Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu cuối.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
PHẠM ĐỨC DƯƠNG
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ROBOT
ỔN ĐỊNH THẾ KHÂU CUỐI
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành: 8520103
TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Phạm Thành Long
Thái Nguyên, tháng 4 năm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Thành Long. Các kết quả tính toán, số liệu
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công
trình khoa học nào khác.
Tác giả luận văn
Phạm Đức Dương

ii
LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật Cơ khí
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về
cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa
chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức
chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao
trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải
quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho
công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã
giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề
cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
PGS.TS Phạm Thành Long đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo,
nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;
Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ
luận văn thạc sĩ;
Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động
viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này;
Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện
của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 04 năm 2019

iii
BẢNG THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT Thuật ngữ/ Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa luận giải
1 RPY Bộ góc Roll – Pitch - Yaw
2 DH Denavit - Hatenberg
3 PCMM
Portable Coodianate Measure
Machine
4 P (mm) Prismatic
5 R (rad) Rotate
6 GRG General Ruduce Gradient
7 MEMS Micro Electro Mechanical Systems
8 SRS Cấu trúc chân dẫn động khớp R
9 GY Gyroscapes
10 DC Direct Curent
11 a (mm) Lượng dịch chuyển theo trục x
12 d (mm) Lượng dịch chuyển theo trục z
13 ɵ (rad) Góc quay quanh trục z
14 β (rad) Góc quay quanh trục x
15 n Cosin chỉ hướng trục x
16 s Cosin chỉ hướng trục y
17 p Véc tơ tọa độ điểm cuối
18 qi Tọa độ suy rộng thứ i
19
ti
j (rad) ij góc thứ j của chân thứ i

iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hệ Cơ điện tử với phản hồi tín hiệu...................................................... 2
Hình 1. 2 Hệ servo với phản hồi công suất........................................................... 3
Hình 1. 3 Cấu trúc phản hồi công suất của truyền dẫn một bậc tự do................. 3
Hình 1. 4 Sơ đồ động học của cơ cấu cổ tay cầu ba bậc tự do thiết kế theo lý
thuyết dòng năng lượng khép kín [1].................................................................... 4
Hình 1. 5 Các tọa độ suy rộng của tay máy trước và sau biến dạng.................... 5
Hình 1. 6 Thuật toán bù kép để điều khiển động học robot mềm ......................... 6
Hình 1. 7 Tổ hợp bàn tay lên robot không dùng nguồn độc lập........................... 6
Hình 1. 8 Chu kỳ làm việc của bàn tay giữa hai trạm .......................................... 7
Hình 1. 9 Các trạng thái khác nhau của bộ khóa cơ ............................................ 8
Hình 1. 10 Tay robot không sử dụng nguồn dẫn động độc lập ............................ 8
Hình 1. 11 Tay đo PCMM cấu hình robot hai khâu ............................................. 9
Hình 1. 12 Dữ liệu đo một contuor trước và sau khi xử lý qua phần mềm.........10
Hình 1. 13 Vật thể đo sau khi xử lý smoothness trên Catia................................10
Hình 1. 14 Sơ đồ khai triển bước xoắn trên mặt trụ dùng thiết kế máy đo.........11
Hình 1. 15 Cấu trúc của máy đo dạng robot sử dụng đầu đo tiếp xúc...............11
Hình 1. 16 Biểu diễn tương quan độ chính xác các thành phần (T2, Q1)..........12
Hình 1. 17 Thử nghiệm máy đo thực tế tại Disoco .............................................13
Hình 1. 18 Cơ cấu pesian Joint 6 bậc tự do........................................................13
Hình 1. 19 Đồ thị quan hệ vận tốc ngõ vào/ ngõ ra của cơ cấu persian joint....14
Hình 2. 1 Quan hệ giữa giá O0 và đích P ở robot công nghiệp .........................16
Hình 2. 2 Ổn định pháo một góc không đổi ở vị trí “Home” khi di chuyển.......17
Hình 2. 3 Ví dụ về khóa mục tiêu tĩnh khi di chuyển...........................................17
Hình 2. 4 Ổn định hướng bình chứa ...................................................................18
Hình 2. 5 Ổn định con lắc ngược........................................................................18
Hình 2. 6 Bay theo đội hình, bài toán hai yếu tố động .......................................19
Hình 2. 7 Camera checking vị trí của vật di động (hãng cognex)......................19
Hình 2. 8 Con quay hồi chuyển...........................................................................20

v
Hình 2. 9 Chip L3G4200DH với chức năng nhận biết góc quay ....................... 21
Hình 2. 10 Cơ cấu ổn định hướng cơ khí ............................................................ 22
Hình 2. 11 Mô tả phép quay roll-pitch-yaw ........................................................ 23
Hình 2. 12 Quan hệ giữa phép quay RPY với các chuyển động của bàn tay khi
phương trục khớp khác nhau .............................................................................. 23
Hình 2. 13 Sơ đồ quan hệ giữa hai hệ quy chiếu Oi-1 và Oi theo DH ................. 25
Hình 2. 14 Tay robot với vai trò đồ gá có chức năng ổn định thế của vật gá .... 26
Hình 3. 1 Đồ gá cấu hình robot 3 bậc tự do ....................................................... 35
Hình 3. 2 Đồ thị đặc tính các biến khớp ............................................................. 39
Hình 3. 3 Đổi giá một robot song song ............................................................... 39
Hình 3. 4 Khai triển chi tiết một chân cấu trúc SRS đã đổi giá ......................... 40
Hình 3. 5 Minh họa lời giải tại một vị trí điều khiển .......................................... 42
Hình 3. 6 Quỹ đạo tâm giá O0 trong hệ quy chiếu O1 theo yêu cầu ................... 43
Hình 3. 7 Đồ thị biến khớp từ t21 đến t26 ............................................................ 47
Hình 3. 8 Cảm biến Mpu 6050 và Arduino Uno ................................................. 48
Hình 3. 9 Sơ đồ kết cấu điều khiển một bậc tự do .............................................. 49
Hình 3. 10 Bộ thí nghiệm ba bậc tự do chạy dẫn động servo ............................. 51
Hình 3. 11 Thử nghiệm với mạch thực theo thiết kế ........................................... 51

vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Các bước biến đổi DH……………………………………...……………..24
Bảng 3. 1 Tọa độ điểm keypoint quy đổi khi biểu diễn trong hệ quy chiếu O và
O3 ....................................................................................................................... 36
Bảng 3. 2 Lời giải động học ngược tại các điểm keypoint khi giữ vị trí so với
mô tả ở ma trận thế 13, đồng thời di chuyển gốc O theo đường x2
+z2
=452
, y =
120. .................................................................................................................... 37
Bảng 3. 3 Chuyển đổi tọa độ điểm quỹ đạo giữa hai giá .................................. 43
Bảng 3. 4 Biến khớp tại 8 vị trí tính toán khi giá (O0) di động và O1 đứng yên45
Bảng 3. 5 Quy ước chân cảm biến MPU 6050 ................................................. 49

vii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................................................ii
BẢNG THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT...........................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG.........................................................................................v
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: Tổng quan về một số tay robot đặc biệt ................................2
1.1 Các tay máy phản hồi công suất ...........................................................2
1.2 Các tay máy mềm..................................................................................5
1.3 Tay robot không dùng nguồn dẫn động độc lập ...................................6
1.4 Tay đo PCMM ......................................................................................9
1.5 Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ.....................................................10
1.6 Cấu trúc truyền động đẳng tốc không gian kiểu robot hụt dẫn động . 13
1.7 Đồ gá ổn định thế cấu hình robot........................................................14
Kết luận chương 1........................................................................................15
CHƯƠNG 2: Cơ sở thiết kế động học của đồ gá ổn định thế cấu hình robot 16
2.1 Giới thiệu đồ gá ổn định thế...................................................................16
2.1.1 Vòng kín có một yếu tố động...........................................................16
2.1.2 Vòng kín có hai yếu tố động............................................................18
2.1.3 Ổn định thế bằng con quay hồi chuyển ...........................................20
2.2 Phương trình động học robot .................................................................22
2.3 Tính tương đối của một chuyển động/ phép đổi giá ..............................26
2.4 Mô hình toán của đồ gá tổng quát cấu hình robot ..............................27
2.5 Phương pháp và công cụ giải bài toán động học robot..........................28
2.5.1 Chuyển đổi bài toán động học thành bài toán tối ưu.......................28
2.5.2 Phương pháp GRG giải bài toán tối ưu ...........................................32
2.5.3 Xác định vùng đáp ứng ổn định thế.................................................33
Kết luận chương 2........................................................................................33

viii
CHƯƠNG 3: Thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm gá ổn định thế.....................35
3.1 Xây dựng dữ liệu điều khiển thông qua tính toán trên mô hình ............35
3.1.1 Cấu trúc chuỗi..................................................................................35
3.1.2 Cấu trúc song song...........................................................................39
3.2 Xác định chuyển động dẫn bằng cảm biến gia tốc MPU 6050..............48
3.3 Kết cấu và điều khiển một bậc tự do quay.............................................49
3.4 Cấu trúc điều khiển hệ ba bậc tự do với một cảm biến MPU6050........50
3.5 Thử nghiệm ổn định trên phương tiện ...................................................51
Kết luận chương 3........................................................................................52
Kết luận của luận văn...................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................53
PHỤ LỤC........................................................................................................56
1. Chương trình vẽ đồ thị matlab bằng mfile:............................................56
2. Các bản vẽ chế tạo gá ổn định thế ba bậc tự do.....................................67

1
MỞ ĐẦU
Robot là thiết bị khả trình, khi tác vụ thay đổi một thiết bị cơ điện tử kiểu
robot do chức năng quy định bởi phần mềm nên hoàn toàn có khả năng lập
trình để đáp ứng tác vụ mới. Vì lý do đó có thể thấy phần lớn robot có tính
vạn năng, nhưng bên cạnh đó vẫn cần có các robot đặc biệt nhằm thích ứng
với các điều kiện làm việc rất đặc thù.
Các robot đặc biệt này có thể cần đến các phương pháp mô tả, các công
cụ tính toán và các phương pháp đặc biệt tương ứng để giải quyết các vấn đề
kỹ thuật phát sinh do tính đặc biệt của nó.
Hệ thống phương pháp, công cụ dùng để giải quyết các vấn đề thiết kế,
chế tạo các robot đặc biệt này cùng với các phương pháp lý luận đã biết sẽ
hoàn thiện các hiểu biết về robot.
Với tham vọng như trên, trong bản luận án này sẽ xây dựng một hệ thống
lý luận làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế một đồ gá ổn định thế của vật
mang trong bàn tay với hai cấu trúc robot chuỗi và robot song song.
Đồ gá này định hướng ứng dụng ổn định máy quay trong điều kiện di
động, nâng cao chất lượng hình ảnh, giảm rung giật nâng cao chất lượng
khung hình. Ứng dụng ổn định hướng ngắm của súng, pháo gắn trên phương
tiện như xe, tàu chiến trong trường hợp cần mở rộng góc công tác hơn so với
hệ thống dẫn động điện – thủy lực hiện có, hoặc cần ổn định đồng thời cả vị
trí và hướng thay vì chỉ ổn định hướng như sử dụng trong hệ thống Meteor.
Đặc biệt là luận văn đề cập đến các cơ cấu gá ổn định hướng có cấu trúc song
song, đây là các cơ cấu cho khả năng mang tải nặng, tuy nhiên nó có độ phức
tạp cao về động học, động lực học.
Để minh họa cho ý tưởng của luận văn, một mô hình ổn định thế tự động
khởi tạo dữ liệu từ các cảm biến gia tốc được thiết kế và chế tạo để kiểm
chứng các tính toán mà tác giả đề xuất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Thành Long đã tận tình
hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019

2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ TAY ROBOT ĐẶC BIỆT
Trước khi đi vào thiết kế và tính toán đồ gá ổn định thế là một loại robot có
cấu trúc đặc biệt, trong phần đầu tiên này tác giả sẽ giới thiệu sơ lược về một số
dạng robot đặc biệt khác và các lý thuyết cơ sở liên quan để tạo ra chúng.
Tay máy có nhiều cách phân loại khác nhau, từ phân loại theo cấu trúc
dẫn động (mạch kín, mạch hở), theo tính chất cơ học (cứng, mềm), theo năng
lượng sử dụng (điện, khí nén, thủy lực..), theo chức năng công nghệ…
Ở mỗi hình thức phân loại này, mỗi nhóm lại có những robot đặc biệt ở
khía cạnh nó không giống các robot khác thường thấy trong nhóm đó. Phần
giới thiệu về robot đặc biệt này chỉ dừng lại trong phạm vi các nghiên cứu của
nhóm “Cơ điện tử ứng dụng” thuộc Bộ môn Cơ điện tử, thành lập theo quyết
định số 18/ QĐ-ĐHKTCN ký ngày 18/3/2018, do PGS TS. Phạm Thành Long
làm trưởng nhóm.
1.1 Các tay máy phản hồi công suất
Robot là một cơ cấu chấp hành, để đạt độ chính xác yêu cầu thường được
điều khiển phản hồi để tạo thành thiết bị kiểu servo. Có hai hình thức để cấu
trúc hệ servo là phản hồi công suất và phản hồi tín hiệu. Ở hình thức phản hồi
tín hiệu, hệ cơ điện tử này cần khởi tạo dữ liệu bằng một cảm biến, cảm biến
này có chức năng chuyển đổi chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực hoặc mô men
thành tín hiệu điện để truyền về vi xử lý. Tín hiệu này được so sánh với tín
hiệu đặt để ra quyết định điều chỉnh lại tác động điều khiển cho phù hợp với
mục đích đề ra.
Hình 1. 1 Hệ Cơ điện tử với phản hồi tín hiệu

3
Hình 1. 2 Hệ servo với phản hồi công suất
Trong một số môi trường khắc nghiệt như áp suất cao, bụi bẩn, nóng ẩm,
dầu mỡ..việc bố trí các cảm biến không đảm bảo thì sẽ cần đến phản hồi công
suất.
Tay máy phản hồi công suất sẽ đưa trực tiếp dòng công suất quay lại ngõ
vào để hợp nhất với công suất tại điểm hợp thông qua một cơ cấu vi sai cơ
khí. Hệ thống này không cần cảm biến và vi điều khiển, nhưng nó cần có cơ
cấu cộng cơ khí. Điều này làm hệ thống cồng kềnh, giảm hiệu suất truyền dẫn
và gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo. Với các cơ cấu phản hồi công
suất có nhiều bậc tự do, số lượng cơ cấu cộng tỉ lệ với số bậc tự do làm trọng
lượng tăng lên đáng kể.
c
3a. Nguyên lý truyền dẫn song song dư 3b. Minh họa kết cấu
Hình 1. 3 Cấu trúc phản hồi công suất của truyền dẫn một bậc tự do

4
2'
3"
3' B'
1
2
3x
A
5
7
D
6
d2
B
3
Bx
C
4
B
d1
d3
3x
A
d3
2
2
D
d2
d1
d3 Bx
C
4
4
d2
B
d1
Hình 1. 4 Sơ đồ động học của cơ cấu cổ tay cầu ba bậc tự do thiết kế theo lý
thuyết dòng năng lượng khép kín [1]
Về phương pháp thiết kế, vì các cơ cấu vi sai trong hệ thống được đánh
số thứ tự chân riêng sau đó nhận diện cách nối hoàn thiện sơ đồ động học dựa
vào mô hình toán của nó, do vậy cách thiết kế khá phức tạp, phương pháp này
được gọi là phương pháp lát cắt [1], nó có ý tưởng từ việc ràng buộc tỉ số
truyền của một chuỗi kín phải bằng 1.
Trên thực tế các cơ cấu này nhắm đến việc khử các khe hở mặt bên của bộ
truyền bánh răng ở cổ tay cầu. Khi xác định mỗi chuyển động Roll, pitch hoặc
yaw được điều khiển từ một nguồn duy nhất và nguồn dẫn động bố trí xa tâm cầu
để đạt được cấu trúc có trọng tâm tốt nhất cần sử dụng đến 5 bộ vi sai cơ khí.
Tuy hiệu suất thấp, thiết kế khó khăn, cấu trúc này lại điều khiển đơn giản do nó
khử được chuyển động theo làm cho các bậc tự do chuyển động độc lập

5
hay kết hợp đều dễ dàng giống như truyền động độc lập hoàn toàn giữa các
bậc tự do.
1.2 Các tay máy mềm
Ngày nay có hai xu hướng đang hiện diện trong robot khá phổ biến là
nâng cao tốc độ công tác để nâng cao năng suất lao động và tăng tỉ số công
suất/ khối lượng nhằm nâng cao khả năng sinh công của tay máy.
Tay máy mềm đáp ứng cả hai yêu cầu nói trên ngoại trừ việc các biến dạng
đàn hồi làm cho điểm cuối của chuỗi động học vấp phải sai số đáng kể. Với
một cấu trúc cơ điện tử như robot, khả năng của thiết bị được quy định bởi cả
phần cứng và phần mềm, trong đó ý tưởng cơ bản để điều khiển chính xác
loại tay máy này là sử dụng các chuyển vị chủ động của các tọa độ suy rộng
để bù lại các chuyển vị không mong muốn do biến dạng đàn hồi sinh ra [2,3].
Hình 1. 5 Các tọa độ suy rộng của tay máy trước và sau biến dạng [2].

6
Hình 1. 6 Thuật toán bù kép để điều khiển động học robot mềm [3].
Các tay máy này được điều khiển chính xác bằng cách hiệu chỉnh dữ liệu tọa
độ suy rộng và lực suy rộng như chỉ ra ở [3].
1.3 Tay robot không dùng nguồn dẫn động độc lập
Thông thường để đạt được độ linh hoạt tối ưu, các khớp chủ động của robot
thường là khớp loại 5, kèm theo một trong các kiểu động cơ là P (prismatic)
hoặc R(rotate).
Hình 1. 7 Tổ hợp bàn tay lên robot không dùng nguồn độc lập [4].

7
Tuy nhiên trong hình thức hụt dẫn động, một bậc tự nào đó có thể không
có nguồn dẫn động trực tiếp. Như vậy khâu không có nguồn dẫn động độc lập
cần có thiết kế thích hợp để sử dụng được nguồn năng lượng do các khâu khác
truyền qua nó.
P2 P1 P8
Tr¹m A Home N©ng cao khái ®å g¸
P3 KÑp chÆt Më kÑp P7
N©ng cao khái ®å g¸ huíng tíi tr¹m B §Æt vËt xuèng tr¹m B
P4 P5 P6
Hình 1. 8 Chu kỳ làm việc của bàn tay giữa hai trạm
Trong [4], giới thiệu và tính toán một tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn
động độc lập, nó sử dụng các động cơ trên cánh tay như một nguồn dẫn động
chính thức để dẫn động các ngón tay kẹp và nhả vật theo các chu kỳ rành mạch.
Trong trường hợp này, bàn tay đóng vai trò như một cơ cấu vi sai có 6
ngõ vào (bằng số bậc tự do của robot) và một ngõ ra (chuyển động của ngón
tay). Các động cơ đều giữ đồng thời hai chức năng, một là tham gia vào di
chuyển bàn tay theo quỹ đạo động học xác định trước. Hai là phối hợp cùng
các động cơ khác để nén bàn tay tỳ lên vật kẹp nhằm kích hoạt khóa cơ khí
đóng hay mở bàn tay. Robot này đặc biệt ở chỗ đặc tính động học của nó khi
chuẩn bị dữ liệu cần tính toán đến cả việc đồng thời dẫn động đóng mở bàn
tay cùng với di chuyển bám quỹ đạo.

8
Hình 1. 9 Các trạng thái khác nhau của bộ khóa cơ
Hình 1. 10 Tay robot không sử dụng nguồn dẫn động độc lập [5].
Tuy nhiên khi đang di chuyển thì không bao giờ đóng hay mở bàn tay, việc
này chỉ xảy ra khi đang ở đích đến [5]. Các động cơ cùng hợp lực nén một khâu
đàn hồi (lò xo 7) làm nguồn dẫn động chính của bàn tay, thay vì cần đến một
động cơ riêng trang bị cho bàn tay, điều này làm cho bàn tay có thể đi với các
robot khác nhau mà không cần can thiệp đến hệ thống điều khiển của robot đó.
Tín hiệu điều khiển là thời điểm xuất hiện phản lực gây nén lò xo 7 sẽ xác

9
định thời điểm cần đóng hay mở bàn tay. Khóa cơ khí 4,5,6 sẽ điều khiển bàn
tay có trạng thái thích hợp theo yêu cầu công nghệ.
1.4 Tay đo PCMM
Tay đo PCMM là một robot nhưng không trang bị động cơ mà vận hành
bằng tay, nó có chức năng di chuyển điểm cuối theo một contour định trước
để các encoder gắn với các khớp ghi lại quá trình chuyển động của các khâu
tương ứng, từ đó dùng phương trình động học của robot tính toán được tọa độ
của điểm lấy mẫu và xây dựng ra contour cần đo. Dữ liệu đo có thể xuất dưới
dạng *.txt hoặc *.dwg. [6]
Để thiết kế ra robot này cần giải quyết hai bài toán là độ chính xác của
các khâu và các khớp thành phần [7], xác định điểm chạm trên mặt cầu sử
dụng làm đầu đo tiếp xúc [8].
Hình 1. 11 Tay đo PCMM cấu hình robot hai khâu [6].

10
Hình 1. 12 Dữ liệu đo một contuor trước và sau khi xử lý qua phần mềm
[7].
Hình 1. 13 Vật thể đo sau khi xử lý smoothness trên Catia [8].
Robot này đặc biệt ở cấu trúc truyền động vừa bằng tay vừa bằng động
cơ, nó cũng đặc biệt ở góc độ chức năng của nó là sử dụng như một máy
CMM xách tay thay vì để sinh công cơ học như các robot khác.
1.5 Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ
Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ là một robot chuyên dùng cho việc
xác định và hiển thị số góc nghiêng răng β của các bánh răng trụ. Góc
nghiêng này là tham số được ghi trên bản vẽ chế tạo bánh răng có độ chính
xác tới 5”, tuy nhiên ngoại trừ Gear center có giá thành rất cao, chưa có một
thiết bị chuyên dùng nào dùng để đo tham số này.

11
Hình 1. 14 Sơ đồ khai triển bước xoắn trên mặt trụ dùng thiết kế máy đo
Để có cơ sở chính xác cho vấn đề này, xét sơ đồ khai triển hình 1.14.
Muốn bám được đường chuẩn AC dưới dạng xoắn vít trụ cần có một cấu trúc
hai bậc tự do, robot này được đề xuất như hình 1.15.
Sử dụng một đầu đo với đường kính của con lăn kiểm tiêu chuẩn để có
điểm tiếp xúc trên vòng chia của bánh răng.
Hình 1. 15 Cấu trúc của máy đo dạng robot sử dụng đầu đo tiếp xúc
Chuyển động điều chỉnh T1 được thực hiện bằng tay, các chuyển động
(T2, Q1) phụ thuộc nhau tùy theo giá trị góc nghiêng β của bánh răng.
tg( )
CD
(1.1)
AD
Sử dụng hai cảm biến để đo các đại lượng này sẽ xác định được chính
xác góc nghiêng. Theo [10], quan hệ về độ phân giải của hai cảm biến đo các
đại lượng này được xác định như hình 1.16.

12
Hình 1. 16 Biểu diễn tương quan độ chính xác các thành phần (T2, Q1)
khi đo góc nghiêng β gián tiếp theo (1.1)
Góc với sai số cho phép (bao gồm 4 khả năng phân biệt):
tg( )
CDq1
(1.2)
ADd2
Cảm biến quay q1 nếu thực hiện một di chuyển bằng q1
(i)
thì nó được
phép sai số bằng một nửa cạnh 41, nếu thực hiện một hành trình q1
(i+1)
thì
được phép sai số một nửa cạnh 85. Tức là nếu sai số tính ra phần trăm đường
dịch chuyển là:
%
l41
.100%
l85
.100% (1.3)

2.Opi2.Opi1
Tương tự như vậy với cảm biến đo dịch chuyển tịnh tiến d2 nếu thực
hiện một hành trình bằng d2
(i)
, được phép sai số bằng một nửa đoạn 43. Nếu
thực hiện một hành trình d2
(i+1)
sai số được phép là dưới một nửa đoạn 87.
Tính ra phần trăm đường dịch chuyển là:
 %
l
43
.100%
l
87
.100% (1.4)
2.Od i 2.Odi1

13
Hình 1. 17 Thử nghiệm máy đo thực tế tại Disoco
1.6 Cấu trúc truyền động đẳng tốc không gian kiểu robot hụt dẫn động
Đây là một cấu trúc được thiết kế đặc biệt cho mục đích truyền dẫn công
suất giữa hai điểm cách biệt về vị trí và hướng trong không gian. Khi đưa
truyền động quay vào một đầu của cấu trúc, đầu kia sẽ có chuyển động quay
trên một trục khác nhưng luôn đồng tốc với trục vào.
Hình 1. 18 Cơ cấu pesian Joint 6 bậc tự do
Điều đặc biệt ở cấu trúc này là nó chỉ có một khớp đầu tiên đóng vai trò
chủ động, các khớp khác của cấu trúc là khớp thụ động, chỉ nhận công suất
truyền qua nó để truyền tới ngõ ra. Kết cấu cơ khí của cấu trúc đòi hỏi được
thiết kế sao cho có khả năng đổi hướng khi truyền động và ổn định vận tốc
giữa ngõ vào với ngõ ra.

14
Hình 1. 19 Đồ thị quan hệ vận tốc ngõ vào/ ngõ ra của cơ cấu persian joint
Cơ cấu này được ứng dụng nhiều trong truyền dẫn công suất lớn đòi hỏi
đẳng tốc giữa ngõ vào ngõ ra trong điều kiện có chuyển hướng truyền động
không gian [8,9].
1.7 Đồ gá ổn định thế cấu hình robot
Đồ gá này có chức năng mang một vật cần ổn định thế (vị trí và hướng)
đã chọn trước. Trong quá trình làm việc, giá của cơ cấu này có thể chuyển
động ngẫu nhiên nhưng vật trong bàn tay robot không thay đổi thế đã chọn.
Đây là một robot đặc biệt vì thông thường các robot arm có giá cố định
và bàn tay cùng với cánh tay chuyển động. Việc điều khiển các robot này
hoàn toàn rõ ràng về cách thức thực hiện bài toán, tuy nhiên để ổn định vật
trong bàn tay khi giá di động ngẫu nhiên, bài toán cần xem xét lại khía cạnh
mô hình và phương pháp. Do đó robot này cũng được coi là một dạng robot
đặc biệt, sau khi đã xác lập thế của vật mang, việc điều khiển robot để giữ cho
thế của vật không thay đổi được thực hiện bằng cách tạo ra ngay lập tức các
chuyển động bù, do đó việc đo lường sự thay đổi của thế đã chọn và tác động
nhanh đến các động cơ giữ ổn định là cần thiết. Đây cũng là đối tượng nghiên
cứu và nội dung của bản luận văn này.
Bản thân gá ổn định thế cấu hình robot có thể dưới dạng cấu trúc chuỗi
hoặc cấu trúc song song tùy theo yêu cầu về khả năng mang tải, cũng như hình

15
thể tích vùng làm việc của đồ gá. Kỹ thuật tính toán với hai trường hợp này
theo đề xuất của luận văn là không giống nhau.
Kết luận chương 1
Robot là công cụ lao động của tương lai, nó là một tế bào tự trị không thể
thiếu của bất cứ hệ thống tự động thông minh nào. Do kết cấu đa dạng, nhiệm
vụ phong phú, nên việc thường xuyên cập nhật các phương pháp và công cụ
tính toán mới cho robot là cần thiết, nhất là nhóm các robot đặc biệt.
Luận văn này có mục tiêu tập trung giải quyết một vấn đề nhỏ trong số
các lý thuyết nói trên, đó là thiết kế cơ cấu và xây dựng cơ sở để điều khiển
một robot ổn định thế khi giá có chuyển động ngẫu nhiên. Robot cần sử dụng
các bậc tự do của nó để khử đi các tác động cơ học từ giá đến khâu cuối, sao
cho khâu cuối giữ nguyên thế của nó xác lập từ trước đó.
Các robot đặc biệt nói trên trong quá trình tính toán thiết kế đều sử dụng
phương pháp GRG [3], nó cũng được định hướng là phương pháp sẽ sử dụng
trong luận văn này như một sự kết nối về lý luận với các robot đã nghiên cứu
trước đó trong nhóm Cơ điện tử ứng dụng.

16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CỦA ĐỒ GÁ ỔN ĐỊNH
THẾ CẤU HÌNH ROBOT
2.1 Giới thiệu đồ gá ổn định thế
2.1.1 Vòng kín có một yếu tố động
Để điều khiển một robot người ta căn cứ trên quan hệ vòng kín về cấu
trúc định vị các khâu tham gia vào sơ đồ công nghệ (hình 2.1). Theo quan
điểm điều khiển, các khâu này được thay thế bằng các hệ quy chiếu gắn với
nó (hệ tọa độ động). Toàn bộ sơ đồ quy chiếu theo một chuẩn thống nhất là hệ
quy chiếu cơ sở gắn với “giá”, hệ quy chiếu cơ sở này không di động. Thông
thường thì hệ quy chiếu suy rộng có chỉ số lớn nhất là hệ quy chiếu động gắn
với khâu cuối đóng vai trò là “đích”, là đối tượng cần xác định thế (vị trí và
hướng) chính xác theo yêu cầu công nghệ. Trong hai đối tượng chính thì
thông thường “đích” di động và “giá” tĩnh.
A3
zB
A2
A1
X
O0
A4
A5
A6
T
P
R
Ov
E
ODG
base point
O0
A1 X
A2 O1
A3 O2
ODG
joint spaces E work spa
On-1
An
On
OV
T R
P
tool point
Hình 2. 1 Quan hệ giữa giá O0 và đích P ở robot công nghiệp
Trên hình 2.1 diễn tả tình huống robot có giá O0 là cố định còn đích là mút
P của dụng cụ T di chuyển bám sát theo mút của véc tơ dẫn R. Đây là tình
huống thông dụng của hầu hết các robot, vòng kín để hình thành xích tính
toán phải qua hai điểm bắt buộc là “giá O0” và “đích P”, trong trường hợp này
“giá O0” đứng yên và “đích P” di động, để điều khiển bắt buộc cập nhật vị trí
của ‘đích P” liên tục hoặc cập nhật gián đoạn kết hợp nội suy. Từ quan hệ
vòng kín này sẽ suy ra được thế của đích so với giá.

17
Xét tình huống như trên hình 2.3, vòng kín ở đây hình thành giữa hai điểm
là “mục tiêu” và ‘pháo” trong đó mục tiêu tĩnh còn giá liên tục di động. Trường
hợp này khi điều khiển chỉ cần cập nhật lại vị trí của giá (tức – pháo), mục tiêu
không thay đổi thế của nó trong cả quá trình điều khiển, vì vẫn chỉ có một yếu tố
động nên bài toán này là bài toán đổi giá so với bài toán diễn ra ở hình 2.1.
Hình 2. 2 Ổn định pháo một góc không đổi ở vị trí “Home”
khi di chuyển bằng con quay hồi chuyển
Hình 2. 3 Ví dụ về khóa mục tiêu tĩnh khi di chuyển
Với yêu cầu phải tác động nhanh và chính xác, đây là một hệ đòi hỏi ổn
định cao. Tất cả các ví dụ nêu trên có chung đặc điểm là trong hai đối tượng
của vòng kín gồm “giá” và “đích” thì chỉ có một trong hai yếu tố di động, yếu

18
tố còn lại là tĩnh tại. Nếu đích không di động, trường hợp này gọi là gá ổn
định thế vì thế của “đích” không cập nhật lại khi giải bài toán động học.
Trong đời sống các tình huống này xuất hiện cũng khá phổ biến, ví dụ
các hệ thống dựa trên nguyên tắc điều khiển con lắc ngược, ổn định phương
trọng lực:
Hình 2. 4 Ổn định hướng bình chứa
Hình 2. 5 Ổn định con lắc ngược
Các đối tượng nói trên ổn định ở phương thẳng đứng, tuy nhiên có thể
xác định thế mới hoàn toàn ngẫu nhiên khi có yêu cầu về công nghệ.
2.1.2 Vòng kín có hai yếu tố động
Ở bài toán có hai yếu tố động, đòi hỏi cập nhật lại cả thế của giá và thế
của đích liên tục để đảm bảo độ chính xác, về nguyên tắc giải bài toán không
có gì khác so với cách giải bài toán một yếu tố động, nhưng nó có khối lượng
mô tả lớn hơn.

19
Hình 2. 6 Bay theo đội hình, bài toán hai yếu tố động
Để giữ đội hình, chẳng hạn khi bay theo bầy, đội hình liên quan đến việc cập
nhật liên tục thế của cả giá và đích (mục tiêu giữ đội hình có thể đạt được
bằng cách điều chỉnh giá hoặc điều chỉnh đích). Thông thường với tần xuất
cập nhật cao, các hệ thống camera quang học từ ba camera có thể cung cấp vị
trí chính xác của đối tượng được theo dõi để đạt được mục đích theo dõi.
Hình 2. 7 Camera checking vị trí của vật di động (hãng cognex)
Trong phạm vi luận văn, do hạn chế về thiết bị xác định vị trí vật di động độ
phân giải cao nên không xét bài toán hai yếu tố động kiểu này.

20
2.1.3 Ổn định thế bằng con quay hồi chuyển
Con quay hồi chuyển là một thiết bị thuần cơ khí, về kết cấu (hình 2.8)
trục con quay có thể có phương bất kỳ do nó được gá trên một khớp vạn năng.
Trục con quay vuông góc với mặt phẳng chứa trục khớp vạn năng. Do có kết
cấu đôi một vuông góc, khi các chuyển động của giá là chuyển động quay
quanh một trục ngẫu nhiên nào đó, các chuyển động này được phân chia theo
tỉ lệ hình chiếu lên các trục quay của hệ khớp vạn năng, con quay bảo toàn
phương của nó mà không bị ảnh hưởng bởi chuyển động quay của giá.
Con quay khi tự quay quanh mình nó sẽ có hai đặc tính là “định trục” và
“tiến động”. Định trục nghĩa là nó có xu hướng giữ nguyên trục quay trong
không gian.
Còn “tiến động” nghĩa là khi tác động vào nó một lực thì nó lại chuyển
động theo phương vuông góc với lực tác động. Khi tốc độ quay càng cao thì
các đặc tính này càng thể hiện rõ hơn.
Hình 2. 8 Con quay hồi chuyển
Từ đó có thể thấy nếu trục quay của con quay được nối với vật cần ổn
định thế, hướng trục con quay được chọn trước và rotor quay với tốc độ đủ
lớn, hướng đã chọn này được bảo toàn (bảo toàn mô men động lượng). Việc
nhận biết góc cần ổn định và cấp năng lượng duy trì trạng thái ổn định không
tách rời nhau, đều nằm trong hiệu ứng hồi chuyển.
Con quay hồi chuyển được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:
- Thay cho la bàn từ, nơi mà nhiễu từ làm mất độ chính xác của la bàn từ;

21
- Thay cho la bàn từ trong không gian (định hướng kính viễn vọng) vì
trong không gian (ngoài khí quyển) không có từ trường;
- Ổn định các vật thể bay như máy bay trực thăng;
- Làm la bàn trong lòng đất (hầm, lò) nơi từ trường bị nhiễu;
- Kết hợp con quay hồi chuyển với cảm biến gia tốc, trong đó con quay
hồi chuyển xác định vị trí “home” còn cảm biến gia tốc xác định vị trí thực
của thiết bị so với góc “home” này, các thiết bị di động thường ứng dụng kỹ
thuật này nhưng không sử dụng con quay cơ học mà thay bằng một thiết bị
mô phỏng nguyên lý cơ học với kích thước cực bé (MEMS).
Hình 2. 9 Chip L3G4200DH với chức năng nhận biết góc quay
của thiết bị di động
- Ổn định pháo của xe tăng khi tự hành (Meteor, Meteo-M1/ xe T62 Nga).
Tuy nhiên con quay có nhược điểm nó cần có hai đường truyền động riêng
biệt để làm hai việc “điều khiển” và “ổn định ở thế đã chọn”:
- Chế độ lấy nguồn động từ con quay để giữ góc “home” khi hành quân,
trạng thái này không điều khiển, nó chỉ duy trì góc phương vị cho nòng pháo
ở thế đã chọn;
- Chế độ truyền động “điều khiển” để xoay nòng pháo sang góc mới,
bám mục tiêu.
Do vật cần ổn định hướng phải nối trực tiếp với trục con quay, do vậy góc
di chuyển của nó bị giới hạn bởi kết cấu cơ khí, nhất là khi kết cấu này đòi hỏi

22
rất cứng vững như nòng pháo. Con quay hồi chuyển đáp ứng ổn định rất
nhanh nhưng để duy trì tốc độ quay cho nó cũng tốn một năng lượng dẫn
động thường xuyên không nhỏ. Con quay chỉ ổn định hướng chứ không có
khả năng ổn định vị trí, yêu cầu ổn định cả vị trí và hướng đồng thời sẽ cần
thiết kế một kết cấu mới như trong luận văn này.
Ngoài phương án sử dụng con quay hồi chuyển, để ổn định hướng cho
vật thể có thể dùng các cơ cấu cơ khí đặc biệt khác.
Hình 2. 10 Cơ cấu ổn định hướng cơ khí
Cơ cấu cơ khí đơn giản này có chức năng ổn định hướng rất tốt trong quá
trình giá của nó chuyển động quay.
https://www.youtube.com/watch?v=jMCBm9bG4EY) Tuy nhiên số răng
bánh răng đầu và cuối phải giống nhau, nó chỉ thích hợp khi cơ cấu có ít bậc
tự do và có không gian phù hợp để bố trí các bánh răng hành tinh.
Các kết cấu đòi hỏi góc di động lớn, gọn nhẹ, ít tiêu hao năng lượng hơn
sẽ chuyển sang sử dụng các đồ gá ổn định hướng khác, không dựa trên hiệu
ứng con quay này. Việc nhận biết góc nghiêng cần ổn định thuộc về một hệ
thống cảm biến góc trong khi việc ổn định góc này cần bổ sung năng lượng
dẫn động vào hệ. Dẫn động điện không liên tục với độ trễ nhỏ sẽ đáp ứng
được vấn đề mở rộng góc công tác và tiết kiệm năng lượng cho hệ công tác.
2.2 Phương trình động học robot
Đồ gá ổn định thế cần một số bậc tự do nhất định để tạo ra các chuyển động
bù, do vậy nó có cấu hình robot. Việc sử dụng kỹ thuật robot vào thiết kế đồ gá
này là việc hoàn toàn tự nhiên. Dưới đây nhắc lại một số quy tắc căn bản

23
dùng để mô tả động học hệ thống robot, các kiến thức này được dùng ở bước
mô hình hóa cơ cấu đồ gá ổn định hướng sau đó.
a. Phép quay Roll-Pitch-Yaw:
Xét một vật thể nổi có 6 bậc tự do, chẳng hạn như một con thuyền hình 2.11
Hình 2. 11 Mô tả phép quay roll-pitch-yaw
Hình 2. 12 Quan hệ giữa phép quay RPY với các chuyển động của bàn tay
khi phương trục khớp khác nhau
Đầu tiên cần hiểu khái niệm trục ban đầu và trục tức thời, xét hệ quy
chiếu O1 qua một loạt các biến hình trở thành O2 và O3 khi đó các trục của hệ
quy chiếu O1 gọi là hệ quy chiếu ban đầu, các trục hình thành về sau gọi là hệ
quy chiếu tức thời.
Phép quay roll-pitch-yaw xác định luật biến hình định nghĩa bởi:

24
c s 0 c 0 s1 0 0 c.c s.s.c c.s c.s.c s.s

s c 0

.

01 0

.
0 c s

c.s s.s.s c.c c.s.s s.c
     
 0 01 s 0 c0 sc   s s.c c.c 
     
(2.1)
Nhận thấy điểm đặc trưng của quy tắc này là thực hiện quay một hệ quy
chiếu đi ba lần liên tiếp xung quanh các trục của một hệ quy chiếu ban đầu
theo thứ tự z,y,x.
RRPY = rot(z, ).rot(y, ).rot(x, ) (2.2)
b. Phép quay Euler:
Bộ góc Euler khác với bộ góc RPY ở chỗ nó sử dụng cả các trục ban đầu
và trục tức thời làm trục quay, theo tính toán bằng lý thuyết đại số tổ hợp, chú
ý rằng không chọn trùng lại một quay hai lần quay liên tiếp, có tất cả 3.2.2 =
12 bộ góc Euler khác nhau, chẳng hạn:
REUL rot(x1, ).rot( y2 ,).rot(z3 ,) (2.3)
c. Quy tắc DH:
Do robot liên kết thành chuỗi, việc mô tả vị trí và hướng của khâu cuối
trong hệ quy chiếu gắn với khâu đầu tạo thành đặc trưng động học để thiết lập
các tính toán định lượng phục vụ điều khiển. Lập phương trình này cần vận
dụng một trong các quy tắc như [11]:
- Quy tắc DH;
- Quy tắc Craig;
- Quy tắc chuyển vị xoắn;
Mục đích: quy tắc DH có mục đích chỉ dẫn phương pháp xác lập hệ quy
chiếu suy rộng gắn với từng khâu của robot hướng tới tính duy nhất.
Nội dung:
a. Phần định tính:
- Sử dụng hệ quy chiếu trực tiếp tuân theo quy tắc bàn tay phải.
Trục oz:

25
- Có phương trùng với phương trục khớp;
- Có chiều dương tùy chọn.
Trục ox:
- Nằm theo phương đường vuông góc chung giữa hai trục z liên tiếp;
- Chiều dương hướng từ giao điểm của đường vuông góc chung
với trục z có STT nhỏ sang giao điểm với trục z có STT lớn.
b. Phần định lượng:
Để xây dựng ma trận truyền giữa hai khâu bất kỳ của robot xét sơ đồ sau:
trôc cña khíp i
Trôc cña khíp i-1 Trôc cña khíp i+1
Kh©u i-1
Kh©u i
Zi
Zi' Xi
Xi' Oi
Oi'
Zi-1
Oi-1
Xi-1
C¸c th«ng sè ®éng häc cña Denavit-Hartenberg
Hình 2. 13 Sơ đồ quan hệ giữa hai hệ quy chiếu Oi-1 và Oi theo DH
Sau khi xác lập được các hệ quy chiếu suy rộng găn với mỗi khâu như chỉ
dẫn của phần định tính, nhiệm vụ của phần định lượng là giả sử rằng cần tìm ra
quan hệ chuyển trục giữa hai hệ quy chiếu Oi-1 và Oi thỏa mãn định nghĩa:
Ai
i
1
.Oi1 Oi (2.4)
Ma trận
i1
được gọi là ma trận truyền giữa hai hệ quy chiếu Oi-1 và Oi.
Ai
Hãy theo dõi sự di động của hệ quy chiếu Oi-1 trên cơ sở biến hình theo các
trục cơ bản trong bảng sau
Bảng 2. 2 Các bước biến đổi DH
Bước Rot(z, ) Tran(z,d) Tran(x,a) Rot(x, )

26
c s 0 0 1000  1 0 0 a 1 0 0 0
Đặc
       
s c 0 0 0100  0100 0 c s 0
trưng  0 0 1 0 0 0 1 d 0010 0 s c 0

0 0 0
     
0

 1 0001  0001 0 0 1
Mục
xi1 song song xi Oi1Oi ' OiOi '
Z
i1 Z
i
đích
Ma trận
i1
nhân theo thứ tự bốn ma trận đặc trưng trong bảng nói trên:
Ai
cos()  sin() * cos( ) sin() * sin( ) a * cos()
Ai1

sin() cos() * cos  cos() * sin( ) a * sin() 
(2.5)


i  0 sin( ) cos( ) d 

0 0 0 1

 
2.3 Tính tương đối của một chuyển động/ phép đổi giá
Xét một tay robot tổng quát gồm n bậc tự do như hình 2.14.
Hình 2. 14 Tay robot với vai trò đồ gá có chức năng ổn định thế của vật gá
Đầu gắn với hệ quy chiếu O0 là giá của tay robot, đầu còn lại gắn bàn kẹp
mang vật thể gắn với hệ quy chiếu On. Hệ quy chiếu On gắn với vật có một yêu
cầu đặc biệt là dù giá của robot chuyển động như thế nào thì O6 cũng phải giữa
nguyên vị trí (hoặc hướng, hoặc cả vị trí và hướng) không thay đổi. Tay robot
làm được việc này nhờ có khả năng thay đổi các giá trị biến khớp của nó một
cách chủ động để bù trừ các chuyển động mà giá tác động vào khâu 1 sinh ra.
Giả sử quỹ đạo của giá O0 cho trước cần bám theo phương trình mô tả
trong O0 bởi (2.6):
f(x,y,z) = 0 (2.6)

27
Trong khi vị trí và hướng của O6 mô tả trong O0 được biểu diễn bởi ma trận
(2.7):
0
6 = | | (2.7)
0 0 0 1
Thông thường khi đồ gá ở trạng thái (q1, .., q6) = 0 nó sẽ sao chép các
chuyển động của O0 sang O6. Để ổn định thế của vật trong bàn tay, lúc này
cần tính toán các chuyển động (q1, .., q6) sao cho vật đứng yên, tức là:
6
0. O6 = ( , , ) (2.8)
Trường hợp đặc biệt nếu chỉ yêu cầu ổn định hướng hoặc vị trí mà không
yêu cầu ổn định đồng thời hai thông số trên thì sẽ ứng với các ma trận (2)
khác nhau. Trường hợp chỉ ổn định vị trí:
60 = |0
0 0 | (2.9)
0 0 0 1
Trường hợp chỉ ổn định hướng:
6
0 = | 0| (2.10)
0 0 0 1
Để đạt được mục đích ổn định động học vật, việc giải phương trình (2.8)
để điều khiển cơ cấu của giá đỡ là cần thiết.
2.4 Mô hình toán của đồ gá tổng quát cấu hình robot
Đối với một robot tổng quát nếu cho trước quỹ đạo chuyển động của giá
(2.6) luôn xây dựng được phương trình (2.8), biến đổi tương đương phương
trình này sang dạng:
( , , ) = ( 0)−1 = 6 (2.11)
6 0
Bài toán được hiểu là giữ bàn tay cố định cả vị trí và hướng, điều khiển
giá di chuyển theo quỹ đạo cho trước, đó là phép đổi giá. Các tọa độ suy rộng
tìm được từ lời giải của bài toán này về bản chất trùng với lời giải của bài toán
(2.8). Nó đảm bảo rằng khi khâu đầu di động với quy luật cho trước, các khớp
sẽ tự khử các tác động không mong muốn để giữ vật trong bàn tay giữ nguyên
một thế đã chọn.

28
Sau khi có quỹ đạo thành phần qi(t) việc kiểm tra đáp ứng khử các
chuyển động làm di chuyển vật khỏi thế đã xác định của đồ gá được tiến hành
trên phương trình động học thuận của tay máy. Cụ thể là, nếu gọi Pi(q1, …,
q6) là một điểm thuộc không gian khớp đã được ánh xạ từ Pi(xi, yi, zi) tương
ứng thuộc f(x,y,z) = 0 của không gian công tác qua bài toán (2.8).
Việc kiểm tra tương ứng với chạy truy hồi phương trình sau:
O6 ớ = 1 ÷
Số lượng điểm kiểm tra cần đủ dày để khẳng định lời
giải là đúng. Trong trường hợp cấu trúc robot là song song, ứng dụng
cho các vật có
khối lượng lớn, kỹ thuật tính toán sẽ khác với quá trình tính toán cho robot
song song ở chỗ robot song song chỉ có hai hệ quy chiếu là hệ quy chiếu gắn
với giá và hệ quy chiếu gắn với khâu cuối, nó không có các hệ quy chiếu
trung gian. Kỹ thuật đổi giá được áp dụng bình thường khi mô tả robot này
tuy nhiên thay vì tìm nghịch đảo của phương trình động học, phương án xây
dựng phương trình theo giá mới có vẻ thuận tiện và dễ thực hiện hơn, gốc gác
của vấn đề này là do robot song song có nhiều vòng kín thay vì có một vòng
kín như robot chuỗi.
2.5 Phương pháp và công cụ giải bài toán động học robot
2.5.1 Chuyển đổi bài toán động học thành bài toán tối ưu
Với mô hình tổng quát (2.11), cần có một phương pháp và một công cụ
cho bài toán này. Theo [3], phương pháp GRG đã được vận dụng cho bài toán
kiểu này hiệu quả.
Về bản chất, bài toán động học ngược robot cần chuyển đổi dạng thức để
ứng dụng được phương pháp GRG. Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của
khâu chấp hành là hàm của các biến khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của
phép chuyển đổi:
( 1, . . , 6). 60 =

29
n
ii1
0
n (2.13)
A A
i1
Trong đó: với i = 1n, là ma trận chuyển đổi giữa hệ toạ độ thứ i đến
hệ i-1, xác định theo quy tắc Denavit-Hartenberg; n là số biến khớp (bậc tự
do) của robot.Vị trí và hướng của khâu chấp hành được xác định từ quỹ đạo
cho trước:
0
Tn
nx sx ax px ny sy
ay py nz sz az pz
0 0 0 1
0

An (2.14)
Trong đó: 0
Tn f (q1 , q2 ,..., qn ) ; q1 qn các biến khớp; n, s, a là
các vec tơ chỉ phương; p là véc tơ chỉ vị trí; oxyz là hệ toạ độ gốc.Ma trận
chuyển đổi tổng hợp có dạng:
A0

n
a
11
a
12
a
13
a
14
a
21
a
22
a
23
a
24
a
31
a
32
a
33
a
34
0 0 0 1
(2.15)
Các thành phần aij với i,j =13 là các cosin chỉ phương của n,s,a; a14,
a24, a34 lần lượt là các thành phần chiếu lên hệ oxyz của p. Do tính chất trực
giao của các vec tơ chỉ phương, cho nên chỉ có ba thành phần trong các cosin
chỉ phương độc lập. Vì vậy kết hợp (3.2) và (3.3) nhận được:


sx
ax


p
x
 p
y
 pz
 a12 s x (q1 ,.., q6 ) a12
 a13 a x
(q ,.., q ) a
 a23
 1 6 13
ay (q ,.., q ) a
 1 6 23
 a14 
px (q ,.., q ) a (2.16)
 1 6 14
 a24  p
y
(q ,..q ) a
 a34
 1 6 24
 p
z
(q ,..q ) a
 1 6 34
i1
Ai

30
Giải hệ phương trình này nhận được giá trị các biến khớp. Khi giải có thể
gặp các trường hợp sau:
- Hệ phương trình (2.16) có thể phi tuyến hoặc phải xác định biến từ hàm
siêu việt vì vậy kết quả không chính xác hoặc có nhiều lời giải.
- Hệ (2.16) có thể vô định vì số bậc tự do thừa.
- Các kết quả có thể không thoả mãn được các điều kiện ràng buộc về
mặt kết cấu.
Mục tiêu của điều khiển động học là đạt được độ chính xác về vị trí và
hướng của khâu chấp hành. Như vậy chỉ cần xác định các giá trị của các biến
khớp sao cho đảm bảo sai số vị trí và hướng là nhỏ nhất đồng thời thoả mãn
các điều kiện ràng buộc về mặt kết cấu.
- Gọi q = {q1, q2, ..., qn } : là véc tơ các biến khớp.
- Không gian khớp D xác định miền giá trị của các biến khớp:
a1

a2

 q1 b1

 q2 b2
(2.17)
 qn bn
L =f(q): Hàm mô tả sai lệch vị trí và hướng của khâu chấp hành.
Bài toán xác định giá trị các biến khớp được viết:
L f (q1, q2 ,...qn ) min (2.18)
Trong đó:
qi D;
i  1 n
Đây là bài toán tối ưu, nghiệm của (2.17) phải là nghiệm của (2.18) vì
vậy hàm mục tiêu được xác định theo (2.18) như sau, trước hết viết lại hệ
phương trình (2.18) dưới dạng tương đương:

31


sx
ax


p
x
 p
y
 pz
 a12 0

a13 0

 a23 0
 a14 0
(2.19)
 a24 0

 a34 0
Bình phương hai vế của hệ phương trình này và cộng theo vế để có:
(sx a12 )2
 (ax a13 )2
 (ay a23 )2
 ( px a14 )2
 ( py a24 )2
 ( pz a34 )2
 0
Rõ ràng vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất của vế trái bằng không, tương
đương với hệ phương trình (2.16) được thỏa mãn. Đặt L là hàm số ở vế trái:
L  (sx a12 )2
 (ax a13 )2
 (ay a23 )2
 ( px a14 )2
 ( py a24 )2
 ( pz a34 )2
Trong điều khiển chỉ đòi hỏi độ chính xác hướng của khâu chấp hành bài
toán có dạng:
L1 f (q1, q2 ,...qn ) min (2.20)
VL2U
Ràng buộc: qi D;
i1 n
Trong đó:
- Hàm mô tả sai lệch hướng.
L1 (sx  a12 )2
 (ax  a13 )2
 (ay  a23 )2
(2.21)
- Hàm mô tả sai lệch vị trí .
L2 ( px  a14 )2
 ( py  a24 )2
 ( pz  a34 )2
(2.22)
- U, V: Các sai lệch giới hạn xác định theo yêu cầu kỹ thuật.
- Tương tự nếu đòi hỏi độ chính xác vị trí của khâu chấp hành bài toán
có dạng:
L2 f (q1, q2 ,...qn ) min (2.23)

32
V L1U
Trong đó q
i D;
i 1 n
Về bản chất các bài toán (2.21),(2.22),(2.23) là bài toán tối ưu hóa trên
miền kín vì trên thực tế các khớp tịnh tiến hoặc quay của robot thường có không
gian hoạt động bị giới hạn trong một phạm vi nhất định. Dấu của biến khớp thể
hiện hướng di chuyển của chuyển động, trong khi các biến đều chuyển động khứ
hồi nên các ràng buộc thường có dạng chung cho khớp tịnh tiến và quay:
lowerbound(i) qi upperbound(i) (2.24) Tập hợp ràng
buộc của n biến khớp là một miền kín. Do vế phải của hàm mục tiêu luôn
dương nên giá trị nhỏ nhất của mục tiêu là bằng không, hoặc có
giá trị vô cùng bé đủ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Phương án (q1 , q2
,..., qn ) làm cho giá trị hàm mục tiêu bằng không là phương án nghiệm vật lí,
ngược lại nếu giá trị mục tiêu L > 0, không tồn tại phương án nghiệm vật lí.
2.5.2 Phương pháp GRG giải bài toán tối ưu
Nội dung đầy đủ của thuật toán có thể tham khảo tại [3], dưới đây là nội dung
cơ bản của thuật toán.
khởi tạo
Chọn một điểm bắt đầu 0 ≥ 0 sao cho Ax = b. Để k = 0 (2.25)
Bước chính
- Hình thành B từ những cột của A tương ứng với các thành phần lớn
nhất m của .
Xác định N là các cột còn lại của A, xác định là các phần tử của tương
ứng với B, và xác định tương tự.
- Tính gradient giảm ≔ (−∇ ( ) ( )−1 + ∇ ( ) ) (2.26)
- Tính ( ) = {
−( ) nếu > 0
(2.27)
− nếu ≤ 0

33
- Tính = −( )−1 .
- Hình thànhtừvà .
- Nếu= 0, DỪNG LẠI ( là một điểm KKT)
Line search
- Tính max
min −( )
nếu ≱ 0
max = {
:(
)<0 ( )
∞nếu ≥ 0
- Thực hiện thuật toánline search
= arg min ( + ).
0≤ ≤
- Đặt +1 =+và thay k bằng k + 1.
- Lặp lại bước chính.
2.5.3 Xác định vùng đáp ứng ổn định thế
(2.28)
(2.29)
(2.30)
(2.31)
Vì tất cả các khớp loại 5 đều sẽ có giới hạn khi xét đến lý do kết cấu cơ khí,
giới hạn này được mô tả bởi (2.24), vì vậy bài toán (2.18) sẽ chỉ có nghiệm
trên một vùng nào đó hoàn toàn xác định về hình dáng và thể tích. Khi giá
chuyển động ra ngoài vùng này các yếu tố ổn định không duy trì được nữa.
Để xác định vùng này sử dụng các kỹ thuật giới thiệu ở [12].
Kết luận chương 2
Theo cấu trúc luận văn, chương 2 trình bày các vấn đề cơ sở để phân loại
bài toán, theo đó bài toán ổn định thế chia ra loại một và hai yếu tố động, đây
là căn cứ triển khai chương tiếp theo. Ở chương này tác giả cũng trình bày kỹ
thuật đổi giá khi mô hình hóa bài toán động học trong đó giá chuyển động,
bàn tay đứng yên. Trên cơ sở quy tắc DH, mô hình toán nhận được đề xuất
chuyển đổi sang dạng tối ưu. Bài toán tối ưu sau đó được đề xuất giải bằng
phương pháp GRG, theo nhận định [3], đây là kỹ thuật phù hợp để giải bài
toán này hiệu quả.

34
Dữ liệu điều khiển robot có thể đạt được thông qua tính toán trên mô
hình, cũng có thể đạt được thông qua sử dụng các cảm biến. Cơ sở đo lường
các dữ liệu này bằng cảm biến gia tốc cũng được trình bày trong chương.
Trường hợp cao hơn bài toán ổn định thế đó là khi hệ quy chiếu gắn với giá
có di động cùng lúc với hệ quy chiếu của khâu cuối cũng di động để bám đối
tượng đã khóa, bài toán điều khiển động học trở thành tổng quát và cần cập nhật
lại thế của mục tiêu. Trường hợp này giải theo [3] bình thường, thiết bị chỉ gọi là
gá ổn định thế khi mà thế của mục tiêu không thay đổi, chỉ có giá di động.
Tóm lại chương này đã chỉ ra có ba vấn đề cần quan tâm là mô hình
động học cơ cấu robot khi đổi giá như thế nào, các quỹ đạo khi đổi giá sẽ thay
đổi theo quan hệ nào. Hai là phương pháp nào giải được kiểu bài toán động
học sau khi đổi giá với cả robot chuỗi và robot song song. Ba là công cụ nào
chạy trên thuật toán của phương pháp đã chọn có thể ứng dụng thuận tiện nhất
cho mục đích này.

35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM
NGHIỆM GÁ ỔN ĐỊNH THẾ

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu cuối.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu cuối.doc

Similar to Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu cuối.doc (20)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu cuối.doc