Nghiên cứu thiết kế điều khiển tay máy cắt ống phục vụ lắp ghép kết cấu ống thép

TỔNG QUAN

Tổng quan về Robot

Robot đƣợc định nghĩa theo nhiều cách khác nhau

Theo định nghĩa của Robotics Institute of America (RIA):

“A robot (industrial robot) is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks.”

Theo quan điểm kỹ thuật:

Robots are intricate and adaptable machines that consist of a mechanical structure, sensory systems, and automatic control mechanisms The theoretical foundations of robotics stem from research in various fields, including mechanics, electronics, automatic control, mathematics, and computer science While there is no universally accepted definition of a robot, it is generally understood to be a programmed machine that mimics the actions or movements of intelligent beings To qualify as a robot, a machine must possess certain capabilities.

 Cảm nhận và lấy thông tin về môi trường chung quanh

 Có khả năng hoạt động nhƣ di chuyển hoặc điều khiển đồ vật

 Có thể lập trình lại để thực hiện các tác vụ khác nhau

 Có khả năng tự động, có thể giao tiếp với con người

2.1.2 Các thành phần của Robot:

A robotic arm is a kinematic chain made up of multiple segments connected by movable joints Key components of the robot include the manipulator, wrist, end-effector, actuators, sensors, and controller.

Trong cơ cấu, các bộ phận có chuyển động tương đối được gọi là khâu Khâu có thể là một chi tiết riêng lẻ hoặc một tập hợp các chi tiết không có chuyển động tương đối với nhau.

Khớp động trong robot là điểm tiếp xúc giữa hai khâu, bao gồm hai loại cơ bản: khớp xoay và khớp trượt Khớp xoay cho phép hai khâu thực hiện chuyển động xoay tương đối, trong khi khớp trượt cho phép chuyển động tịnh tiến giữa chúng.

Hình 2-1: Khớp xoay và khớp trượt [3]

2.1.2.3 Tay máy: Đây là thành phần chính của robot Một tay máy khi có đủ các thành phần nhƣ cổ tay, end-effector và bộ điều khiển sẽ trở thành một robot hoàn chỉnh

Hình 2-2: Thành phần tay máy với cấu hình 3 khớp xoay [3]

Cổ tay trong robot là thành phần kết nối giữa cánh tay (forearm) và bộ phận thực thi (end-effector) Trong thiết kế cổ tay robot, khớp cầu thường được sử dụng nhờ vào khả năng xoay quanh ba trục khác nhau, mang lại sự linh hoạt và chính xác cho các chuyển động.

Khớp cầu cho phép ba khớp giao nhau tại một điểm, giúp đơn giản hóa việc phân tích động học của robot bằng cách tách biệt vị trí và hướng của end-effector Trong hệ thống này, vị trí của end-effector được xác định bởi tay máy, trong khi hướng của nó do cổ tay quyết định Cổ tay với khớp cầu có thể có ba bậc tự do, nhưng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, có thể thiết kế cổ tay với một, hai hoặc ba bậc tự do.

Hình 2-3: Thành phần cổ tay robot với thiết kế khớp cầu [3]

Cơ cấu tác động được coi là "cơ bắp" của robot, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng để robot có thể di chuyển Các loại cơ cấu tác động này có thể bao gồm động cơ điện, hệ thống thủy lực hoặc khí nén.

Cảm biến là thành phần quan trọng trong việc thu thập dữ liệu về trạng thái nội bộ và các biến môi trường xung quanh Đối với robot, các thông số như vị trí, vận tốc, gia tốc và lực là những yếu tố cần thiết được theo dõi Thông tin từ cảm biến sẽ được gửi đến bộ điều khiển, giúp xác định cấu hình của robot tại từng thời điểm Trong số các loại cảm biến, encoder là loại thường được sử dụng nhất.

Bộ điều khiển có nhiệm vụ:

 Thu thập và phân tích các dữ liệu cảm biến

 Đƣa ra quyết định cho chuyển động của robot

 Giao tiếp với người dùng

2.1.3 Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp:

Robot hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, với các ứng dụng ban đầu chủ yếu tập trung vào việc gắp đặt vật liệu, phun sơn và hàn điểm Ngày nay, robot không chỉ được chế tạo cho các công việc hàn và sơn mà còn tham gia vào các lĩnh vực như chất và dỡ hàng, lắp ráp, đóng gói và sắp xếp.

Hình 2-4: Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp.

Tổng quan về robot đƣợc khảo sát trong luận văn

Robot được khảo sát trong luận văn có cấu hình 5 bậc tự do với 5 khớp xoay Tay máy được thiết kế với 3 bậc tự do, trong khi cổ tay có 2 bậc tự do Với cấu hình này, robot gặp hạn chế trong việc điều khiển hướng của end-effector.

Hình 2-5: Robot được khảo sát

Robot sử dụng động cơ điện DC servo của hãng HarmonicDrive, trang bị encoder với độ phân giải 200 xung/vòng Động cơ được tích hợp hộp số Harmonic, đảm bảo độ chính xác cao và tăng moment cấp cho tải Thông tin chi tiết được trình bày trong bảng 2-1 của datasheet động cơ.

Bảng 2-1: Thông số của các khớp

Khớp Tỉ số truyền hộp số Harmonic

Tỉ số truyền bộ truyền ngoài (bánh răng) Độ phân giải của encoder (xung/vòng)

Robot được thiết kế lại trên phần mềm SolidWorks nhằm đo lường và tính toán các kích thước động học, khối lượng và moment quán tính của các khâu Những số liệu này rất quan trọng trong quá trình tính toán động học và mô phỏng động lực học cho robot.

Hình 2-6: Robot được vẽ lại trên phần mềm SolidWorks.

Tổng quan về một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài

Kể từ những năm 1960, robot đã có sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật và công nghiệp, khiến cho chủ đề về robot trở nên quen thuộc Nhiều kỹ thuật và phương pháp đã được phát triển nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến động học và động lực học, đồng thời tiến tới việc điều khiển robot theo quỹ đạo một cách hiệu quả.

2.3.1 Bài toán động học thuận: Ý nghĩa của bài toán động học thuận nhằm tìm ra vị trị và hướng của mọi khâu và end-effector khi biết các biến khớp Với khớp xoay, biến khớp là giá trị của góc xoay Với khớp tịnh tiến, biến khớp là độ dịch chuyển tịnh tiến

Năm 1955, phương pháp DH (Denavit–Hartenberg) được Jacques Denavit and Richard Hartenberg giới thiệu nhằm chuẩn hóa việc mô tả cấu hình của robot

[4] Năm 1981, Richard Paul đã chứng minh lợi ích và hiệu quả của phương pháp

Phương pháp Denavit-Hartenberg (DH) đã trở thành chuẩn mực trong phân tích động học của robot công nghiệp, mặc dù trước đó có nhiều phương pháp khác đã được phát triển Nhờ vào phương pháp này, bài toán động học thuận được giải quyết một cách dễ dàng và có hệ thống.

Hình 2-7: Định nghĩa các thông số DH a i , i , ,d i  i cho khớp và khâu thứ i [3]

2.3.2 Bài toán động học ngƣợc: Ý nghĩa của bài toán động học ngƣợc nhằm tìm ra giá trị các biến khớp khi biết vị trí và hướng của end-effector Đối với bài toán này, hai kỹ thuật được sử dụng phổ biến đó là decoupling ( tách ) và iterative ( lặp )

Kỹ thuật decoupling yêu cầu kỹ năng và hiểu biết sâu sắc của kỹ sư về robot cần khảo sát Một trong những phương pháp phổ biến là tách bài toán động học ngược thành hai bài toán nhỏ: động học ngược vị trí và động học ngược hướng Tuy nhiên, để giải quyết bài toán này, kỹ sư cần áp dụng kiến thức về hình học và đại số, tùy thuộc vào cấu hình cụ thể của robot.

Kỹ thuật iterative sử dụng nhiều phép tính lặp để giảm thiểu sai số giữa "vị trí và hướng của end-effector" mong muốn và kết quả tính toán Bằng cách điều chỉnh giá trị của các biến khớp, sai số được tối ưu hóa, và giá trị các biến khớp trở thành nghiệm của bài toán Phương pháp phổ biến để tối thiểu hóa sai số là Newton-Raphson Do số lượng phép tính lớn, kỹ thuật này thường được thực hiện trên máy tính để giải quyết bài toán động học ngược cho robot Ngoài ra, một số phương pháp mới còn áp dụng mạng neural network để tìm ra giải pháp nhanh hơn, phù hợp với ứng dụng thời gian thực.

2.3.3 Bài toán động lực học: Ý nghĩa của bài toán động lực học nhằm tìm ra phương trình hoặc hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của robot Thông qua bài toán động lực học ta có thể hiểu đƣợc các loại lực khác nhau (lực phát động, lực ma sát, lực quán tính…) gây ảnh hưởng lên chuyển động của robot như thế nào Chính vì thế, bài toán động lực học là bước đệm khá quan trọng để giải quyết bài toán điều khiển

Có hai phương pháp chính để giải bài toán động lực học của robot: phương pháp Newton-Euler và phương pháp Lagrange Cả hai phương pháp này đều nhằm mục đích tìm ra phương trình vi phân mô tả chuyển động của robot.

, , : q q q là lần lƣợt là vecto vị trí, vận tốc và gia tốc của của các khớp

M: là ma trận quán tính

C: là ma trận Coriolis và hướng tâm

Với biểu thức (2.1), khi có vị trí, vận tốc và gia tốc, ta sẽ tính đƣợc lực hoặc moment cần thiết để điều khiển robot và ngƣợc lại

Phương pháp Lagrange là một kỹ thuật hệ thống giúp xây dựng các phương trình vi phân mô tả chuyển động Tuy nhiên, phương pháp này không thể hiện rõ mối quan hệ tương tác giữa các lực tại các khớp.

Phương pháp Newton-Euler cho phép tính toán lực tại từng khớp trong một thời điểm cụ thể Bắt đầu từ giá đến end-effector, chúng ta phân tích vận tốc và gia tốc của từng khớp để xác định vận tốc và gia tốc của từng khâu Sau đó, từ end-effector trở về giá, chúng ta tính toán lực và moment trên mỗi khâu, từ đó xác định moment tại các khớp.

Việc xác định chính xác phương trình vi phân mô tả chuyển động cho các cơ cấu có bậc tự do lớn hơn 3 là một thách thức, thường đòi hỏi sự hỗ trợ từ máy tính để tính toán đạo hàm do độ phức tạp của các phương trình Trong lĩnh vực mô phỏng tính toán, thuật toán đệ quy Newton-Euler đã chứng tỏ hiệu quả hơn so với phương pháp Lagrange Năm 1982, Walker và Orin đã phân tích và đánh giá bốn trong số những phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực này.

2.3.4 Bài toán điều khiển: Ý nghĩa của bài toán điều khiển nhằm giải quyết vấn đề di chuyển end- effector từ điểm A đến điểm B cho trước Nếu chỉ quan tâm đến điều khiển vị trí thì bài toán trở nên khá đơn giản Tuy nhiên để di chuyển của robot đƣợc êm mƣợt, liên tục, ngoài vị trí thì vận tốc và có thể bao gồm gia tốc là vấn đề cần quan tâm Lúc này, bài toán quĩ đạo chuyển động từ điểm A đến B đƣợc đặt ra

Có hai phương pháp tiếp cận để nghiên cứu quỹ đạo chuyển động: chuyển động thẳng trong không gian khớp và chuyển động thẳng trong không gian Descartes.

Chuyển động thẳng trong không gian khớp liên quan đến quỹ đạo của từng khớp khi end-effector di chuyển từ điểm A đến B Chúng ta coi chuyển động của khớp trong hệ tọa độ tự nhiên như chuyển động thẳng với quãng đường, vận tốc và gia tốc tương ứng Quỹ đạo của end-effector hoàn toàn phụ thuộc vào quỹ đạo của các khớp Ứng dụng của chuyển động này rất đa dạng, bao gồm các ứng dụng gắp (pick and place) và hàn điểm (spot welding).

Chuyển động thẳng trong không gian Descartes tập trung vào quỹ đạo của end-effector khi di chuyển từ điểm A đến B, với quỹ đạo này được biểu diễn bằng đường thẳng trong hệ tọa độ Descartes Trong hệ tọa độ tự nhiên, chuyển động của end-effector được xem như chuyển động thẳng với quãng đường, vận tốc và gia tốc tương ứng Từ quỹ đạo của end-effector, ta có thể tính toán quỹ đạo của các khớp Ứng dụng của chuyển động này bao gồm các lĩnh vực như sơn và hàn cung (arc welding).

Các vấn đề cần tập trung giải quyết của đề tài

 Đề tài tập trung vào việc khảo sát mô hình động học thuận và động học ngƣợc robot 5 bậc tự do

 Khảo sát động lực học nhằm mục đích mô phỏng hệ thống trong bài toán điều khiển

 Xây dựng bộ điều khiển tracking quĩ đạo cho robot

 Xây dựng phương án ứng dụng cắt ống nhằm phục vụ lắp ghép (hàn) kết cấu ống thép

ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ

Tính bậc tự do của cơ cấu

Trong cơ cấu hoạt động, λ đại diện cho số bậc tự do của không gian, n là tổng số khâu bao gồm cả khâu có định, j là tổng số khớp, và f i là số chuyển động tương đối cho phép bởi khớp i Khi áp dụng vào robot, ta có các giá trị cụ thể: λ = 6, n = 6, j = 5, và f i = 1 cho tất cả các khớp (với tổng cộng 5 khớp).

 Từ đó ta có số bậc tự do của robot là: ( ) ∑ ( )

3.2 ài toán động học thuận vị trí:

Hình 3-2: Robot được vẽ lại trong SolidWorks

Hình 3-3: Gắn hệ tọa độ cho tay máy trong SolidWorks

Hình 3-4: Gắn hệ toạ độ cho tay máy

Các ma trận chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ :

1 2 cos sin 0 *cos sin cos 0 *sin

3 cos sin 0 *cos sin cos 0 *sin

4 cos 0 sin *cos sin 0 cos *sin

Ma trận chuyển đổi 0 T i biểu diễn hướng và vị trí của hệ tọa độ thứ i trong hệ tọa độ gốc 0 và đƣợc tính theo công thức:

Khi i=3 ta đƣợc ma trận:

3 2 3 2 3 3 2 2 2 1 cos cos( ) cos sin( ) sin cos ( cos( ) cos ) sin cos( ) sin sin( ) cos sin ( cos( ) cos ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin

Khi i=4 ta đƣợc ma trận:

1 4 4 3 2 3 cos cos( ) sin cos sin( ) sin cos( ) cos sin sin( ) sin( ) 0 cos( )

0 0 0 cos ( cos( ) cos( ) cos ) sin sin ( cos( ) c

4 4 3 2 3 3 2 2 2 1 os( ) cos ) cos sin( ) sin( ) sin

Khi i=5 ta được ma trận 0 T 5 biểu diễn hướng và vị trí khâu cuối của tay máy:

1 sin sin cos cos( ) cos (cos cos( ) sin sin cos )

(cos sin sin cos( ) cos ) (sin cos( ) sin cos cos ) sin( ) cos sin( ) sin

4 3 2 4 4 3 2 5 in( ) cos ( sin( ) cos( ) cos( ) cos ) sin sin sin( ) sin ( sin( ) cos( ) cos( ) cos ) cos cos( ) sin( ) cos(

3.3 ài toán động học ngƣợc vị trí:

Phương pháp decoupling được áp dụng để tính toán động học ngược vị trí cho tay máy 5 bậc tự do Với 4 nghiệm cho 3 khớp đầu, mỗi nghiệm này sẽ cho phép tính toán 1 nghiệm cho 2 khớp cuối Do đó, tổng số nghiệm của bài toán là 4.

Từ hướng và vị trí khâu cuối (3.5), ta cần xác định được giá trị góc của các khớp

Từ vector vị trí của 0 T 5 trong (3.4) ta có:

Từ hình (3.2), ta có x 4là tích có hướng của z 3 và z 5 :

Như vậy ta có thể tính được vị trí của điểm P 3 , tương ứng với vector vị trí p 3 của 0 T 3 :

Hình 3-5: Định nghĩa các tư thế của tay máy

Dựa vào hình trên, ta thấy rằng, ứng với mỗi vị trí P, sẽ có 4 cặp nghiệm )

( 1  2  3 Cụ thể là có 2 nghiệm  1 ứng với 2 trạng thái LEFT, RIGHT và từ mỗi

),,( 1  2  3 giá trị  1 , ta có đƣợc 2 cặp giá trị ( 2 , 3 ) ứng với 2 trạng thái ABOVE, BELOW Bây giờ ta sẽ tìm 4 cặp nghiệm này

  ứng với trạng thái RIGHT

  ứng với trạng thái LEFT

Từ (3.2), ta có phương trình:

3 3 2 2 2 3 1 3 1 2 sin( ) sin cos( ) cos cos sin z x y l l p l K l l p p K

Từ 2 phương trình trên, bình phương 2 vế, khử (  3  2 ), ta được:

Nhận xét: Trong (3.16) nghiệm dưới lớn hơn nghiệm trên

Nghiệm trên và dưới của (3.16) lần lượt ứng với trạng thái (RIGHT, BELOW) và (RIGHT, ABOVE) l 1 l 2 l 3 θ 2 θ 3

Hình 3-6: Tính  2 cho tư thế RIGHT-ABOVE.

Nghiệm trên và dưới của (3.16) lần lượt ứng với trạng thái (LEFT, ABOVE) và (LEFT, BELOW) l 1 l 2 l 3 θ 2 θ 3

Hình 3-7: Tính  2 cho tư thế LEFT-ABOVE

Từ các giá trị góc khớp ( 1 , 2 , 3 ), ta có đƣợc 0 T 3 Để tính (  4 , 5 ) ta tìm 3 T 5 hoặc 3 R 5

31 32 33 cos cos cos sin sin

sin cos sin sin cos sin cos 0

Bài toán động học ngƣợc vị trí

Như vậy ta có thể tính được vị trí của điểm P 3 , tương ứng với vector vị trí p 3 của 0 T 3 :

Hình 3-5: Định nghĩa các tư thế của tay máy

Dựa vào hình trên, ta thấy rằng, ứng với mỗi vị trí P, sẽ có 4 cặp nghiệm )

( 1  2  3 Cụ thể là có 2 nghiệm  1 ứng với 2 trạng thái LEFT, RIGHT và từ mỗi

),,( 1  2  3 giá trị  1 , ta có đƣợc 2 cặp giá trị ( 2 , 3 ) ứng với 2 trạng thái ABOVE, BELOW Bây giờ ta sẽ tìm 4 cặp nghiệm này

  ứng với trạng thái RIGHT

  ứng với trạng thái LEFT

Từ (3.2), ta có phương trình:

3 3 2 2 2 3 1 3 1 2 sin( ) sin cos( ) cos cos sin z x y l l p l K l l p p K

Từ 2 phương trình trên, bình phương 2 vế, khử (  3  2 ), ta được:

Nhận xét: Trong (3.16) nghiệm dưới lớn hơn nghiệm trên

Nghiệm trên và dưới của (3.16) lần lượt ứng với trạng thái (RIGHT, BELOW) và (RIGHT, ABOVE) l 1 l 2 l 3 θ 2 θ 3

Hình 3-6: Tính  2 cho tư thế RIGHT-ABOVE.

Nghiệm trên và dưới của (3.16) lần lượt ứng với trạng thái (LEFT, ABOVE) và (LEFT, BELOW) l 1 l 2 l 3 θ 2 θ 3

Hình 3-7: Tính  2 cho tư thế LEFT-ABOVE

Từ các giá trị góc khớp ( 1 , 2 , 3 ), ta có đƣợc 0 T 3 Để tính (  4 , 5 ) ta tìm 3 T 5 hoặc 3 R 5

31 32 33 cos cos cos sin sin

sin cos sin sin cos sin cos 0

ĐỘNG LỰC HỌC

Tính động lực học theo phương pháp Lagrange

Phương pháp Lagrange có thể được sử dụng để tìm phương trình vi phân mô tả chuyển động của robot theo các bước sau

Hình 4-1: Khâu i và các vector thuộc tính động học [3]

Vector vị trí của khối tâm khâu i trong hệ tọa độ i được ký hiệu là i r i Sử dụng phần mềm SolidWorks, người dùng có thể dễ dàng xác định vị trí của khối tâm cho mỗi khâu, như thể hiện trong hình 4-2 Vị trí khối tâm i trong hệ tọa độ 0 cũng được xác định rõ ràng.

Với 0 T 1 , 0 T 2 , 0 T 3 , 0 T 4 , 0 T 5 là ma trận chuyển đổi từ hệ trục tọa độ 1, 2, 3, 4, 5 về hệ tọa độ 0 đã được tính trong chương 3

Vận tốc của khối tâm C i của khâu i trong hệ tọa độ 0, kí hiệu 0 v i đƣợc tính nhƣ sau:

Gọi i  1 0  i là vận tốc góc của khâu i trong hệ tọa độ (i-1), đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ 0, ta có:

Với zˆ 0 , zˆ 1 , zˆ 2 , zˆ 3 , zˆ 4 là các trục xoay khớp 1, 2, 3, 4, 5

Gọi 0  i là vận tốc góc của khâu i trong hệ tọa độ 0, đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ 0, ta có:

Ma trận moment quán tính của khâu i trong hệ tọa độ i được ký hiệu là I_i và có thể được biểu diễn bằng công thức 0ω5 = 0ω1 + 1ω2 + 2ω3 + 3ω4 + 4ω5 = θ1 0 ẑ + θ2 1 ẑ + θ3 2 ẑ + θ4 3 ẑ + θ5 4 ẑ Sử dụng phần mềm SolidWorks, như được minh họa trong hình 4-2, chúng ta có thể dễ dàng thu thập ma trận moment quán tính này, bao gồm các thành phần i_xx, i_xy, i_xz, i_yy, i_yz, và i_zz.

Ma trận moment quán tính 0 I i của khâu i trong hệ tọa độ 0 đƣợc tính nhƣ sau:

Bỏ qua các loại lực ma sát, ta có biểu thức động năng của robot:

Biểu thức thế năng của robot ( bỏ qua các loại lực ma sát ):

L K V (4.29) Áp ụng biểu thức Lagrange, ta có:

Với Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 và Q 5 lần lƣợt là moment phát động tại các khớp 1, 2, 3,4 và 5

Từ (4.30), (4.31), (4.32), (4.33), (4.34), ta có được phương trình vi phân mô tả chuyển động:

Hình 4-2: Thông số vị trí khối tâm, ma trận moment quán tính trong SolidWorks.

Mô phỏng động lực học

Việc xác định biểu thức (4.35) cho các robot có bậc tự do lớn hơn 3 là một thách thức lớn do hình dạng không đối xứng của các khâu Vị trí của khối tâm và ma trận moment quán tính phụ thuộc vào hình dáng của khâu, làm cho việc tính đạo hàm cho hàm Lagrange trở nên phức tạp Do đó, các phương pháp tính động lực học trên máy tính đã được phát triển, trong đó thuật toán đệ quy Newton được sử dụng trong mô phỏng tính toán.

Euler được áp dụng hiệu quả trong nghiên cứu động lực học robot Walker và Orin đã phân tích bốn phương pháp hiệu quả nhất vào năm 1982 Luận văn này sử dụng kết quả từ nghiên cứu của họ cùng với Robotics Toolbox for Matlab của Peter Corke để tính toán động lực học Để mô phỏng động lực học, các thông số của các khâu cần được khảo sát và đưa vào Robotics Toolbox Dưới đây là bảng các thông số cần thiết cho mô phỏng động lực học robot.

Bảng 4-1: Các thông số cần để thiết để mô phỏng động lực học

Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 Khâu 4 Khâu 5

Các thành phần của ma trận moment quán tính khâu i

Vị trí của khối tâm khâu i trong hệ tọa độ i r x

Moment quán tính động cơ

Hệ số ma sát nhớt khớp i:

Ma sát Coulomb hay ma sát nghỉ ( gram*mm 2 /s 2 )

To calculate the driving moment Q when the position θ, velocity θ, and acceleration θ are known, the SerialLink.rne function from the Robotics Toolbox for Matlab can be utilized Conversely, to determine the acceleration θ, velocity θ, and position θ based on the known driving moment Q, the SerialLink.accel function is employed.

Giả sử tại thời điểm ban đầu, các biến khớp vị trí có giá trị là 0 (rad), vận tốc

0 (rad/s), gia tốc 0 (rad/s 2 ) Moment phát động tại các khớp cũng đồng thời bằng 0 (N.m) trong suốt quá trình chuyển động nhƣ hình 4-3

Hình 4-3: Sơ đồ mô phỏng chuyển động robot dưới tác dụng trọng lực

Ta có đồ thị thể hiện chuyển động của robot dưới tác dụng của trọng lực trong 1 giây

Hình 4-4: Vị trí và vận tốc của khớp 1

Hình 4-6: Vị trí và vận tốc khớp 3

Hình 4-9: Vị trí của end-effector

Nhận xét: mô phỏng chuyển động của robot dưới tác dụng của trọng lực phù hợp với thực tế.

ĐIỀU KHIỂN

Hoạch định quĩ đạo chuyển động

Trong chương tổng quan, chúng ta đã tìm hiểu về hai loại đường phổ biến được sử dụng trong hoạch định quỹ đạo chuyển động, bao gồm đường đa thức bậc 5 và đường hình thang.

Xét chuyển động trong hệ tọa độ tự nhiên có điều kiện biên nhƣ sau:

Bảng 5-1: Điều kiện biên tại thời điểm t=0 và t=T

Nếu sử dụng đường đa thức bậc 5, ta có hoạch định quĩ đạo như đồ thị

Hình 5-1: Quĩ đạo đường đa thức bậc 5

Với vận tốc ban đầu khác 0, việc hoạch định quỹ đạo theo đường đa thức bậc 5 có thể dẫn đến sự vọt lố quãng đường s, trong đó vận tốc s có giá trị âm, biểu thị cho chuyển động ngược chiều dương, điều này là chuyển động không mong muốn.

Vận tốc trung bình của robot chỉ đạt 52% so với giá trị đỉnh, trong khi chuyển động của robot được đánh giá tốt hơn khi thời gian di chuyển với vận tốc đỉnh càng cao.

Vì các lí do trên, người nghiên cứu chọn đường hình thang trong hoạch định quĩ đạo Đây cũng là phương án được sử dụng phổ trong công nghiệp

Hình 5-2: Quĩ đạo đường hình thang

Nhận xét: đường hình thang khắc phục được các nhược điểm của đường đa thức bậc 5.

Vấn đề điều khiển

Trong bài viết này, chúng tôi đã trình bày hai phương pháp tiếp cận cho vấn đề điều khiển: phương pháp điều khiển khớp độc lập và phương pháp điều khiển dựa trên mô hình đối tượng Phương pháp khớp độc lập có ưu điểm là đơn giản và dễ áp dụng vào thực tế, mặc dù độ chính xác không cao bằng phương pháp dựa trên mô hình Nhận thấy đề tài còn ở giai đoạn phát triển ban đầu, nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp điều khiển khớp độc lập để thuận tiện cho việc ứng dụng thực tiễn.

Phương pháp này coi mỗi khớp như một hệ thống độc lập để điều khiển theo quỹ đạo đã định trước Thông thường, có hai vòng điều khiển: vòng điều khiển vận tốc và vòng điều khiển vị trí Luật điều khiển áp dụng là PID (controller tỉ lệ - tích phân - vi phân).

5.2.1 Vòng điều khiển vận tốc:

Với: Q: moment phát động tại khớp

K p , K i , K d : các hệ số bộ điều khiển PID qd ref : vận tốc góc cần đạt đƣợc của khớp qd: vận tốc góc đo đƣợc

Hình 5-3: Sơ đồ vòng điều khiển vận tốc

Bảng 5-2: Hệ số Kp, Ki, Kd vòng điều khiển vận tốc

Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 Khâu 4 Khâu 5

Với vận tốc cần đạt đƣợc dạng hàm sin v30sin(t) (degree/ s), ta có được đáp ứng của các khớp trong trường hợp không có ma sát

Hình 5-4: Đáp ứng của khớp 1 khi không có ma sát

Hình 5-9: Sai số vận tốc các khớp khi không có ma sát

Trong trường hợp có tính đến ma sát, ta có đáp ứng của các khớp

Hình 5-10: Đáp ứng khớp 1 khi có ma sát

Hình 5-15: Đồ thị moment của các khớp

Hình 5-16: Sai số vận tốc các khớp khi có ma sát

 Khi chiều vận tốc thay đổi, lực ma sát cũng đổi chiều gây ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống

Sai số vận tốc các khớp đạt giá trị lớn nhất khi vận tốc đổi chiều, trong khi ở các khoảng thời gian khác, sai số chỉ khoảng 0.2 độ.

5.2.2 Vòng điều khiển vị trí:

Với: qd*: vận tốc góc cần đạt đƣợc, là input cho vòng điều khiển vận tốc

Hệ số khuếch đại (Kp) được sử dụng để điều chỉnh vị trí góc đo được (q) đến vị trí góc cần đạt được (q ref), được xác định từ quỹ đạo chuyển động Đồng thời, vận tốc góc cần đạt được (qd ref) cũng được lấy từ quỹ đạo chuyển động, trong khi vận tốc góc đo được là (q).

Hình 5-17: Sơ đồ bộ điều khiển tracking quĩ đạo

5.2.3 Tracking quĩ đạo trong không gian khớp:

Tại thời điểm ban đầu, robot có vị trí các góc khớp qA=[0 0 0 0 0] và đứng yên Đến thời điểm cuối, robot vẫn đứng yên với vị trí các góc khớp qB=[-30 20 30 70 90] Vận tốc của robot được tính bằng độ/s, cho thấy sự thay đổi trong các góc khớp trong quá trình hoạt động.

Chọn: V 1 =[0 -50 0], trong đó: 0 là vận tốc tại thời điểm đầu; -50 là vận tốc đỉnh; 0 là vận tốc tại thời điểm cuối Tương tự ta có:

Ta đã xác định quỹ đạo chuyển động của khớp bằng phương pháp đường hình thang Đáp ứng của hệ thống được thể hiện qua các đồ thị dưới đây.

Hình 5-18: Đáp ứng khớp 1 trong tracking quĩ đạo khớp

Với  là vị trí góc,  là vận tốc góc Ta có nhận xét về quĩ đạo nhƣ sau:

- Vận tốc từ 0, giảm theo đường tuyến tính xuống -50 và giữ trong 0.2(s) Sau đó, vận tốc tăng theo đường tuyến tính về 0

Tại thời điểm đầu, vị trí là 0 và giảm xuống -30 ở thời điểm cuối Đồ thị vị trí thể hiện hình dạng parabol khi có sự tăng hoặc giảm vận tốc, trong khi đó, khi vận tốc đều, đồ thị vị trí sẽ là một đoạn thẳng.

- Vận tốc từ 0, tăng theo đường tuyến tính lên 40 Sau đó, vận tốc giảm theo đường tuyến tính về 0

- Vị trí tại thời điểm đầu là 0 và tăng lên 20 tại thời điểm cuối

- Vận tốc từ 0, tăng theo đường tuyến tính lên 50 và giữ nguyên trong một khoảng thời gian Sau đó, vận tốc giảm theo đường tuyến tính về 0

Hình 5-23: Sai số vị trí khớp trong tracking quĩ đạo khớp

Sai số vị trí ở mức khá nhỏ, với sai số tối đa khoảng 0.035 độ (tương đương 6.1e-4 rad) gần thời điểm bắt đầu chuyển động Trong khoảng thời gian tiếp theo, sai số này giảm đáng kể, giữ giá trị ở mức thấp hơn nhiều.

Hình 5-24: Sai số vận tốc khớp trong tracking quĩ đạo khớp

Sai số vận tốc ban đầu là khá nhỏ, với sai số tối đa khoảng 3.6 độ (0.0628 rad/s) Trong thời gian tiếp theo, sai số này giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 0.5 độ (0.0087 rad/s).

Các đồ thị dưới đây cho ta cái nhìn tổng quan về chuyển động của end- effector trong không gian khi thực hiện tracking theo quĩ đạo khớp

Hình 5-25: Vị trí end-effector trong tracking quĩ đạo khớp

Hình 5-26: Hướng của end-effector (roll-pitch-yaw) trong tracking quĩ đạo khớp

Hình 5-27: Quĩ đạo của end-effector khi chiếu lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Oxz

- Quĩ đạo của end-effector khi di chuyển từ điểm A đến điểm B là đường cong bất kì và phụ thuộc vào quĩ đạo của từng khớp

- End-effector có di chuyển khá mƣợt và liên tục trong không gian

5.2.4 Tracking quĩ đạo trong không gian Descartes:

Trong không gian Descartes, quỹ đạo gồm 4 điểm A, B, C, D, với hành trình hiệu quả của end-effector chỉ diễn ra trên đoạn BC, yêu cầu vận tốc ổn định 50 mm/s Trên đoạn AB, end-effector tăng tốc từ 0 mm/s lên vận tốc tối đa 150 mm/s nhằm tiết kiệm thời gian Tương tự, trên đoạn CD, end-effector cũng di chuyển với vận tốc tối đa 150 mm/s trước khi giảm tốc về 0 mm/s.

Tại thời điểm ban đầu t0, vị trí và hướng của end-effector tương ứng với với vị trí các góc khớp q A =[0 0 0 0 0]:

Vị trí và hướng của end-effector tại thời điểm t1:

Ta có hoạch định quĩ đạo của end-effector trong hệ tọa độ tự nhiên nhƣ hình

5-28, với s_ref là quãng đường, sd_ref là vận tốc và sdd_ref là gia tốc end-effector

Bằng cách hoạch định quỹ đạo trong hệ tọa độ tự nhiên, ta có thể xác định quỹ đạo của end-effector trong hệ tọa độ Descartes cùng với quỹ đạo của các khớp Robot được điều khiển theo phương pháp tracking, theo quỹ đạo của các khớp này.

Hình 5-28: Hoạch định quĩ đạo của end-effector trong hệ tọa độ tự nhiên

Chọn cấu hình RIGHT-ABOVE cho động học ngƣợc vị trí Ta có đáp ứng của hệ thống nhƣ các đồ thị sau:

Hình 5-29: Đáp ứng của end-effector trong hệ tọa độ tự nhiên

Hình 5-30: Đáp ứng khớp 1 trong tracking quĩ đạo Descartes

Hình 5-35: Sai số vị trí khớp trong tracking quĩ đạo Descartes

Trong các hình 5-31, 5-32, và 5-33, chúng ta nhận thấy rằng vận tốc khớp yêu cầu ban đầu không tăng liên tục từ 0 mà có sự nhảy vọt lên một giá trị nhất định Điều này dẫn đến việc vận tốc đáp ứng tăng quá mức, gây ra sai số cao tại thời điểm khởi động.

- Sai số vị trí khớp khá nhỏ trong đoạn BC, sai số tối đa khoảng 0.035 độ 6.1e-4 rad

Hình 5-36: Sai số vận tốc khớp trong tracking quĩ đạo Descartes

Trong đoạn BC, sai số vận tốc khớp rất nhỏ, với sai số tối đa khoảng 3.0 độ/s (tương đương 0.0523 rad/s) gần thời điểm vận tốc thay đổi chiều Trong khoảng thời gian còn lại, sai số giảm đáng kể, chỉ còn khoảng 0.5 độ/s (khoảng 0.0087 rad/s).

Hình 5-37: Vị trí end-effector trong tracking quĩ đạo Descartes

Hình 5-38: Hướng của end-effector (roll-pitch-yaw) trong tracking quĩ đạo

Hình 5-39: Quĩ đạo của end-effector khi chiếu lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Oxz

Hình 5-40: Sai số vị trí của end-effector

Trong đoạn BC, sai số vị trí của end-effector tối đa chỉ khoảng 0.07 mm Nếu không tính đoạn khởi tạo ban đầu, sai số lớn nhất trong toàn bộ quá trình di chuyển đạt 0.25 mm.

Hình 5-41: Sai số về hướng của end-effector

- Trong cả quá trình di chuyển, sai số về hướng của end-effector tối đa khoảng 0.6 độ  0.01 rad

Hình 5-42: Sai số vận tốc của end-effector

Trong đoạn BC, sai số vận tốc của end-effector rất nhỏ, với sai số lớn nhất chỉ khoảng 1 mm/s Trong suốt quá trình di chuyển, ngoại trừ giai đoạn khởi tạo ban đầu, sai số lớn nhất đạt 5 mm/s.

Hình 5-43: Đồ thị moment của các khớp trong tracking quĩ đạo Descartes.

ỨNG DỤNG CẮT ỐNG PHỤC VỤ CHO VIỆC LẮP GHÉP KẾT CẤU ỐNG THÉP

Vấn đề tiếp xúc mặt tại vị trí hàn

Để đơn giản hóa, chúng ta xem xét hai ống kim loại có bán kính ngoài R mm và độ dày 2 mm Hai ống này được hàn lại với nhau theo phương vuông góc, như minh họa trong hình 6-1 Trục của cả hai ống đều nằm trong mặt phẳng ngang (mặt phẳng TOP).

Hình 6-1: Hai ống kim loại cùng đường kính được hàn theo phương vuông góc

Có nhiều giải pháp để cắt hai ống sao cho tại vị trí hàn, chúng tiếp xúc mặt với nhau Tuy nhiên, giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất là đảm bảo mặt tiếp xúc giữa hai ống kim loại vuông góc với mặt phẳng nằm ngang (mặt phẳng TOP).

Hình 6-2: a Hình chiếu đứng; b Các mặt tiếp xúc T1_P1, T1_P2, T2_P1, T2_P2 vuông góc với mặt phẳng nằm ngang

Phương án này áp dụng cho trường hợp hai ống có bán kính R1 ≥ R2 được lắp ghép (hàn) với nhau theo phương tạo một góc α Trong tình huống này, mặt tiếp xúc giữa hai ống là mặt cong vuông góc với mặt phẳng ngang.

Hình 6-3: Trường hợp hai ống R 1  R 2 hợp với nhau góc 

Vấn đề mặt tiếp xúc tại vị trí hàn đã được giải quyết, tuy nhiên, cần xác định quỹ tích giao điểm của hai mặt trụ có bán kính R1 và R2, tức là quỹ đạo của end-effector.

Quĩ đạo end-effector cắt ống R 1

Xét 2 ống có bán kính R 1 R 2 : trong hệ tọa độ CS_R1 gắn với ống R 1 , phương trình hình trụ tròn xoay R 1 được cho bởi:

Hình 6-4: Hình trụ R 1 trong hệ tọa độ CS_R1

Trong hệ tọa độ CS_R2 gắn với ống R 2 ( CS_R1 và CS_R2 có cùng gốc tọa độ ), phương trình hình trụ tròn R2 được cho bởi:

Hình 6-5: Hình trụ R 2 trong hệ tọa độ CS_R2

Trong hệ tọa độ vật CS_RB trùng với CS_R1, phương trình hình trụ tròn R1 đƣợc cho bởi:

Nhận xét: khi xoay CS_RB một góc  quanh trục Z B ta đƣợc CS_R2 Cho nên ta có:

Thay (6.4) vào (6.2), ta có phương trình hình trụ tròn R 2 trong hệ tọa độ CS_RB:

(x B cosy B sin ) z B R 2 (6.5) Nhƣ vậy, ta có quĩ tích giao điểm của 2 mặt trụ đƣợc cho bởi hệ:

Hình 6-6: Quĩ tích giao điểm của ống R 1 và R 2 trên ống R 1 a Nửa trên và nửa dưới mặt phẳng YZ; b Nửa trên và nửa dưới của mặt phẳng XY

- Với x B  R 1 2 z B 2 , ta có quĩ tích giao điểm thuộc phần trên của mặt phẳng

YZ trong hệ tọa độ CS_RB

- Với x B   R 1 2 z B 2 , ta có quĩ tích giao điểm thuộc phần dưới của mặt phẳng YZ trong hệ tọa độ CS_RB

- Với 0  , ta có quĩ tích giao điểm thuộc phần trên của mặt phẳng XY (mặt phẳng ngang hay mặt phẳng TOP) trong hệ tọa độ CS_RB

Trong khoảng   2, quĩ tích giao điểm nằm trong phần dưới của mặt phẳng XY (mặt phẳng ngang hay mặt phẳng TOP) trong hệ tọa độ CS_RB Để tích hợp hệ tọa độ CS_RB vào hệ tọa độ robot CS0, cần đảm bảo rằng hướng của CS_RB trùng với hướng của CS0 Vị trí gốc tọa độ của CS_RB trong hệ tọa độ CS0 được xác định cụ thể.

Hình 6-7: Đặt ống R 1 vào hệ tọa độ CS0 của robot

Nhƣ vậy hệ (6.8) đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ CS0 nhƣ sau:

(6.9) Để di chuyển của end-effector đƣợc dễ dàng, chọn nghiệm

1 ( 2sin ) xx P  R  R  Ta có (6.9) trở thành:

Để đảm bảo yêu cầu mặt tiếp xúc giữa hai ống tại vị trí hàn vuông góc với mặt phẳng ngang, end-effector cần phải luôn duy trì góc vuông với mặt phẳng ngang trong quá trình thực hiện chuyển động cắt.

Trong hệ tọa độ CS_RB, end-effector di chuyển từ trên xuống dưới ở nửa trên mặt phẳng XY và từ dưới lên trên ở nửa dưới mặt phẳng XY Để đảm bảo việc di chuyển của end-effector diễn ra thuận lợi và không cần phải gá đặt lại ống R1 khi chuyển đổi giữa hai nửa mặt phẳng, cần có các giải pháp thiết kế hợp lý.

XY, ta chọn giải pháp xoay ống R 1 một góc 

Nhƣ vậy, chuyển động cắt ống R 1 của end-effector đƣợc thực hiện tuần tự nhƣ sau:

- Thực hiện chuyển động cắt nửa trên mặt phẳng XY của hệ tọa độ CS_RB Quĩ đạo của end-effector đƣợc cho bởi:

Thực hiện chuyển động cắt phần còn lại, quĩ đạo của end-effector sẽ đối xứng với (6.11) qua mặt phẳng YZ của hệ tọa độ CS_RB.

Quĩ đạo end-effector cắt ống R 2

Tương tự như quỹ đạo end-effector cắt ống R1, chúng ta chọn hệ tọa độ CS_RB sao cho tại vị trí ban đầu, CS_RB trùng với hệ tọa độ CS_R2.

Phương trình hình trụ tròn R2 trong hệ tọa độ CS_RB được cho bởi:

Lúc này, xoay CS_RB một góc  quanh trục Z B , ta đƣợc hệ tọa độ CS_R1, cho nên có:

Thay (6.13) vào (6.1) ta có phương trình hình trụ tròn R 1 trong hệ tọa độ CS_RB đƣợc cho bởi:

(x B cosy B sin ) z B R 1 (6.15) Nhƣ vậy, ta có quĩ tích giao điểm của 2 mặt trụ đƣợc cho bởi hệ:

2 1 2 sin cos cos cos ( sin ) sin

Hình 6-9: Quĩ tích giao điểm của ống R 1 và R 2 trên ống R 2 a Nửa trên và nửa dưới mặt phẳng ZX; b Nửa trên và nửa dưới của mặt phẳng XY

Để thiết lập quỹ đạo end-effector cắt ống R1, ta cần đặt hệ tọa độ CS_RB vào hệ tọa độ robot CS0, đảm bảo rằng hướng của CS_RB trùng với hướng của CS0 Vị trí gốc của tọa độ CS_RB trong hệ tọa độ CS0 được xác định bởi vector p = [x P, 0, z P] T.

Nhƣ vậy hệ (6.19) đƣợc biểu diễn trong hệ tọa độ CS0 nhƣ sau:

Hình 6-10: Đặt ống R 2 vào hệ tọa độ CS0 của robot

Việc chọn nghiệm y phụ thuộc vào việc gá ống R 2 Nếu phần gá của ống R 2 nằm ở nửa trên mặt phẳng XZ của hệ tọa độ CS_RB thì:

Ngược lại, nếu phần gá của ống R2 nằm ở nửa dưới mặt phẳng XZ của hệ tọa độ CS_RB thì:

Để đảm bảo việc di chuyển của end-effector diễn ra thuận lợi và khả thi, cần chọn nghiệm y>0 Điều này giúp tránh việc phải gá đặt lại ống R2 khi end-effector chuyển từ nửa trên sang nửa dưới của mặt phẳng XY.

XY, ta chọn giải pháp xoay ống R 2 một góc 

Nhƣ vậy, chuyển động cắt ống R 2 của end-effector đƣợc thực hiện tuần tự nhƣ sau:

- Thực hiện chuyển động cắt nửa trên mặt phẳng XY của hệ tọa độ CS_RB Quĩ đạo của end-effector đƣợc cho bởi:

2 1 2 sin cos cos cos ( sin ) sin 0

Thực hiện chuyển động cắt phần còn lại, quỹ đạo của end-effector sẽ đối xứng với (6.21) qua mặt phẳng YZ của hệ tọa độ CS_RB.

2 1 2 sin cos cos cos ( sin ) sin 0

THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Mô hình thực nghiệm

Phần này trình bày những hình ảnh mô hình thực nghiệm của hệ thống

Hình 7-1: Mô hình thực tế sau khi chỉnh sửa được kết nối với mạch driver điều khiển và máy tính

Mô hình thực nghiệm là một cánh tay robot với 5 bậc tự do xoay, mỗi bậc được trang bị động cơ servo harmonic điều khiển bởi driver cầu H Tay gắp ở đầu cuối sử dụng cơ cấu khí nén và cũng được điều khiển bởi driver cầu H để thực hiện chức năng đóng mở.

7.1.1 Mạch driver điều khiển động cơ:

Mạch driver sử dụng IC IR2184 để điều khiển FET IRF540, cho phép chuyển mạch PWM nhanh chóng với tần số lên đến 50kHz, giúp động cơ hoạt động êm ái và bền bỉ hơn IR2184 còn tích hợp khả năng chống trùng dẫn cứng, rất quan trọng trong điều khiển động cơ bằng mạch cầu H, đảm bảo an toàn cho hệ thống Trong trường hợp kẹt tải hoặc dòng điện tăng cao, mạch có tín hiệu hồi tiếp để ngắt điện cấp cho động cơ kịp thời, ngăn ngừa tình trạng quá tải.

Mạch này có khả năng chịu áp lực lên đến 50V và dòng điện tối đa 10A Tín hiệu đầu vào PWM1 và PWM2 tương ứng với hai nửa của cầu H, giúp dễ dàng áp dụng thuật toán PID trong thiết kế.

Hình 7-2: Mạch driver được ghép thành module điều khiển 5 động cơ và tay gắp

7.1.2 Mạch xử lí trung tâm:

Sử dụng chip DSPIC33FJ64GS610 với khả năng thực thi 40 triệu lệnh/giây, hệ thống trang bị 18 kênh PWM có thể điều khiển 9 mạch cầu H (mỗi mạch cầu H cần 2 chân PWM) Mạch xử lý trung tâm kết nối với máy tính qua kênh truyền dẫn dữ liệu USB, đồng thời còn hỗ trợ 2 kênh I2C và kênh UART2 để mở rộng hệ thống hoặc phục vụ việc debug lỗi trong quá trình lập trình.

Mạch điều khiển có vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu trạng thái của robot, kết hợp với tín hiệu từ encoder để gửi tín hiệu điều khiển đến mạch driver của động cơ Nhiệm vụ chính của mạch là thực hiện tính toán thuật toán PID nhằm điều chỉnh hoạt động của động cơ một cách hiệu quả.

Hình 7-3: Mạch xử lí trung tâm kết nối với driver điều khiển động cơ

Phần mềm điều khiển trên máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ Microsoft Visual C#, bao gồm hai thành phần chính: giao diện xử lý dữ liệu và giao diện tương tác với người dùng.

Phần giao diện xử lý dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với robot và xử lý thông tin từ các cảm biến Dữ liệu thu nhận được sẽ được gửi về lớp giao diện người dùng, nơi mà các thông số trạng thái của robot được tính toán và hiển thị trên màn hình Sau khi hoàn tất quá trình tính toán, quyết định điều khiển sẽ được truyền xuống robot thông qua lớp giao diện xử lý dữ liệu, hoạt động như một lớp trung gian truyền nhận hiệu quả.

Hình 7-4: Phần giao diện xử lí dữ liệu

Phần giao diện giao tiếp với người dùng bao gồm các phần như sau:

Hình 7-5: Phần giao diện giao tiếp người dùng

Panel “Forward Kinematics”: điều khiển động học thuận tay máy theo 2 chế độ góc và chế độ encoder

Panel “Inverse Kinematics”: điều khiển động học ngƣợc cho tay máy

Nút “Add Point”: thêm điểm vào quĩ đạo chuyển động của tay máy

Nút “Add Point List”: thêm dữ liệu điểm từ file txt

Nút “Move2Point”: di chuyển end-effector đến điểm kế tiếp

Màn hình xanh bên trái để hiển thị di chuyển của robot.

Kết quả thực nghiệm

Sau nhiều lần thử nghiệm và hiệu chỉnh, phương pháp tính toán động học thuận và ngược đã chứng minh được độ chính xác Tuy nhiên, quá trình thử nghiệm gặp khó khăn do mô hình bị sai số lắp ráp, dẫn đến sai số trong điều khiển Hơn nữa, công tắc hành trình dùng để phát hiện vị trí dừng của khớp chưa được thiết kế và bố trí hợp lý, gây cản trở và yêu cầu phải hiệu chỉnh lại mô hình cho phù hợp.

Bộ điều khiển PID cho vận tốc và vị trí đã cho thấy hiệu suất hoạt động tốt và linh hoạt trong các thử nghiệm Tuy nhiên, do thời gian hạn chế, bộ điều khiển tracking quỹ đạo vẫn chưa được kiểm tra Chúng tôi cam kết sẽ tiến hành thử nghiệm này trong thời gian sớm nhất.

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	6,48 MB