộ điều khiển cần có khả năng đối phó với tình huống này, ở đây các giả thiết lý tưởng sẽ bị giảm bớt. Lúc này, luật điều khiển có thể đáp ứng để giải quyết cho các đặc tính không lý tưởng. 2.3.4.1 Môi trường cứng tuyệt đối Giả thiết rằng môi trường là cứng tuyệt đối (không bị biến dạng) và các lực liên kết phát triển không đủ phá v liên kết này. Lúc này có thể biểu diễn các ràng buộc do bởi môi trường bằng một hệ phương trình với các biến diễn tả vị trí và hướng của khâu thao tác phải được thỏa mãn; do các biến này phụ thuộc vào các biến khớp thông qua phương trình động học thuận, các phương trình ràng buộc cũng có thể được biểu diễn trong không gian khớp như sau:  q   0 (2.87) Véc tơ  là một hàm véc tơ có kích thước m 1 , với m  n , ở đây n là số khớp của Robot tay máy, không mất tính tổng quát khi giả thiết Robot không dư dẫn động nên ở trường hợp này n = 6. Ràng buộc dạng (2.87) chỉ liên quan tới các tọa độ suy rộng của hệ thống, do đó là các liên kết holonom. Trong phạm vi luận án không xem xét đến trường hợp ràng buộc thay đổi theo thời gian có dạng   q,t   0 , tuy nhiên trường hợp này cũng có thể được phân tích tương tự cùng một cách. Thêm vào đó, ràng buộc (2.87) là ràng buộc hai phía (giữ), có nghĩa là khâu thao tác luôn giữ sự tiếp xúc với môi trường. Giả sử rằng véc tơ (2.87) có đạo hàm liên tục cấp 1 và cấp 2, m thành phần của nó là độc lập tuyến tính ít nhất tại vùng lân cận điểm vận hành. Từ đây, đạo hàm (2.87) ta được: J  q q  0 Ở đây J  q    / q là ma trận Jacobian của   q  c buộc. (2.88) m  6 , được gọi là Jacobian ràng Khi không xét đến sự có mặt của lực ma sát, các lực tương tác suy rộng được biểu diễn bằng hệ lực xo n có xu hướng vi phạm các ràng buộc. Các hệ lực xo n khâu thao tác này tạo ra các phản lực tại các khớp được tính toán sử dụng nguyên lý công ảo như sau: τ e  J T q λ (2.89) Trong đó λ là véc tơ nhân tử Lagrange c m 1 . Các hệ lực xo n khâu thao tác tương ứng với các τ e có thể được tính như sau: h e  J T q τ e  S f qλ ở đây 10 (2.90) S f  J T q J T q  (2.91) Từ (2.90) cho thấy h e thuộc vào không gian véc tơ m chiều tạo ra bởi tổ hợp tuyến tính các cột của ma trận S f c 6  m . Tính nghịch đảo của biến đổi (2.90) như sau: λ  S†f  q  he (2.92) Ở đây S †f là ký hiệu ma trận tựa nghịch đảo (giả nghịch đảo) có trọng số của ma trận S f và được tính như sau:  S†f  STf WS f  1 STf W (2.93) Ở đây W là ma trận trọng số. Với m i một ma trận S f chọn được ta có thể tính được Jacobian ràng buộc như sau: J  STf J  q  , từ đây có thể tích phân để thu được phương trình ràng buộc. 2.3.4.2 Môi trường “co giãn” (mềm) 2.3.4.3 Biểu diễn nhiệm vụ Ta có thể quy định một nhiệm vụ tương tác theo một hệ lực xo n khâu thao tác mong đợi h d . Để phù hợp với ràng buộc, các véc tơ này phải nằm trong không gian con điều khiển lực. Để thực đảm bảo được điều này cần xác định véc tơ λ d và tính toán h d như sau: hd  S f λ d (2.99) Chú ý ở đây phải định nghĩa S f phù hợp với đặc điểm hình học của nhiệm vụ để đảm bảo sự bất biến khi thay đổi các hệ tọa độ quy chiếu và sự thay đổi của các đơn vị vật lý. 2.3.4.4 Thiết lập mô hình tương tác dựa trên cảm biến 2.4 Công cụ MATLAB/SIMULINK 3 Robot tay máy 6 bậc tự do – eRobot eRobot (viết t t của education Robot) là sản phẩm của đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phục vụ chính cho đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu các vấn đề liên quan tới hệ thống Robot công nghiệp. 3.1 Cấu trúc, tính năng hoạt động 3.1.1 Cấu trúc thành phần Các thành phần chính tích hợp thành hệ thống eRobot liệt kê trong bảng 3.1 dưới đây: Thành phần Đặc điểm Phần mềm mô phỏng Hệ điều hành Microsoft Windows, Công nghệ đồ họa Open điều khiển GL, truyền thông RS 232, mã nguồn viết trên VC++ Bộ điều khiển Bộ điều khiển chuyển động của hãng Galil (DMC 2163), một bộ khuyếch đại công suất AMP 20420 (cho hai động cơ DC 11 S n có có có servo 200W) và một bộ khuyếch đại công suất AMP 20540 (cho bốn động cơ DC servo 500W) Động cơ Động cơ DC servo (6 động cơ) có Encoder > 1024 xung có Robot 6 trục khớp bản lề có Nhiều chi tiết liên kết và truyền động phụ Đai răng, hộp giảm tốc, … trợ có Bảng 3.1 Các thành phần chính của hệ thống eRobot Hình 3.1 là ảnh chụp của hệ thống eRobot với các thành phần chính như trên bảng 3.1. Hình 3.1 Hệ thống eRobot-phòng Cơ điện tử-Viện Cơ học 3.1.2 Cấu trúc chức năng 3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển eRobot 3.1.4 Cấu trúc chính của hệ thống điều khiển eRobot 3.1.5 Đặc điểm khác của eRobot 3.2 Hình học: không gian làm việc, điểm kỳ dị, thiết kế quỹ đạo 3.2.1 Không gian làm việc 3.2.2 Các cấu hình kỳ dị 3.2.2.1 Cấu hình kỳ dị khớp cánh tay 3.2.2.2 Cấu hình kỳ dị khớp bả vai 3.2.2.3 Cấu hình kỳ dị khớp cổ tay 3.2.2.4 Tránh điểm kỳ dị bằng phương pháp giải tích 3.2.2.5 Tránh điểm kỳ dị bằng phương pháp số Khi sử dụng phương pháp số để giải bài toán động học ngược, ta không có khả năng khoanh vùng các lân cận kỳ dị, lý do là vì nghiệm của bài toán tại m i điểm trên quỹ đạo được 12 dùng làm đầu vào để tính toán cho điểm tiếp theo. Vì thế, sau khi gặp điểm kỳ dị đầu tiên, phần còn lại của quỹ đạo sẽ không thể tính toán được nữa. Ta chỉ có một phương pháp là dựa vào định thức của ma trận Jacobian để xét đoán khi Robot đi vào vùng kỳ dị. Trường hợp 1: Robot dư dẫn động, sử dụng ma trận tựa nghịch đảo J † . Trường hợp này ít xảy ra cấu hình kỳ dị, nếu xảy ra thì không có khả năng xử lý. Trường hợp 2: Robot đủ bậc tự do, sử dụng dạng nghịch đảo thông thường của ma trận Jacobian, J 1 . Trường hợp này không có khả năng xử lý các cấu hình kỳ dị. Trường hợp 3: Robot đủ bậc tự do, sử dụng phương pháp DLS với dạng nghịch đảo SRInverse của ma trận Jacobian, J * . Xét công thức tính ma trận SR-Inverse. 1 J*  q   JT J   I  JT Ta có nhận xét, khi hệ số   0 , SR-Inverse trở về với dạng nghịch đảo thông thường J  J 1 . Vậy, ma trận J * sẽ chỉ phát huy vai trò khi   0 . Khi đó: *    0 1   / 0  và   0 2 Với:   det  JJT  Như vậy có thể thấy, 0 có vai trò như một ranh giới vùng lân cận điểm kỳ dị. Khi quỹ đạo Robot đi vào vùng này, nghĩa là   0 ,  sẽ nhận giá trị khác 0 và ma trận Jacobian nghịch đảo chuyển từ dạng J 1 sang dạng J * . Kết quả tính toán thu được thực tế là một điểm gần với điểm yêu cầu. Sai lệch này thường là chấp nhận được và nó giúp cho các bước tính tiếp theo trở lại được với quỹ đạo sau khi đi ra khỏi vùng kỳ dị. 3.2.3 Thiết kế quỹ đạo 3.3 Động học 3.3.1 Động học thuận 3.3.2 Tính toán động học ngược bằng giải tích 3.3.3 Jacobian 3.3.4 Tính toán số động học với hiệu chỉnh gia lượng 3.4 Động lực học có tương tác với môi trường 3.4.1 Giải phương trình động lực học có ràng buộc và lực tương tác Khi một Robot tay máy thực hiện nhiệm vụ chuyển động trong không gian 3 chiều (điều khiển chuyển động đồng thời cả 3 tham số vị trí và 3 tham số hướng) có hiện tượng tiếp xúc với một đối tượng vật r n trong môi trường (trong không gian làm việc của Robot) theo một ràng buộc động học. Giả sử thêm rằng trong quá trình tiếp xúc này, Robot và đối tượng môi trường không bị phá vỡ về cấu trúc và nhiệm vụ chuyển động của Robot vẫn được tuân thủ, lúc này có thể tìm ra được sự phát triển của hệ lực xo n mà khâu thao tác của Robot tác dụng tới môi trường cũng như các lực/mômen khớp sinh ra do có sự tương tác này từ phương trình vi phân chuyển động của Robot có ràng buộc với môi trường 2.78 trong mục cơ sở động lực học. 13 Khai triển phương trình (2.78) theo q và q* ta thu được phương trình: - 1 - 1 & &= - M- 1JTf (J f M- 1JTf ) J&f q&+ q & &* - M- 1J Tf (J f M- 1J Tf ) J f q & &* q - 1 - 1 & &* - (J f M- 1J Tf ) J&f q& λ = - (J f M- 1JTf ) J f q Trong đó: & & q* , q&* , q * : lần lượt là vị trí, vận tốc, gia tốc của véc tơ tọa độ suy rộng trong nhiệm vụ chuyển động khi không có tương tác với môi trường. q, q&& , q&: lần lượt là vị trí, vận tốc, gia tốc của véc tơ tọa độ suy rộng trong nhiệm vụ chuyển động khi có tương tác với môi trường. M: Ma trận quán tính của Robot. Jf : Ma trận Jacobian ràng buộc giữa Robot và môi trường. λ: Véc tơ nhân tử Lagrange. Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán tính toán hệ lực xo n và mô men sinh ra khi có tương tác 14 (3.93) Chú ý: có thể coi trong thời gian xẩy ra tương tác, Robot tay máy tham gia đồng thời hai nhiệm vụ: nhiệm vụ chuyển động và nhiệm vụ về tương tác lực, tuy nhiên chỉ có nhiệm vụ chuyển động được điều khiển ứng với số bậc tự do chuyển động. Sơ đồ thuật toán tính toán lực tương tác thể hiện trên hình 4.6. 3.4.2 Ma trận quán tính 3.4.3 Xây dựng và thiết kế nhiệm vụ tương tác lực với môi trường Giả sử rằng: Robot và môi trường là cứng hoàn toàn, đồng thời môi trường đặt lên Robot các ràng buộc thuần độc học có thể biểu diễn được dạng phương trình (2.87). Với giả thiết véc tơ vế trái của (2.87) có đạo hàm liên tục cấp 1 và cấp 2, trong đó đạo hàm cấp 1 là Jacobian ràng buộc của môi trường đặt lên khâu thao tác của Robot. Khi chọn được một hệ tọa độ quy chiếu nhiệm vụ về lực (trong luận án chọn hệ tọa độ này trùng với hệ tọa độ khâu thao tác-hệ tọa độ nhiệm vụ lực trùng với hệ tọa độ nhiệm vụ chuyển động), ma trận nhiệm vụ lực tương tác S f được xác định theo công thức (2.91) về tổng quát là ma trận c 6´ 6 : éFx ê ê0 ê ê0 S f = êê ê0 ê0 ê ê êë0 0 Fy 0 0 0 0 0 0 Fz 0 0 0 0 0 0 Mx 0 0 0 0 0 0 My 0 0 ù ú 0 ú ú 0 ú ú 0 ú ú 0 ú ú ú Mzú û (3.110) Trong đó các phần tử Fx , Fy , Fz , M x , M y , M z lần lượt đại diện cho trạng thái tương tác lực dọc theo các trục và mômen quanh các trục Ox , Oy , Oz của hệ tọa độ nhiệm vụ lực. Các phần tử này hoặc có giá trị 1 ứng với trường hợp có ràng buộc hoặc 0 khi không có ràng buộc. Khi đã xây dựng được ma trận nhiệm vụ lực tương tác S f , từ công thức (2.91) có thể tính ra được ma trận Jacobian ràng buộc J f (q) như sau: J  STf J  q  (3.111) 3.5 Lập trình giao tiếp với phần cứng điều khiển 3.6 Chương trình mô phỏng eMRobot 3.6.1 Chức năng nhiệm vụ 3.6.2 Thuật toán chương trình 3.6.3 Đặc tính của chương trình 3.6.4 Giao diện chương trình 3.6.4.1 Tab điều khiển 15 Control tap gồm 4 phần chính (hình 3.32): Xây dựng quỹ đạo (trong không gian khớp và không gian thao tác); Quản lý và hiển thị kết quả mô phỏng sau bước xây dựng quỹ đạo (bằng đồ thị); Thay đổi các thuộc tính hiển thị của cửa sổ mô phỏng; Tải quỹ đạo Robot xuống bộ điều khiển và chạy điều khiển. Hình 3.32 Giao diện chương trình eMROBOT Hình 3.34 Giao diện thiết kế quĩ đạo trong không gian thao tác Hình 3.35 Giao diện Simulation module 3.6.4.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp 16 3.6.4.3 Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác 3.6.4.4 Mô đun mô phỏng Sau khi có được quĩ đạo đã thiết kế, người sử dụng b t đầu quá trình tính toán động học, động lực học và mô phỏng quá trình hoạt động của Robot và hiển thị kết quả, quản lý kết quả, lưu trữ kết quả mô phỏng Simulation Module (hình 3.35). 3.6.4.5 Hiển thị kết quả 3.6.4.6 Mô đun điều khiển 4 Kết quả chính đạt được Bám sát mục tiêu của luận án, tác giả đã tự tổng hợp có chọn lọc tình hình nghiên cứu, phát triển Robot trên thế giới và ở Việt Nam, vấn đề tương tác giữa Robot và môi trường ở phần Tổng quan. Tiếp theo, ở phần Cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot, luận án đã giới thiệu về các vấn đề liên quan tới một hệ thống Robot, trình bày và phát triển cơ sở động học, phân tích Jacobian, cơ sở động lực học cho Robot dạng tay máy, cơ sở điều khiển lực tương tác của Robot với môi trường, giới thiệu công cụ Matlab/Simulink. Luận án đã đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu vấn đề tương tác của Robot với môi trường và xây dựng được một hệ phương trình vi phân chuyển động của Robot (Phương trình 2.78) trong quá trình tương tác với môi trường. Bước tiếp theo, luận án xây dựng các thuật giải cơ bản về động học cho đối tượng Robot 06 bậc tự do: tính toán động học thuận, tính toán động học ngược bằng phương pháp giải tích, tính toán ma trận Jacobian của Robot (ma trận Jacobian của khâu thao tác), tính toán động học ngược bằng phương pháp số với hiệu chỉnh gia lượng, xây dựng và nội suy quỹ đạo của Robot trong không gian khớp và không gian thao tác; xây dựng các thuật giải nâng cao về động học: tính toán ma trận Jacobian cho từng khâu của Robot, phương pháp xây dựng ma trận nhiệm vụ lực, tính toán ma trận Jacobian ràng buộc khi khâu thao tác của Robot có ràng buộc động học giữ và dừng holonom với môi trường, thuật giải tránh điểm kỳ dị cho Robot, thuật giải tránh vật cản cho Robot; xây dựng các thuật giải cơ bản về động lực học: tính toán ma trận quán tính cho từng khâu của Robot và cả Robot, giải phương trình vi phân chuyển động của Robot khi có tương tác với môi trường để tìm nghiệm của vấn đề động lực học tương tác của Robot với môi trường, …; xây dựng thuật giải nâng cao về động lực học: tính toán hệ lực xo n và mômen sinh ra khi có tương tác giữa Robot và môi trường; xây dựng các thuật giải về truyền thông giữa máy tính và thiết bị điều khiển chấp hành; xây dựng các thuật giải điều khiển chuyển động cho Robot; và nhiều thuật giải h trợ giao diện khác. Sử dụng tất cả những kiến thức, cơ sở lý thuyết và thuật giải ở phần trên, luận án xây dựng đối tượng Robot tay máy 06 bậc tự do được tham số hoá trên phần mềm MATLAB và viết các hàm giải quyết các vấn đề cơ học của Robot này ở dạng m file chạy trên môi trường MATLAB/SIMULINK phục vụ việc tính toán, mô phỏng và phân tích hiện tượng Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường (các đối tượng khác Robot trong môi trường xung quanh Robot). Đây cũng chính là mục đích của tác giả mong muốn xây dựng và phát triển thư viện các hàm liên quan tới Robot tay máy phục vụ mục đích nghiên cứu chuyên sâu nhằm phát triển hệ thống Robot. Thư viện này sẽ phục vụ cho các bước nghiên cứu tiếp theo. Tác giả sử dụng các hàm trong thư viện này để xây dựng một mô hình Robot tay máy cụ thể eRobot trên môi trường MATLAB/SIMULINK. Sau đó tiến hành tính toán, mô phỏng động 17 học, động lực học Robot có tương tác với môi trường, lấy, hiển thị và so sánh các kết quả với các kết quả lấy ra từ phần mềm điều khiển của hệ thống Robot thật. Luận án đã đóng góp một phần lớn vào việc thiết kế, chế tạo, tích hợp và điều khiển Robot eRobot, là một sản phẩm của đề tài cấp Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2010-2011. 4.1 Thư viện thuật toán (các m file) 4.1.1 Xây dựng đối tượng eRobot 4.1.2 Động học ngược 4.1.2.1 Thuật toán giải động học ngược bằng giải tích có tránh điểm kỳ dị Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược bằng giải tích có tránh điểm kỳ dị Sử dụng tính chất là khi nội suy quỹ đạo trong không gian khớp thì quỹ đạo của Robot sẽ không gặp phải hiện tượng kỳ dị, thuật toán giải bài toán động học ngược bằng phương pháp giải tích có tránh điểm kỳ dị dựa trên tính chất này. Nhiệm vụ trong không gian thao tác của Robot sẽ là đầu vào và được lưu trữ trong mảng vị trí và hướng của khâu thao tác X_Array , gồm n phần tử i  0  n 1 . Thực hiện vòng lặp với chỉ số i  0  n 1 , từ các giá trị x k lấy lần lượt từ mảng X_Array tính toán động học ngược bằng giải tích bằng phương pháp trong phần 3.3.2 Tính toán động học ngược bằng giải tích thu được qk  f  xk  trong trường hợp không có hiện tượng kỳ dị. Nếu 18 xẩy ra hiện tượng kỳ dị, tính toán qk 1  f  xk 1  , thực hiện nội suy trong không gian khớp (sử dụng các luật chuyển động trong phần 3.2.3 Thiết kế quỹ đạo) từ q k 1 đến q k 1 thu được qk  n  qk 1 , qk 1  cần tìm. 4.1.2.2 Thuật toán giải động học ngược bằng số có tránh điểm kỳ dị Khi không xẩy ra hiện tượng kì dị của Robot, thuật giải sử dụng ma trận nghịch đảo của ma trận Jacobian J in  J 1 để tính toán q  J in x và phương pháp hiệu chỉnh gia lượng. Khi xẩy ra hiện tượng kỳ dị, thuật giải sử dụng phương pháp Damped Least Squares (DLS)1 trang 122 để tính toán ma trận SR-Inverse: J*  q   JT J   I  JT có phân tích SVD. Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược bằng số có tránh điểm kỳ dị 4.1.2.3 Thuật toán giải động học ngược tránh vật cản Thuật toán tính toán động học ngược cho khâu thao tác của Robot tránh va chạm với vật cản đã biết trước trong không gian làm việc của Robot được thể hiện trong sơ đồ khối trên hình 4.5. Ngoài nhiệm vụ chuyển động trong không gian thao tác của Robot đã biết, cần phải biết được vị trí và kích thước lớn nhất của vật cản (trong phạm vi luận án coi vật cản là dạng hình cầu) và khoảng cách bé nhất coi là va chạm giữa khâu thao tác và vật cản Lmin . 19 Thuật toán tính toán động học ngược trong sơ đồ thuật toán trên hình 4.5 là thuật toán tính toán bằng giải tích có tránh điểm kỳ dị được trình bày trong phần 4.1.2.1 Thuật toán giải động học ngược bằng giải tích có tránh điểm kỳ dị. Trong quá trình giải bài toán động học ngược luôn kiểm tra điều kiện va chạm giữa khâu thao tác của Robot và vật cản xk  xvc  Lmin . Khi b t đầu xẩy ra hiện tượng va chạm, thuật toán sẽ đánh dấu tư thế b t đầu va chạm xb và b t đầu đếm các tư thế tiếp theo cho tới khi kết thúc va chạm x k . Đoạn thời điểm xẩy ra va chạm sau đó sẽ được nội suy trong không gian khớp và cuối cùng được tổng hợp lại trên toàn quỹ đạo. Hình 4.5 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược tránh vật cản 4.2 Mô hình, mô phỏng và điều khiển hệ thống eRobot bằng eMRobot Luận án trình bày một ví dụ quá trình mô phỏng trong trường hợp eRobot thực hiện nhiệm vụ như sau (Hình 4.7): - Khâu tác dụng cuối thực hiện quỹ đạo hình tròn nằm trong mặt phẳng song song với trục z0 và vuông góc với với trục y0 của hệ tọa độ cố định. Trong đó trục z E của hệ tọa độ khâu thao tác luôn vuông góc với mặt phẳng vòng tròn. 20
- Xem thêm -