Nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh cho robot communications
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.87 MB, 128 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------o0o---------------
LÊ ĐÌNH KHA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO
ROBOT COMMUNICATIONS
(IMAGE PROCCESSING APPLIED TO
ROBOT COMMUNICATIONS)
Chuyên ngành: Điện Tử – Viễn Thông
Mã số ngành: 2.07.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2002
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TIẾN SĨ LÊ TIẾN THƯỜNG đã
tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và đóng góp những ý kiến quý
báo giúp tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn q Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Kỹ Thuật đã tận tình giảng dạy và giúp đở tôi
trong thời gian học tại trường.
Sau cùng tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Kỹ
Thuật Cao Thắng – Khoa Điện Tử Tin Học đã tạo điều kiện về
thời gian và tài chính, giúp tôi hoàn thành chương trình cao học điện
tử viễn thông này.
Ngày 20 tháng 11 năm 2002
LÊ ĐÌNH KHA
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG GIÁM KHẢO
NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
YDZ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
YDZ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Lê Đình Kha
Ngày tháng năm sinh: 08 – 08 - 1976
Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ
Khóa (Năm trúng tuyển) : 11 (2000)
Phái : Nam
Nơi sinh: Tây Ninh
Mã số : 02.07.01
I – TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO
ROBOT COMMUNICATIONS
II . NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Nghiên cứu các phương trình tuyến tính điều khiển robots.
Nghiên cứu các phương pháp mô tả hình dạng và nhận dạng ảnh.
Thi công phần cứng robors 4 bậc tự do, viết chương trình nhận dạng ảnh dùng
thuật toán quadtree và giao tiếp PC qua com_port, ngôn ngữ lập trình C.
III . NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương) : 1 – 6 – 2002
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận án ): 27 –12 – 2002
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS LÊ TIẾN THƯỜNG
VI . HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 : PGS.TS NGUYỄN ĐỨC PHONG
VII. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS NGUYỄN NHƯ ANH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CÁN BỘ NHẬN XÉT 1
CÁN BỘ NHẬN XÉT 2
TS Lê Tiến Thường
PGS.TS Nguyễn Đức Phong
TS Nguyễn Như Anh
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
TPHCM, ngày tháng năm 2003
CHỦ NHIỆM NGÀNH
PHẦN MỞ ĐẦU
GVHD: TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
IMAGE PROCCESSING APPLIED TO
ROBOT COMMUNICATIONS
ABSTRACT
Robotics is a science banch which is related to design and using Robots – It
involves machines which can replace human to carry out some of works. Robot
controlling by image pattern of recognition is attracting topic and will have many
applications in communications and industrial automatic fields… The construction
of the kinetic equations uses to control robot’s joints and the linear algebra
approach building sets of equations is very essential and important for operating of
robots.
Image recognition is object classifying process which is shown following as a
model and foist for them a layer basing on rules and standard model. Image
recognition is final stage of image proccessing systems. Using image recognition
defines position of object being problem which is interested in studying in
Vietnam.
“IMAGE PROCCESSING APPLIED TO ROBOT COMMUNICATIONS” in this
topic with main tasks follow as : Study image recognition theory in digital image
proccessing. Study kinetic controlling sets of equations for freedom steps of
robot.
To confirm the theory, this topic also designs a robot model to take objects which
are the standard model, then locate objects by using image recognition.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATION
Trang 1
KS: LÊ ĐÌNH KHA
PHẦN MỞ ĐẦU
GVHD: TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO
ROBOT COMMUNICATIONS
TÓM TẮT
Robotics là ngành khoa học nghiên cứu thiết kế và sử dụng Robot – liên quan đến
nghiên cứu các máy móc mà có thể thay con người thực hiện một số công việc nào
đó. Điều khiển Robot dùng nhận dạng ảnh là đề tài hấp dẫn và sẽ có nhiều ứng
dụng to lớn trong nhiều lónh vực tự động công nghiệp, tự động viễn thông… Việc
xây dựng các hệ phương trình động học dùng điều khiển các khớp robots và cơ sở
đại số tuyến tính xây dựng các hệ phương trình là rất cần thiết và rất quan trọng
trong hoạt động của robots.
Nhận dạng ảnh là quá trình phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô
hình nào đó và gán cho chúng vào một lớp dựa theo các quy luật và các mẫu
chuẫn. Nhận dạng ảnh là giai đoạn cuối cùng của các hệ thống xử lý ảnh. Dùng
nhận dạng ảnh để xác định vị trí của vật thể là vấn đề đang được quan tâm nghiên
cứu ở Việt Nam. “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT
COMMUNICATIONS ” trong đề tài này với các mục tiêu chính sau:Nghiên cứu
lý thuyết nhận dạng ảnh trong xử lý ảnh số, nghiên cứu các hệ phương trình điều
khiển động học cho các bậc tự do của robot.
Để kiểm chứng lý thuyết, trong đề tài này cũng thiết kế mô hình robot để gắp vật
thể theo mẫu định trước, định vị vật thể dùng nhận dạng ảnh.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATION
Trang 2
KS: LÊ ÑÌNH KHA
PHẦN MỞ ĐẦU
GVHD: TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
PREFACE
Robots used in automatic machine chain for industrial and communications
are interested in Viet Nam.
Today, robots or machines are used more and more for replacing human in
many works. However, most of them just perform tasks exactly which have
been set by programs. The communication between human and robots is not
natural, only by keyboard and input devices. Nowaday with the developping
of electronic andcommunications, there are also many researches to make
the robot generation be more intelligent, and has capability interfacing to
human by a natural language: Image (eyes), Speech (ears)…. Robots can
interface to human by images or speech called the robot communications
In this Master graduation topic domain, I study the communications
recognizing and processing images from a camera equipted on a robot arm
model.
The topic is structured as follows:
CHAPTER 1: ROBOTIC INTRODUCTION
CHAPTER 2: KINETICS OF CONTROLLING ROBOT
CHAPTER 3: SHAPE DESCRIPTION OF OBJECT.
CHAPTER 4: IMAGE RECOGNIZING.
CHAPTER 5 : STEP MOTOR AND DRIVER FOR STEP MOTOR.
CHAPTER 6: PC INTERFACE WITH SERIAL PORT.
CHAPTER 7: EXECUTIVE ROBOT
EXECUTIVE RESULT
CONCLUSION OF TOPIC
REFERRENCE
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATION
Trang 3
KS: LÊ ĐÌNH KHA
PHẦN MỞ ĐẦU
GVHD: TS. LÊ TIẾN THƯỜNG
LỜI NÓI ĐẦU
Robots được dùng trong các dây chuyền tự động tại các cơ sở công nghiệp và viễn
thông là vấn đề đã và đang được quan tâm ở Việt Nam.
Ngày nay, các loại máy móc và robots ngày càng thay thế con người trong nhiều
lónh vực. Các thế hệ robot ngày càng đa năng, thực hiện được rất nhiều thao tác
mà trước đây chỉ có con người mới làm được. Tuy nhiên phần lớn các robot chỉ
thực hiên các công việc định sẵn theo chương trình giữa người và máy rất khô
khan và không tự nhiên: thông qua bàn phím và các thiết bị nhập dữ liệu khác.
Hiện nay , với công nghệ điện tử và công nghệ thông tin phát triển mạnh, người ta
cố gắng, nổ lực để tạo ra các robot thông minh có khả năng giao tiếp với con
người tự nhiên hơn như: tiếng nói, hình ảnh… .Robots có khả năng giao tiếp với
con người bằng tiếng nói, bằng hình ảnh được gọi là robots communications.
Trong khuôn khổ đề tài tốt nghiệp cao học điện tử viễn thông, em nghiên cứu điều
khiển communication robots dùng nhận nhận dạng và xử lý hình ảnh từ camera.
Đề tài được trình bày theo cấu trúc sau:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOTS HỌC (ROBOTIC).
CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT.
CHƯƠNG 3: MÔ TẢ HÌNH DẠNG VẬT THỂ.
CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG ẢNH.
CHƯƠNG 5: TRUYỀN ĐỘNG BẰNG MOTOR BƯỚC.
CHƯƠNG 6: GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ ROBOTS QUA SERIAL PORT.
CHƯƠNG 7: THI CÔNG MÔ HÌNH
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATION
Trang 4
KS: LÊ ĐÌNH KHA
MỤC LỤC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
LỜI CẢM ƠN
TÓM TẮT
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
Trang
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC (ROBOTIC)
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.2. ROBOTICS
1.3. ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.4. CẤU TRÚC CỦA BỘ THAO TÁC
1.5. MÔ HÌNH VÀ SỰ ĐIỀU KHIỂN CỦA CÁC BỘ THAO TÁC
1.5.1. MÔ HÌNH
1.5.2. ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG 2 : ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1
3
8
8
9
10
13
17
17
15
19
2.1. VỊ TRÍ VÀ HƯỚNG CỦA MỘT LIÊN KẾT
19
2.2. MA TRẬN CHUYỂN VỊ
20
2.2.1. CÁC PHÉP QUAY CƠ BẢN
21
2.2.2. BIỂU DIỄN MỘT VECTOR
22
2.2.3. PHÉP XOAY MỘT VECTOR
23
2.3. SỰ KẾT HP GIỮA CÁC MA TRẬN XOAY
23
2.4. PHÉP QUAY THEO MỘT TRỤC TUỲ Ý
25
2.5. CÁC BIỂU DIỄN TỐI THIỂU CỦA SỰ ĐỊNH HƯỚNG
27
2.5.1. CÁC GÓC EULER
27
2.5.2. CÁC GÓC RPY
29
2.6. ĐỘNG HỌC TRỰC TIẾP
30
2.7 QUY ƯỚC DENAVIT-HARTENBERG
31
2.7.1 QUY ƯỚC DENAVIT – HARTENBERG
32
2.7.2 THỦ TỤC ĐIỀU HÀNH
34
2.8. ĐỘNG HỌC CỦA CÁC CẤU TRÚC BỘ THAO TÁC TIÊU BIỂU 37
2.8.1 CÁNH TAY 3 LIÊN KẾT 2 CHIỀU
38
2.8.2 CÁNH TAY CẦU
38
2.8.3 CỔ TAY CẦU
39
2.8.4 BỘ THAO TÁC STANFORD
41
2.9. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯC
42
2.9.1 CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯC 42
2.9.2 LỜI GIẢI CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI EULER
43
2.9.3 LỜI GIẢI CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI RPY
45
CHƯƠNG 3 : MÔ TẢ HÌNH DẠNG
47
3.1- GIỚI THIỆU
47
3.2. MÃ SỐ DÂY CHUYỀN ( CHAIN CODES )
48
3.3 SỰ GẦN ĐÚNG CỦA ĐƯỜNG CONG BẰNG PHÂN ĐOẠN TUYẾN 48
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang5
KS: LÊ ĐÌNH KHA
MỤC LỤC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
3.4 THUẬT TOÁN CÂY TỨ PHÂN (QUADTREES)
3.5 THUẬT TOÁN HÌNH CHÓP (PYRAMIDS)
3.6 ĐẶC ĐIỂM HÌNH DẠNG
3.7 THUẬT TOÁN THINNING
3.8 PHÂN TÍCH HÌNH DẠNG
50
57
63
67
73
4.1 TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG
4.1.1 BẢN CHẤT CỦA GIÁ TRỊ NHẬN DẠNG
80
80
80
4.1.3 HỌC KHÔNG CÓ HUẤN LUYỆN
(UNSUPERVISED LEARNING)
4.2. NHẬN DẠNG DỰA TRÊN PHÂN HOẠCH KHÔNG GIAN
4.2.1. PHÂN HOẠCH KHÔNG GIAN
4.2.2. HÀM PHÂN LỚP HAY HÀM RA QUYẾT ĐỊNH
4.2.3. NHẬN DẠNG THỐNG KÊ
4.2.4 THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG TIÊU BIỂU
4.3. NHẬN DẠNG THEO CẤU TRÚC
81
82
82
82
83
84
87
5.1 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.1.1 ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU
5.1.2 ĐỘNG CƠ BƯỚC CÓ TỪ TRỞ THAY ĐỔI
5.1.3 ĐỘNG CƠ BƯỚC HỔN HP
5.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BƯỚC ĐỦ VÀ NỬA BƯỚC
5.3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BƯỚC ĐỦ
5.3.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NỬA BƯỚC
5.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.4.1 ĐỘNG CƠ NAM CHÂM VĨNH CỬU
5.4.2 ĐỘNG CƠ BƯỚC TỪ TRỞ THAY ĐỔI
5.4.3 ĐỘNG CƠ HỔN HP
5.5 ĐẶC TÍNH CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.5.1 ĐẶC TÍNH TĨNH
5.5.2 ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC
5.6 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
89
89
89
90
90
92
93
93
94
95
95
97
98
99
99
95
100
CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG ẢNH
4.1.2 HỌC CÓ HUẤN LUYỆN (SUPERVISED LEARNING)
CHƯƠNG 5: TRUYỀN ĐỘNG BẰNG MOTOR BƯỚC
81
CHƯƠNG 6 : GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA SERIAL PORT102
6.1 GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH QUA SLOT CARD
6.2 GIAO TIẾP QUA CỔNG MÁY IN (PRINTER PORT)
6.3 GIAO TIẾP QUA SERIAL PORT
6.3.1. CHUẨN RS-232-C
6.3.2. CÁC ĐẦU NỐI
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang6
102
103
103
104
107
KS: LÊ ĐÌNH KHA
MỤC LỤC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
CHƯƠNG 7 : THI CÔNG MÔ HÌNH
111
7.1.SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA ROBOT
7.2 THI CÔNG ROBOT 3 BẬC TỰ DO VÀ 1 KHỚP XOAY
7.2.1 CẤU TRÚC MÔ HÌNH ROBOT THI CÔNG
7.2.2 HỆ PHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ
7.3 THI CÔNG MẠCH GIAO TIẾP NỐI TIẾP
7.3.1 GIỚI THIỆU LINH KIỆN MAX232
7.3.2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH TIÊU BIỂU (MAX232)
7.3.3 MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ PHÁT XUNG KÍCH
7.4 KHỐI DRIVER CHO MOTOR BƯỚC
7.5 CAMERA CHỤP ẢNH
7.6. NGUỒN CUNG CẤP
7.7.KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH
KẾT LUẬN
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang7
111
111
111
113
115
115
111
116
118
119
119
119
120
121
122
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
(ROBOTICS)
Robotics - là môn khoa học thiết kế và sử dụng robot - liên quan đến sự nghiên
cứu về các máy móc mà có thể thay con người thực hiện một công việc nào đó.
Trọng tâm của chương này là các vấn đề liên quan đến việc sử dụng robot trong
các ứng dụng công nghiệp, giới thiệu cơ cấu làm việc tổng quan của robotics.
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Thuật ngữ ROBOT xuất hiện vào năm 1921 trong một trò chơi ở Luân Đôn được
viết bởi Karel Capek người Tiệp Khắc.
Thuật ngữ Industrial Robot - xuất hiện đầu tiên ở Mỹ năm 1960, do công ty
AMF (American Manchine and Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bị
mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người, thiết bị có tên gọi Robot
Versatran được thiết kế bởi Harry Johnson & Veljko Milenkovic .
Quá trình phát triển của Robot có thể tóm tắt như sau:
- Từ những năn 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
- Đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty AMF.
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các Industrial Robot năm 1964;
- Ở các nước Tây Âu khác như : Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển, từ những năm 70.
- Châu Á có Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng từ năm 1968.
Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và khả năng nhận biết thông tin của Robot
đã được sản xuất trên thế giới, có thể phân loại các Robots thành các thế hệ sau:
Thế hệ 1 : thế hệ điều khiển theo chu trình dạng chương trình cứng không có khả
năng nhận biết thông tin .
Thế hệ 2 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kì dạng chương trình mềm bước đầu
đã có khả năng nhận biết thông tin.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang8
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
Thế hệ 3 : thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn , có khả năng nhận biết thông
tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
Sự xuất hiện của robot và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất trong xã hội
loài người làm xuất hiện một ngành khoa học mới là ngành robot học (Robotic) .
1.2. ROBOTICS
Robotics có một nguồn gốc phát triển đặc biệt. Suốt hàng thể kỷ, con người đã cố
gắng liên tục để đạt được những sự thay thế cho mình, mà có khả năng học theo
cách phản ứng của con người đối với những tác động, trao đổi với môi trường xung
quanh. Khoa học càng phát triển, con người nghiên cứu sâu vào các lónh vực khoa
học mà con người không thể nhận biết trực tiếp bằng các giác quan của mình nữa:
nghiên cứu vũ trụ, vệ tin nhân tạo, nghiên cứu đáy biển, hầm mỏ, nghiên cứu
trong môi trường phóng xạ ….. Vai trò của robots là rất cần thiết. Đó là lý do tại
sao vấn đề nghiên cứu robot được quan tâm ở các nước công nghiệp từ những năm
50 của thế kỷ 20 .
Robotics dựa trên 3 luật cơ sở sau đây được đưa ra bởi một nhà viết tiểu thuyết
người Nga Isaac Asimov:
Luật 1: Robot không được làm tổn hại đến con người hoặc trì trệ, buột con người
trở nên tai hại.
Luật 2: Robot phải tuân thủ theo lệnh được đưa ra bởi con người, ngoại trừ khi
lệnh không tương thích với luật 1.
Luật 3: Robot phải bảo vệ sự tồn tại của chúng, mà sự bảo vệ như vậy không xung
đột với luật 1 và luật 2.
Các luật này thiết lập nên các luật được xét như các đặc trưng cho việc thiết kế
một robot nói chung, và từ đó đưa đến các đặc tính kỹ thuật của một robot công
nghiệp.
Robot là sự liên kết thông minh từ sự cảm nhận đến hành động.
Khả năng hành động của robot được cung cấp bởi một hệ thống cơ khí được cấu
thành tổng quan bởi một bộ máy vận động để di chuyển trong môi trường công
nghiệp và bởi một bộ máy thao tác để vận hành trên các đối tượng trong môi
trường này. Sự thực hiện của hệ thống như vậy quy vào một phạm trù khoa học
liên quan đến sự thiết kế của cấu trúc các hệ thống cơ khí, sự chọn lựa vật liệu, và
dạng của các bộ kích thích chấp hành.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang9
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
Khả năng cảm nhận của robot được cung cấp bởi một hệ thống sensor, có thể yêu
cầu dữ liệu trên các trạng thái trong của hệ thống cơ khí (sensors ưu tiên
proprioceptive sensors) và yêu cầu dữ liệu trên các trạng thái ngoài của môi
trường (sensor cảm nhận không đồng nhất heteroceptive sensors). Sự thực hiện
của hệ thống như vậy quy vào một phạm trù khoa học liên quan đến khoa học vật
liệu, trạng thái tín hiệu, xử lý dữ liệu và phục hồi thông tin.
Khả năng liên kết hành động với cảm nhận theo kiểu thông minh được cung cấp
bởi một hệ thống điều khiển mà có thể quyết định sự thực hiện của hành động
trong khía cạnh ràng buột bởi hệ thống cơ khí và môi trường. Sự thực hiện của hệ
thống như vậy quy vào một phạm trù khoa học của điều khiển học, liên quan đến
các hệ chuyên gia và trí tuệ nhân tạo, các điều kiện môi trường, cấu trúc máy tính
và điêu khiển chuyển động.
Như vậy, robotics liên quan đến các phạm trù như cơ khí, điện tử, thông tin và tự
động.
1.3. ROBOT CÔNG NGHIỆP
Bằng ý nghóa thông thường của nó, tự động hóa biểu thị một kỹ thuật tập trung
vào sự thay thế cho con người bằng máy móc trong quá trình sản xuất, quan tâm
không chỉ đến việc thực thi các tổ chức vật lý mà còn xử lý thông minh về thông
tin trong các trạng thái của quá trình. Tự động là sự tổng hợp của các kỹ thuật
công nghiệp tiêu biểu cho quá trình sản xuất và công nghệ máy tính, có kể đến
việc điều hành thông tin. Có 3 loại tự động mà có thể kể ra là : tự động cứng, tự
động có khả năng lập trình, tự động linh hoạt.
- Tự động cứng giải quyết một ngữ cảnh xí nghiệp theo hướng đa số nhà máy có
các thành phẩm cùng dạng. Sự cần thiết đối với một số lượng lớn các nhà máy với
các tiêu chuẩn có lợi và chất lượng cao tùy thuộc vào sự sử dụng vừa đúng các
chuỗi lệnh để thực hiện trên những vật chưa thành phẩm bằng các máy móc với
mục đích đặc biệt.
- Tự động có thể lập trình giải quyết một ngữ cảnh xí nghiệp theo hướng các nhà
máy từ thấp đến trung bình sản xuất các loạt sản phẩm với các dạng khác nhau.
Một hệ thống tự động có thể lập trình có tính đến sự thay đổi gần nhất của một
loạt lệnh để thực hiện trong việc chế tạo theo trình tự để thay đổi một phạm vi của
sản phẩm. Các máy móc tham gia là đa dạng hơn và có khả năng sản xuất nhiều
đối tượng khác nhau nhưng cùng nhóm công nghệ. Đa số các sản phẩm có thể
kiếm được trên thị trường hiện nay là được sản xuất bởi hệ thống tự động có khả
năng lập trình.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang10
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
- Tự động linh hoạt đại diện cho sự phát triển của tự động có thể lập trình được.
Điểm mạnh của nó là cho phép sản xuất hạng loạt các sản phẩm khác nhau với
thời gian tổn thất là tối thiểu cho việc lập trình lại chuỗi lệnh và các máy móc
tham gia trong quá trình sản xuất. Sự thực hiện của hệ thống sản xuất linh hoạt tùy
thuộc vào sức mạnh của công nghệ máy tính với công nghệ công nghiệp.
Robot công nghiệp là một thiết bị (máy) với các đặc tính thiết kế đa năng và linh
hoạt. Theo định nghóa của viện Robot của Mỹ : "Robot là một bộ thao tác đa chức
năng, được thiết kế để di chuyển vật chất, phần tử, công cụ hay dụng cụ đặc biệt
qua sự lập trình đa dạng, vận động cho việc tiến hành các nhiệm vụ khác nhau".
Định nghóa này đưa ra năm 1980 tương ứng với công nghệ robot thời bấy giờ.
Một robot công nghiệp được cấu thành bởi :
- Một cấu trúc cơ khí hay bộ thao tác bao gồm các thân (liên kết) cứng được nối
bởi các khớp trung gian, một bộ thao tác được đặc trưng bởi một cánh tay mà phải
được đảm bảo một cách cơ động, một cổ tay mang tính khéo léo, một bộ hiệu ứng
tiến hành nhiệm vụ được yêu cầu của robot.
- Bộ kích hoạt đặt bộ thao tác vào trong sự chuyển động qua việc kích thích các
khuỷu, các motor tham gia là phần điện hay thủy lực hay khí nén tiêu biểu.
- Các sensor đo các trạng thái của bộ thao tác (sensor cảm nhận ưu tiên) và nếu
cần thiết đo các trạng thái của môi trường (sensor cảm nhận không đồng nhất).
- Một hệ thống điều khiển (máy tính), có khả năng điều khiển và giám sát sự hoạt
động của bộ thao tác.
Tính năng cơ bản mà robot công nghiệp khác với máy điêu khiển số là tính đa
năng của nó, điều này được cung cấp bởi các bộ hiệu ứng cuối của bộ thao tác mà
có thể là nhiều công cụ với các dạng khác nhau.
Robot công nghiệp có 3 khả năng cơ bản công dụng trong quá trình sản xuất : xử
lý vật chất, thao tác và đo lường.
Trong một quá trình xử lý thao tác, mỗi đối tượng được chuyển từ vùng này đến
vùng khác trong xí nghiệp để lưu trữ, thao tác, lắp ráp hay đóng gói... trong thời
gian di chuyển, các đặc trưng vật lý không chịu bất kỳ sự thay đổi nào.
Khả năng của robot để nhấc một vật, di chuyển nó trong không gian trên một
đường dẫn định trước và giải phóng nó là một ý tưởng cho việc điều hành và xử lý
vật chất. Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm:
- Mâm truyền (đặt các đối tượng trên một mâm trên đường dẫn một cách tuần tự),
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang11
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
- Cất và lấy hàng trong kho.
- Máy xay và công cụ cất và lấy nhiên liệu, thành phẩm.
- Sắp xếp chi tiết.
- Đóng gói.
Sản xuất bao gồm việc chuyển các đối tượng từ vật liệu thô thành các sản phẩm
cuối cùng, suốt quá trình này, chi tiết thay đổi các đặc trưng vật lý của nó như một
kết quả của máy móc hay mất đi đặc tính của nó như một kết quả của sự kết hợp
với các phần tử khác. Khả năng của robot để thao tác cơ đối tượng lẫn công cụ
làm cho nó phù hợp để tham gia vào sự sản xuất. Các ứng dụng tiêu biểu bao
gồm:
- Hàn hồ quang và hàn bấm.
- Máy phun sương.
- Khoan và xay.
- Dán và đống dấu.
- Cắt bằng laze hay bằng nước.
- Khoan và nghiền tính.
- Lắp ráp nhóm cơ và điện tử.
- Lắp ráp board điện tử.
- Vặn vít, buột dây.
Bên cạnh xử lý vật liệu và thao tác, trong quá trình sản xuất cần tiến hành đo và
kiểm tra sản phẩm. Khả năng của robot để khám phá không gian 3 chiều với hiệu
lực của các thiết bị đo trong các trạng thái của thao tác cho phép sử dụng robot
như một thiết bị đo. Các ứng dụng tiêu biểu là :
- Kiểm tra đối tượng.
- Nhận biết mức.
- Nhận biết lỗi sản xuất.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang12
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
1.4. CẤU TRÚC CỦA BỘ THAO TÁC
Cấu trúc cơ bản của bộ thao tác là một chuỗi động học mở. Từ quan điểm hình
học, chuỗi động học gọi là mở khi nó chỉ là một chuỗi liên tục các liên kết nối liền
hai điểm cuối của mắc xích. Nói cách khác, một bộ thao tác bao gồm chuỗi động
học kín khi là một chuỗi liên tục các dạng liên kết của một vòng lặp.
Hình 1.4.1 Một số cấu trúc của bộ thao tác
Tính động của bộ thao tác được đảm bảo với các khớp nối tham gia. Khớp nối giữa
hai liên kết liên tục có thể được thực hiện bởi các phương tiện của khớp trụ hoặc
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang13
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
cầu. Trong mỗi chuỗi động học mở, mỗi khớp trụ hay cầu cung cấp cấu trúc với
một sự di động ở mức độ đơn giản. Khớp trụ thực hiện một sự chuyển dịch liên
quan giữa hai liên kết, trong khi khớp cầu thực hiện sự quay liên quan giữa hai
liên kết. Khớp cầu thông thường được ưa thích hơn khớp trụ vì tính linh hoạt và
nhỏ gọn.
Hình 1.4.2 không gian làm việc của bộ thao tác
Các bậc của chuyển động là các đặc trưng phân biệt cho cấu trúc cơ khí theo thứ
tự để đưa ra các bậc tự do yêu cầu để thực hiện công việc đề ra. Trong hầu hết các
trường hợp chung của một nhiệm vụ, bao gồm sự định vị và hướng của một đối
tượng trong không gian 3 chiều, như vậy, yêu cầu 6 bậc tự do, 3 bậc cho vị trí của
một điểm của đối tượng và 3 bậc cho hướng của đối tượng, tương ứng với hệ tọa
độ liên quan. Nếu số bậc là nhiều hơn thì bộ thao tác là thừa thải.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang14
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
Không gian làm việc tương ứng với một phần của môi trường mà bộ hiệu ứng đầu
cuối của bộ thao tác có thể thâm nhập được. Dạng và kiểu của nó tùy thuộc vào
cấu trúc của bộ thao tác trên sự có mặt của các giới hạn khớp nối cơ khí.
Nhiệm vụ yêu cầu của cánh tay là định vị cổ tay được yêu cầu đến hướng của bộ
hiệu ứng, ít nhất 3 bậc chuyển động là cần thiết trong không gian 3 chiều. Phân
loại cánh tay như sau : ống, trụ, cầu, SCARA...
Ống được thực hiện bởi 3 khớp lăng trụ, nơi mà kết thúc là vuông góc lẫn nhau.
Trên quan điểm hình học đơn giản, mỗi bậc chuyển động liên quan đến một bậc tự
do trong không gian ống và do đó, nó tự nhiên tiến hành chuyển động thẳng trong
không gian. Cấu trúc ống cung cấp cho sự cứng chắc cơ khí rất tốt. Vị trí cổ tay
chính xác là không thay đổi mọi nơi trong không gian. Kiểu này bao quanh bởi
ống song song hình chữ nhật. Độ chính xác kém, độ khéo thấp. Tịnh tiến để thao
tác một đối tượng ở ngay bên cạnh. Nếu muốn thao tác một đối tượng từ trên
xuống, bộ thao tác ống có thể được thực hiện bởi cấu trúc hình cầu. Cấu trúc như
vậy cho phép thực hiện một vùng làm việc lớn và thao tác các đối tượng có kích
thước và trọng lượng lớn. Bộ thao tác ống được tham gia để xử lý vật liệu và lắp
ráp. Các motor khiến cho các khớp hoạt động là motor điện hoặc là khí nén.
Khớp trụ không giống như kiểu ống, một trong những sự khác biệt là khớp lăng trụ
đầu tiên được thay bằng khớp xoay. Nhiệm vụ của nó được mô tả trên các trục tọa
độ vòng, trong trường hợp này, mỗi bậc chuyển động ứng với 1 bậc tự do. Cấu trúc
trụ cung cấp sự cứng chắc cơ khí tốt. Độ chính xác vị trí cổ tay giảm theo sự tăng
của chiều ngang. Không gian làm việc là một phần rỗng của trụ. Khớp trụ ngang
làm cổ tay của bộ thao tác phù hợp để truy cập đến các hốc ngang. Các bộ thao
tác trụ được tham gia chủ yếu để mang vật theo phương ngang, các motor khích
thích thường sử dụng thủy lực hơn là điện.
Bộ thao tác cầu khác với bộ thao tác trụ ở chỗ khớp nối khối trụ thứ hai được thay
thế bằng khớp xoay. Mỗi bậc di chuyển ứng với bậc tự do nếu và chỉ nếu nhiệm
vụ được mô tả trong tọa độ cầu. Sự cứng chắc cơ khí là thấp hơn hai kiểu trên và
cấu trúc cơ khí là hòan chỉnh hơn. Độ chính xác cổ tay giảm theo sự tăng đường
kính. Không gian làm việc là một phần rỗng của hình cầu, nó có thể bao gồm sự
giúp đỡ của bộ thao tác và nó có thể cho phép thao tác đối với các đối tượng trên
sàn. Bộ thao tác cầu tham gia chủ yếu trong các máy móc. Motor thường là motor
điện.
Một dạng đặc biệt là hình SCARA mà có thể thực hiện bởi sự bố trí hai khớp xoay
và một khớp trụ theo cách thức các trục di chuyển song song. SCARA viết tắt từ
Selective Compliance Assembly Robot Arm (Cánh tay robot lắp ráp theo chọn
lựa) và các đặc trưng của các tính năng cơ khí của cấu trúc có khả năng vững chắc
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang15
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
cao để tải theo chiều dọc và chiều ngang. Như vậy, cấu trúc SCARA là thích hợp
với các công việc lắp ráp theo chiều dọc. Sự tương ứng của các bậc chuyển động
và bậc tự do được giữ chỉ theo phần dọc mô tả trong tọa độ trụ. Vị trí chính xác
của cổ tay giảm theo chiều tăng khoảng cách giữa cổ tay đến khớp đầu tiên. Bộ
thao tác SCARA thuận tiện để thao tác các đối tượng nhỏ, các khớp được tác động
bởi các động cơ điện.
Kiểu hình cánh tay được thực hiện bởi 3 khớp xoay, trục xoay của khớp đầu tiên là
vuông góc với hai trục khác và song song nhau. Bằng ưu điểm của giống như cánh
tay của con người, khớp thứ hai gọi là khớp vai, khớp thứ 3 gọi là khớp khuỷu tay.
Nó được nối với cánh tay gọi là cẳng tay. Cấu trúc hình cánh tay là một trong
những cấu trúc linh họat nhất khi tất cả các khớp nối đều là khớp xoay. Mặc khác,
sự tương ứng giữa bậc di chuyển và bậc tự do là ít nhất và vị trí chính xác của cổ
tay thay đổi bên trong không gian làm việc. Điều này gần đúng với một khối cầu
và thể tích của nó là lớn hơn so với trở ngại của bộ thao tác. Các khớp được tác
động bởi các motor. Phạm vi ứng dụng của bộ thao tác hình cánh tay trong công
nghiệp là rất rộng.
Các cấu trúc của bộ thao tác kể trên là phải yêu cầu vị trí cổ tay theo hướng bộ
hiệu ứng cuối của bộ thao tác. Nếu muốn có hướng tuỳ ý trong không gian 3
chiều, cổ tay phải tiến hành ít nhất 3 bậc chuyển động được cung cấp bởi khớp
xoay. Khi cổ tay tạo thành phần cuối của bộ thao tác, nó phải gọn nhẹ, điều này
làm phức tạp thiết kế cơ khí của nó. Ngoài cấu trúc chi tiết bên trong, sự thực hiện
của cổ tay có sự linh hoạt cao là 3 trục xoay giao nhau tại một điểm. Trong trường
hợp như vậy, cổ tay gọi là cổ tay cầu. Tính năng của cổ tay cầu là sự liên kết giữa
vị trí và hướng của bộ tác động, cánh tay được giao phó với nhiệm vụ của bộ tác
động. Sự thực hiện này của cổ tay không phải là hình cầu mà đơn giản hơn trên
quan điểm cơ khí, nhưng vị trí và hướng được kết hợp, điều này làm cho toạ độ
giữa sự chuyển động của cánh tay và công việc đề ra cho cổ tay trở nên phức tạp.
Bộ tác động cuối được đặc trưng cho nhiệm vụ mà robot sẽ thực hiện, với các
nhiệm vụ xử lý vật liệu, bộ tác động cuối được cấu trúc bởi cái kẹp ở dạng thích
hợp và các chiều để xác định đối tượng để cầm nắm. Với các nhiệm vụ máy móc
và lắp ráp, bộ tác động cuối là một công cụ hay một thiết bị đặc biệt như một đèn
hàn, súng phun, máy xay, máy khoan hay tuốc vít.
Tính linh hoạt và đa dạng của bộ thao tác không nói lên rằng tất cả các cấu trúc cơ
khí là tương đương với sự thực hiện của công việc đề ra. Sự chọn lựa của một
robot là điều kiện của ứng dụng mà thiết lập sự chứa đựng trong các chiều và ứng
dụng của không gian làm việc, tải lớn nhất, sự chính xác của vị trí và sự vận hành
của bộ thao tác.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang16
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
1.5. MÔ HÌNH VÀ SỰ ĐIỀU KHIỂN CỦA CÁC BỘ THAO TÁC
Trong mọi ứng dụng của robot công nghiệp, sự hoàn thành 1 nhiệm vụ chung là
được giao phó để thực hiện 1 lệnh di chuyển đặc trưng cho bộ tác động cuối của
bộ thao tác. Sự chuyển động có thể không bị gò bó lẫn nhau, nếu không tương tác
vật lý giữa bộ tác động đầu cuối và môi trường, hoặc lệ thuộc nếu có lực liên kết
nảy sinh giữa bộ tác động đầu cuối và môi trường.
Sự thực thi đúng của bộ tác động cuối được giao cho hệ thống điều khiển để cung
cấp sự hoạt động của các khớp của bộ thao tác và bao gồm lệnh với quỹ đạo di
chuyển theo ý muốn. Sự điều khiển chuyển động của bộ thao tác cuối tuỳ thuộc
vào sự phân tích chính xác của các đặc trưng của cấu trúc cơ khí, bộ kích thích và
sensor. Mục tiêu của sự phân tích như vậy là bắt nguồn từ các mô hình toán học
của các thành phần của robot. Mô hình một bộ thao tác của robot là một tiền đề
cần thiết để tìm các chiến lượt điều khiển di chuyển.
1.5.1. MÔ HÌNH
Sự phân tích động học của cấu trúc bộ thao tác có liên quan đến sự mô tả chuyển
động của bộ thao tác với hệ trục tương ứng bằng việc loại bỏ các lực và momen
mà chúng là nguyên nhân của chuyển động của cấu trúc. Nó là phương tiện chính
để phân biệt giữa động học và động học vi sai. Động học mô tả sự phân tích liên
quan giữa các khớp và vị trí bộ tác động cuối và hướng liên quan. Động học vi sai
mô tả sự phân tích liên quan giữa sự chuyển động khớp và chuyển động bộ thao
tác cuối trong các thành phần của vận tốc.
Ở đây, ta xét đến 2 vấn đề, đó là bài toán động học thuận và động học nghịch.
Bài toán thuận liên quan đến việc xác định của một hệ thống, phương thức chung
để mô tả sự chuyển động của các bộ tác động cuối bằng một hàm của sự chuyển
động khớp nối, bởi các phương tiện của các công cụ của đại số tuyến tính. Vấn đề
thứ hai là bài toán nghịch, giải pháp của nó là nền tảng quan trọng để chuyển sự
di chuyển tự nhiên được yêu cầu thi hành đến bộ tác động cuối trong không gian
làm việc và trong sự chuyển động của khớp nối.
Khả năng mô hình động học của bộ thao tác còn hữu hiệu để xác định quan hệ
giữa lực và momen cung cấp cho các khớp và các lực và momen cung cấp cho bệ
tác động cuối trong cấu hình cân bằng trạng thái.
Động học của bộ thao tác liên quan đến cơ sở của một hệ thống, về nguồn gốc
chung về động học của nó, nghóa là các phương trình của chuyển động như một
hàm của lực, momen tác động leennnos. Khả năng của một mô hình động hữu ích
cho việc thiết kế cơ khí của cấu trúc, chọn các bộ tác động, xác định chiến lược
điều khiển và máy tính của bộ thao tác.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang17
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT HỌC
GVHD: TS LÊ TIẾN THƯỜNG
1.5.2. ĐIỀU KHIỂN
Bằng việc tham khảo các nhiệm vụ giao cho bộ thao tác, việc sinh ra một sự
chuyển động đặc biệt tại các khớp là nó có hay không hay trực tiếp tại các bộ tác
động cuối. Trong các công việc xử lý vật liệu, nó là khả năng để ấn định, gắp nhả
một đối tượng (chuyển động điểm - điểm), ngược lại, trong công việc của máy thì
bộ tác động cuối có một quỹ đạo theo yêu cầu. Mục đích của sự thiết kế quỹ đạo
là tổng quát các quy luật thời gian cho các biến liên quan (khớp hay các bộ tác
động cuối) bắt đầu từ sự mô tả ngắn gọn của chuyển động theo yêu cầu.
Các quỹ đạo nói chung liên quan đến các ngõ vào với hệ thống điều khiển chuyển
động của cấu trúc cơ khí. Vấn đề của bộ điều khiển bộ thao tác là tìm một thời
gian đối với các lực và các momen xoắn để phân phối bằng các bộ tác động khớp
nối chắc chắn rằng nó được thực thi theo quỹ đạo. Vấn đề này hoàn toàn phức tạp.
Khi một bộ thao tác là một hệ thống có khớp, sự chuyển động của một liên kết
không ảnh hưởng đến chuyển động của một liên kết của các khớp khác. Các
phương trình của bộ thao tác xuất hiện các cặp hiệu ứng động giữa các khớp,
ngoại trừ trong trường hợp của cấu trúc lăng trụ với các trục trực giao lẫn nhau.
Sự tổng hợp của các lực và momen của khớp không thể tiến hành trên cơ sở của
kiến thức của mô hình động, khi điều này không hoàn toàn mô tả cấu trúc thực.
Do đó, sự điều khiển bộ thao tác được giao để khép kín các vòng lặp phản hồi,
bằng sự tính toán giữa độ lệch giữa các ngõ vào tham chiếu và dữ liệu được cung
cấp bởi bộ cảm biến proprioceptive. Một hệ thống điều khiển phản hồi có khả
năng để thoả mãn các yêu cầu chính xác trên sự thực thi của một quỹ đạo được
mô tả.
Nếu một công việc thao tác yêu cầu không chỉ sự tương tác giữa bộ tác động cuối
và môi trường, vấn đề điều khiển là phức tạp hơn bởi sự giám sát bên cạnh sự
chuyển động mà còn các lực nối các liên kết cũng phải được điều khiển.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang18
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 2:ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT
GVHD: TS LÊ TIẾNTHƯỜNG
CHƯƠNG 2 : ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT
Một bộ thao tác có thể mô tả một cách sơ lược từ một quan điểm cơ, lực như một
dây chuyền chuyển động học của các vật thể cứng nối bởi các khớp xoay hay lăng
trụ tạo thành các bậc di chuyển của cấu trúc. Điểm kết của dây chuyền được ràng
buột bởi chân đế, trong khi đó, bộ tác động cuối được ghép lên một bộ tác động
cuối khác. Kết quả chuyển động của cấu trúc được thực hiện bởi sự kết hợp của
nhiều thành phần chuyển động của mỗi liên kết lẫn nhau. Do đó, theo trình tự để
thao tác một chuyển động trong không gian là cần thiết để mô tả vị trí và hướng
của bộ tác động cuối. Chương này bao hàm của phương trình động học thuận giữa
các hệ trục toạ độ khác nhau, bắt đầu trên cơ sở đại số tuyến tính. Điều này cho
phép biểu diễn vị trí, hướng của bộ tác động cuối như một chức năng của sự thay
đổi của các khớp nối qua cấu trúc cơ khí tương ứng với hệ tham chiếu. Trình bày
sự tương quan tối thiểu của hướng. Ngoài ra, Chương này cũng giới thiệu các
phương trình động học ngược tìm các góc quay của các bậc tự do (các khớp) khi
chúng ta biết trước vị trí đầu cuối của robot trong không gian hệ toạ độ cơ sở .
2.1. VỊ TRÍ VÀ HƯỚNG CỦA MỘT LIÊN KẾT
Một liên kết được mô tả đầy đủ trong không gian bởi vị trí và hướng của nó tương
ứng với hệ quy chiếu. Như hình 2.1. Đặt Oxyz là hệ quy chếu trực giao và x, y, z
là các vector đơn vị của các trục của hệ.
z
z’
y’
z’
O
z
x’
O
x
x
y’
y
x’
y
Hình 2.1: Vị trí và hướng của một thân.
Vị trí O’ của một điểm O’ trên liên kết tương ứng với hệ trục Oxyz được biểu diễn
bởi quan hệ :
O’=O’xx+ O’yy+ O’zz.
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang19
KS: LÊ ĐÌNH KHA
CHƯƠNG 2:ĐỘNG HỌC ĐIỀU KHIỂN ROBOT
GVHD: TS LÊ TIẾNTHƯỜNG
Trong đó, O’x, O’y, O’z biểu thị các thành phần của vector O’ chiếu lên các hệ
trục cơ sở Oxyz. Vị trí O’ có thể đơn giản như một vector :
⎡O' x ⎤
O' = ⎢⎢O' y ⎥⎥
⎢⎣ O' z ⎥⎦
(2.1)
Theo trình tự để mô tả sự định hướng của thân liên kết, thông thường được xét
trong hệ trực chuẩn gắn với liên kết và khai triển các vector đơn vị của nó theo hệ
quy chiếu. Gọi O’x’y’z’ như 1 hệ với gốc là O’ và x’, y’, z’ là các vector đơn vị
của các trục. Các vector này được biểu diễn trong hệ Oxyz như sau:
x’=x’xx+ x’yy+ x’zz
y’=y’xx+ y’yy+ y’zz
(2.2)
z’=z’xx+ z’yy+ z’zz
Các thành phần của mỗi vector đơn vị là cosin của các trục của hệ O’x’y’z’ ứng
với Oxyz.
2.2. MA TRẬN CHUYỂN VỊ
Với sự biểu diễn ngắn gọn, 3 vector đơn vị trong 2.2 biểu diễn hướng trong hệ quy
chiếu có thể được kết hợp với ma trận 3x3 gọi là ma trận chuyển vị.
R= [x'
⎡ x' x
y ' z '] = ⎢⎢ x ' y
⎢⎣ x' z
y' x
y' y
y' z
z ' x ⎤ ⎡ x 'T x
⎢
z ' y ⎥⎥ = ⎢ x'T y
z ' z ⎥⎦ ⎢⎣ x'T z
y 'T x
y 'T y
y'
T
z
z 'T x ⎤
⎥
z 'T y ⎥
z 'T z ⎥⎦
(2.3)
Các vector cột là trực giao lẫn nhau nếu chúng tương ứng với các vector đơn vị của
hệ trực chuẩn, nghóa là:
x’Ty’=0, y’Tz’=0, z’Tx’=0, và x’Tx’=1, y’Ty’=1, z’Tz’=1.
Như vậy, ta có :
RTR=I
(2.4)
trong đó, I là ma trận đơn vị 3x3.
Nếu cả hai vế 2.4 được nhân với ma trận đảo R-1, kết quả ta được :
RT=R-1
XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT COMMUNICATIONS
Trang20
(2.5)
KS: LÊ ĐÌNH KHA
