Mô hình hóa và điều khiển chuyển động robot phun cát di động ropc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.91 MB, 142 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐỖ ĐỨC LỘC
MƠ HÌNH HỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG RƠBƠT PHUN CÁT DI ĐỘNG RoPC
Chun ngành : Cơng nghệ Cơ điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. GS.TSKH. NGUYỄN VĂN KHANG
2. TS. TRIỆU QUỐC LỘC
Hà Nội – 2011
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa được công bố
trong bất cứ cơng trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực.
Tác giả luận văn
Đỗ Đức Lộc
1
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
T
7
3
1
37T
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt được sử dụng
T
7
3
5
T
7
3
Danh mục các hình vẽ sử dụng trong luận văn
T
7
3
8
T
7
3
Danh mục các bảng sử dụng trong luận văn
14
Mở đầu
15
T
7
3
T
7
3
T
7
3
T
7
3
1. Lý do lựa chọn đề tài
15
2. Lịch sử nghiên cứu
16
T
7
3
37T
T
7
3
37T
3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
17
4. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
21
5. Cấu trúc của luận văn
21
T
7
3
T
7
3
T
7
3
T
7
3
T
7
3
37T
Chương 1: Động học rôbôt phun cát di động RoPC02
T
7
3
23
T
7
3
1. Cơ sở lý thuyết
T
7
3
23
37T
1.1. Phân tích động học hệ nhiều vật bằng phương pháp ma trận Craig
T
7
3
23
T
7
3
1.1.1. Cách xác định các trục của hệ toạ độ khớp
T
7
3
1.1.2. Các tham số động học Craig
T
7
3
23
T
7
3
24
T
7
3
1.1.3. Ma trận Craig
T
7
3
25
37T
1.2. Bài toán động học thuận
T
7
3
26
T
7
3
1.2.1. Xác định vị trí khâu thao tác và vị trí điểm tác động cuối của rơbơt 26
T
7
3
T
7
3
a) Xác định vị trí khâu thao tác
37T
26
T
7
3
b) Xác định vị trí điểm tác động cuối
37T
27
T
7
3
1.2.2. Xác định vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối
T
7
3
28
T
7
3
1.2.3. Xác định vận tốc, gia tốc góc các khâu của rôbôt
T
7
3
28
T
7
3
1.2.4. Xác định vận tốc khối tâm các khâu
28
1.2.5. Hướng của khâu thao tác
29
T
7
3
T
7
3
T
7
3
T
7
3
a) Ma trận côsin chỉ hướng xác định từ các góc RPY
37T
b) Xác định các góc RPY từ ma trận cơsin chỉ hướng
37T
29
T
7
3
T
7
3
29
1.3. Bài toán động học ngược
30
1.3.1. Thiết lập bài toán
30
T
7
3
T
7
3
T
7
3
37T
1.3.2. Các phương pháp giải bài toán động học ngược
T
7
3
2
T
7
3
30
1.3.2.1. Nhóm các phương pháp giải tích
31
1.3.2.2. Nhóm các phương pháp số
32
37T
T
7
3
37T
T
7
3
a) Bài tốn động học ngược rơbơt chuẩn
37T
33
T
7
3
b) Bài tốn động học ngược rơbơt dư dẫn động
37T
36
T
7
3
2. Bài tốn động học thuận rôbôt phun cát di động RoPC02
T
7
3
40
T
7
3
2.1. Thiết lập các hệ toạ độ theo qui tắc của J.Craig
T
7
3
2.2. Lập bảng thơng số Craig
T
7
3
40
T
7
3
41
T
7
3
2.3. Tính các ma trận Craig chuyển toạ độ một điểm từ hệ qui chiếu R i về hệ
T
7
3
R
qui chiếu R i-1
R
R
42
R37T
2.4. Tính các ma trận Craig chuyển toạ độ một điểm từ hệ qui chiếu R i về hệ
T
7
3
R
qui chiếu R 0
R
R
43
R37T
2.5. Xác định vị trí của khâu thao tác (khâu 5) trong hệ toạ độ R 0
T
7
3
R
2.5.1. Vị trí điểm tác động cuối E của khâu thao tác:
T
7
3
44
R3
T
7
44
T
7
3
2.5.2. Xác định hướng của khâu thao tác:
T
7
3
45
T
7
3
3. Bài tốn động học ngược rơbơt phun cát di động RoPC02
T
7
3
48
T
7
3
3.1. Bài toán 1: Điểm tác động cuối E di chuyển theo quỹ đạo là hình sin
T
7
3
48
T
7
3
3.1.1. Phương pháp giải tích
52
3.1.2. Phương pháp số
59
T
7
3
T
7
3
T
7
3
37T
3.1.2.1. Trường hợp rơbơt dạng chuẩn (q 2 = 104π/180 = const)
37T
R
R
60
T
7
3
3.1.2.2. Trường hợp rôbôt dạng dư dẫn động (q 2 # const)
37T
R
R
65
T
7
3
3.2. Bài toán 2: Điểm tác động cuối E di chuyển theo quỹ đạo là đường zíc zắc 69
T
7
3
T
7
3
Chương 2: Động lực học rơbơt phun cát di động RoPC02
T
7
3
82
T
7
3
1. Cơ sở lý thuyết
T
7
3
82
37T
1.1. Biểu thức động năng và thế năng của rôbôt công nghiệp xác định từ các ma
T
7
3
trận Craig
82
37T
1.1.1. Biểu thức động năng
82
1.1.2. Biểu thức thế năng
83
T
7
3
T
7
3
T
7
3
37T
1.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của rôbôt công nghiệp bằng
T
7
3
phương pháp Lagrange loại hai
84
T
7
3
1.3. Dạng ma trận của phương trình Lagrange II
T
7
3
1.3.1 Đạo hàm riêng theo biến véc tơ của ma trận hàm
T
7
3
3
87
T
7
3
T
7
3
87
1.3.1.1. Đạo hàm riêng theo biến véc tơ của một hàm vô hướng
87
1.3.1.2. Đạo hàm riêng của hàm véc tơ theo biến véc tơ
88
37T
T
7
3
37T
T
7
3
1.3.1.3. Đạo hàm riêng theo biến véc tơ của ma trận hàm
37T
88
T
7
3
1.3.1.4. Tích ma trận của hai ma trận và tích kronecker của hai ma trận 89
37T
T
7
3
a) Tích ma trận của hai ma trận
37T
89
T
7
3
b) Tích kronecker của hai ma trận
37T
89
T
7
3
1.3.1.5. Đạo hàm riêng theo biến véc tơ của tích hai ma trận
37T
90
T
7
3
1.3.1.6. Đạo hàm theo thời gian của ma trận hàm biến véc tơ
37T
92
T
7
3
1.3.2. Về một dạng ma trận của phương trình Lagrange loại II của hệ nhiều vật
T
7
3
T
7
3
1.4. Bài tốn động lực học thuận của rơbơt cơng nghiệp
T
7
3
95
T
7
3
1.5. Bài tốn động lực học ngược của rơbơt cơng nghiệp
T
7
3
96
T
7
3
2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của rơbơt phun cát di động RoPC02
T
7
3
T
7
3
3. Bài tốn động lực học thuận rôbôt phun cát di động RoPC02
T
7
3
Chương 3: Điều khiển trượt rôbôt phun cát di động RoPC02
T
7
3
T
7
3
1. Thuật tốn điều khiển trượt rơbơt cơng nghiệp
T
7
3
Kết luận chung
T
7
3
T
7
3
115
119
122
139
37T
Tài liệu tham khảo
T
7
3
T
7
3
119
T
7
3
2. Điều khiển trượt rôbôt phun cát di động RoPC02
T
7
3
98
110
T
7
3
4. Bài tốn động lực học ngược rơbơt phun cát di động RoPC02
T
7
3
93
140
37T
4
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ĐƯỢC SỬ DỤNG
STT
Ký hiệu
1
Ci
2
C ijk
3
Si
sin(q i )
4
S ijk
sin(q i + q j + q k )
5
vCi
Vận tốc khối tâm C i đối với hệ quy chiếu R 0
6
v (Ci)
Véc tơ đại số của vCi trong R 0
Véc tơ đại số của vCi trong R i
8
v (Cii )
ωi
9
ωi( 0)
Véc tơ đại số của ωi trong R 0
10
ω(i i )
Véc tơ đại số của ωi trong R i
7
R
R
R
R
R
0
Diễn giải
cos(q i )
R
R
cos(q i + q j + q k )
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
Vận tốc góc khâu thứ i đối với hệ quy chiếu R 0
R
R
R
Tọa độ thuần nhất của một điểm
11
h
12
Ci
Ma trận Craig của khâu thứ i so với hệ R 0
13
Ki
Ma trận Craig của khâu thứ i so với hệ R i-1
14
Ai
Ma trận côsin chỉ hướng của khâu i so với hệ quy chiếu R 0
15
Li
r
R
R
R
R
R
R
Ma trận côsin chỉ hướng của khâu i so với hệ quy chiếu R i-1
R
R
R
(L i = i-1A i )
R
R
P
P
R
R
Khối lượng khâu thứ i
16
mi
17
M (q )
Ma trận khối lượng suy rộng thực tế
18
M (q )
Ma trận khối lượng suy rộng của bộ điều khiển
19
(q )
M
Sai số của ma trận khối lượng suy rộng
20
Ii
Tenxơ quán tính khối của khâu i trong hệ quy chiếu R 0
21
I i(i )
Tenxơ quán tính khối của khâu i trong hệ quy chiếu quán tính R i
22
J Ti
Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu i
23
J Ri
Ma trận Jacobi quay của khâu i
24
C ( q, q )
R
R
R
Ma trận hệ số qn tính ly tâm và Cơriơlis của mơ hình thực
5
STT
Ký hiệu
Diễn giải
25
ˆ ( q, q )
C
Ma trận hệ số qn tính ly tâm và Cơriơlis của mơ hình điều khiển
26
( q, q )
C
Sai số giữa C ( q, q ) và Cˆ ( q, q )
27
qi
Tọa độ suy rộng thứ i (biến khớp i)
28
q
Véc tơ tọa độ suy rộng
29
qi
Vận tốc suy rộng thứ i
30
q
Véc tơ vận tốc suy rộng
31
qi
Gia tốc suy rộng thứ i
32
q
Véc tơ gia tốc suy rộng
33
ei
Sai số của biến khớp thứ i
34
e
Véc tơ sai số của véc tơ tọa độ suy rộng
35
ei
Sai số của vận tốc suy rộng thứ i
36
e
Véc tơ sai số của vận tốc suy rộng
37
ei
Sai số của gia tốc suy rộng thứ i
38
e
Véc tơ sai số của gia tốc suy rộng
39
si
Sai số suy rộng của véc tơ tọa độ suy rộng thứ i
40
s
Véc tơ sai số suy rộng của tọa độ suy rộng
41
s
Véc tơ sai số suy rộng của vận tốc suy rộng
42
s
Véc tơ sai số suy rộng của gia tốc suy rộng
43
n
Số tọa độ của khâu thao tác
44
m
Số bậc tự do của hệ
45
T
Động năng tay máy
46
Π
Thế năng tay máy
47
x
Véc tơ tọa độ khâu thao tác
48
x
Véc tơ vận tốc khâu thao tác
49
x
Véc tơ gia tốc khâu thao tác
50
x = f (q)
Phương trình động học rôbôt
51
τi
Mômen hoặc lực suy rộng tác dụng lên khớp i
52
τ
Véc tơ mômen điều khiển
R
R
R
6
STT
Ký hiệu
Diễn giải
53
K pd
Hệ số khuyếch đại tỷ lệ - đạo hàm
54
KS
Hệ số khuyếch đại dạng trượt
55
ϕ,ψ , θ
56
V(x)
57
T
Ba góc quay theo các trục của khâu
Hàm Lyapunov
Ma trận biến đổi thuần nhất
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Hình 0.1: Rơbơt phun cát di động RoPC02
U
T
7
3
17
T
7
3
U
Hình 1.1: Biểu diễn các thơng số Craig của khớp quay
U
T
7
3
23
T
7
3
U
Hình 1.2: Khâu cổ tay
U
T
7
3
27
37T
U
Hình 1.3: Các góc Roll-Pitch-Yaw
U
T
7
3
29
T
7
3
U
Hình 1.4: Khâu cổ tay
U
T
7
3
31
37T
U
Hình 1.5: Thuật tốn giải bài tốn động học ngược rơbơt chuẩn
U
T
7
3
36
T
7
3
U
Hình 1.6: Thuật tốn giải bài tốn động học ngược rơbơt dư dẫn động
39
Hình 1.7: Mơ hình rơbơt phun cát di động RoPC02
40
Hình 1.8: Sơ đồ động học rơbơt phun cát di động
42
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 1.9: Đồ thị toạ độ điểm tác động cuối E theo phương Ox 0
U
T
7
3
R
U
R
46
T
7
3
Hình 1.10: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Ox0
U
T
7
3
R
U
Hình 1.11: Đồ thị gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Ox0
U
T
7
3
R
U
R
R
U
Hình 1.14: Đồ thị gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Oy0
U
T
7
3
R
U
Hình 1.15: Đồ thị toạ độ điểm tác động cuối E theo phương Oz 0
U
T
7
3
R
U
R
R
R
U
Hình 1.17: Đồ thị gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Oz0
U
T
7
3
RU
U
46
R
47
T
7
3
47
R
Hình 1.19: Vùng làm việc của rơbơt RoPC02
U
T
7
3
48
T
7
3
48
R3
U
T
7
Hình 1.18: Quỹ đạo điểm tác động cuối E của rôbôt đi theo đường hình sin
U
T
7
3
47
T
7
3
T
7
3
Hình 1.16: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Oz0
U
T
7
3
46
T
7
3
T
7
3
Hình 1.13: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Oy0
U
T
7
3
R
49
T
7
3
U
50
T
7
3
U
Hình 1.20: Mối liên hệ giữa các góc quay của rơbơt theo u cầu của bài tốn
U
T
7
3
T
7
3
U
52
Hình 1.21: Đồ thị quỹ đạo điểm tác động cuối E theo yêu cầu
54
Hình 1.22: Đồ thị biến khớp q1
55
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R
37T
Hình 1.23: Đồ thị vận tốc khớp 1
U
T
7
3
55
T
7
3
U
Hình 1.24: Đồ thị gia tốc khớp 1
55
Hình 1.25: Đồ thị biến khớp q2
56
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.26: Đồ thị vận tốc khớp 2
56
Hình 1.27: Đồ thị gia tốc khớp 2
56
Hình 1.28: Đồ thị biến khớp q4
56
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.29: Đồ thị vận tốc khớp 4
U
T
7
3
57
T
7
3
U
8
Hình 1.30: Đồ thị gia tốc khớp 4
57
Hình 1.31: Đồ thị biến khớp q3
57
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.32: Đồ thị vận tốc khớp 3
57
Hình 1.33: Đồ thị gia tốc khớp 3
58
Hình 1.34: Đồ thị biến khớp q5
58
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.35: Đồ thị vận tốc khớp 5
58
Hình 1.36: Đồ thị gia tốc khớp 5
59
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
37T
U
Hình 1.37: Đồ thị quỹ đạo điểm tác động cuối E thực tế
U
T
7
3
Hình 1.38: Đồ thị biến khớp q1
U
T
7
3
R
U
59
T
7
3
U
60
R37T
Hình 1.39: Đồ thị vận tốc khớp 1
60
Hình 1.40: Đồ thị gia tốc khớp 1
61
Hình 1.41: Đồ thị biến khớp q2
61
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.42: Đồ thị vận tốc khớp 2
61
Hình 1.43: Đồ thị gia tốc khớp 2
61
Hình 1.44: Đồ thị biến khớp q3
62
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.45: Đồ thị vận tốc khớp 3
62
Hình 1.46: Đồ thị gia tốc khớp 3
62
Hình 1.47: Đồ thị biến khớp q4
63
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.48: Đồ thị vận tốc khớp 4
63
Hình 1.49: Đồ thị gia tốc khớp 4
63
Hình 1.50: Đồ thị biến khớp q5
63
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.51: Đồ thị vận tốc khớp 5
64
Hình 1.52: Đồ thị gia tốc khớp 5
64
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
37T
U
Hình 1.53: Đồ thị quỹ đạo điểm tác động cuối E thực tế (phương pháp số)
64
Hình 1.54: Đồ thị biến khớp q1
65
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 1.55: Đồ thị vận tốc khớp 1
65
Hình 1.56: Đồ thị gia tốc khớp 1
65
Hình 1.57: Đồ thị biến khớp q2
66
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.58: Đồ thị vận tốc khớp 2
66
Hình 1.59: Đồ thị gia tốc khớp 2
66
Hình 1.60: Đồ thị biến khớp q3
66
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
9
Hình 1.61: Đồ thị vận tốc khớp 3
67
Hình 1.62: Đồ thị gia tốc khớp 3
67
Hình 1.63: Đồ thị biến khớp q4
67
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.64: Đồ thị vận tốc khớp 4
67
Hình 1.65: Đồ thị gia tốc khớp 4
68
Hình 1.66: Đồ thị biến khớp q5
68
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.67: Đồ thị vận tốc khớp 5
68
Hình 1.68: Đồ thị gia tốc khớp 5
68
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
37T
U
Hình 1.69: Đồ thị quỹ đạo điểm tác động cuối E thực tế (phương pháp số)
69
Hình 1.70: Quỹ đạo điểm tác động cuối E của rôbôt đi theo đường zíc zắc
70
Hình 1.71: Vùng làm việc của rơbơt phun cát di động RoPC02
72
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 1.72: Mối liên hệ giữa các góc của rơbơt theo u cầu của bài tốn
73
Hình 1.73: Đồ thị biến khớp q1
75
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 1.74: Đồ thị vận tốc khớp 1
75
Hình 1.75: Đồ thị gia tốc khớp 1
76
Hình 1.76: Đồ thị biến khớp q2
76
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.77: Đồ thị vận tốc khớp 2
76
Hình 1.78: Đồ thị gia tốc khớp 2
76
Hình 1.79: Đồ thị biến khớp q4
77
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.80: Đồ thị vận tốc khớp 4
77
Hình 1.81: Đồ thị gia tốc khớp 4
77
Hình 1.82: Đồ thị biến khớp q3
77
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.83: Đồ thị vận tốc khớp 3
78
Hình 1.84: Đồ thị gia tốc khớp 3
78
Hình 1.85: Đồ thị biến khớp q5
78
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
37T
U
R
U
R37T
Hình 1.86: Đồ thị vận tốc khớp 5
78
Hình 1.87: Đồ thị gia tốc khớp 5
79
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
37T
U
Hình 1.88: Đồ thị quỹ đạo điểm tác động cuối E thực tế
U
T
7
3
79
T
7
3
U
Hình 1.89: Đồ thị toạ độ điểm tác động cuối E theo phương Ox 0
U
T
7
3
R
U
79
R3
T
7
Hình 1.90: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Ox0
U
T
7
3
R
U
R3
T
7
Hình 1.91: Đồ thị gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Ox0
U
T
7
3
R
U
10
R3
T
7
80
80
Hình 1.92: Đồ thị toạ độ điểm tác động cuối E theo phương Oy 0
U
T
7
3
R
U
80
R3
T
7
Hình 1.93: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Oy0
U
T
7
3
R
U
Hình 1.94: Đồ thị gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Oy0
U
T
7
3
R
U
Hình 1.95: Đồ thị toạ độ điểm tác động cuối E theo phương Oz 0
U
T
7
3
R
U
81
R3
T
7
R
U
Hình 1.97: Đồ thi gia tốc điểm tác động cuối E theo phương Oz0
U
T
7
3
Hình 2.1
U
T
7
3
Hình 2.2
U
T
7
3
R
U
81
R3
T
7
Hình 1.96: Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối E theo phương Oz0
U
T
7
3
80
R3
T
7
81
R3
T
7
81
R3
T
7
82
37T
U
84
37T
U
Hình 2.3: Bài tốn ĐLH ngược trong khơng gian khớp
U
T
7
3
96
T
7
3
U
Hình 2.4: Bài tốn ĐLH ngược trong khơng gian thao tác
U
T
7
3
96
T
7
3
U
Hình 2.5: Mơ hình động lực học rơbơt phun cát di động RoPC02
98
Hình 2.6: Mơ hình động lực học rơbơt phun cát di động RoPC02
99
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 2.7: Đồ thị momen động cơ tác động lên khớp 1
U
T
7
3
111
T
7
3
U
Hình 2.8: Đồ thị momen động cơ tác động lên khớp 2
111
Hình 2.9: Đồ thị momen động cơ tác động lên khớp 3
112
Hình 2.10: Đồ thị Lực động cơ tác động lên khớp 4
112
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 2.11: Đồ thị momen động cơ tác động lên khớp 5
112
Hình 2.12: Đồ thị biến khớp q1
112
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 2.13: Đồ thị vận tốc khớp 1
113
Hình 2.14: Đồ thị biến khớp q2
113
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 2.15: Đồ thị vận tốc khớp 2
113
Hình 2.16: Đồ thị biến khớp q3
113
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 2.17: Đồ thị vận tốc khớp 3
114
Hình 2.18: Đồ thị biến khớp q4
114
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 2.19: Đồ thị vận tốc khớp 4
114
Hình 2.20: Đồ thị biến khớp q5
114
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
R
U
R37T
Hình 2.21: Đồ thị vận tốc khớp 5
U
T
7
3
115
T
7
3
U
Hình 2.22: Đồ thị toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc biến khớp 1 theo thời gian
116
Hình 2.23: Đồ thị toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc biến khớp 2 theo thời gian
116
Hình 2.24: Đồ thị toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc biến khớp 3 theo thời gian
116
Hình 2.25: Đồ thị toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc biến khớp 4 theo thời gian
117
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
11
Hình 2.26: Đồ thị toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc biến khớp 5 theo thời gian
117
Hình 2.27: Đồ thị momen động cơ trên khớp 1
117
Hình 2.28: Đồ thị momen động cơ trên khớp 2
117
Hình 2.29: Đồ thị momen động cơ trên khớp 3
118
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 2.30: Đồ thị lực động cơ tác động lên khớp 4
118
Hình 2.31: Đồ thị momen động cơ trên khớp 5
118
Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển của rơbơt
119
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 3.2: Sơ đồ bộ điều khiển rơbơt RoPC02
U
T
7
3
126
T
7
3
U
Hình 3.3: Sơ đồ giải tốn động học ngược để tìm toạ độ suy rộng, vận tốc, gia tốc
U
T
7
3
mong muốn trên các khớp
126
37T
U
Hình 3.4: Sơ đồ giải bài tốn động lực học ngược rơbơt RoPC02
U
T
7
3
Hình 3.5: Đồ thị các toạ độ khớp q1 , q1d theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
RU
U
RU
U
Hình 3.6: Đồ thị các toạ độ khớp q2 , q2d theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
RU
U
RU
U
Hình 3.7: Đồ thị các toạ độ khớp q3 , q3d theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
RU
U
RU
U
R
U
RU
RU
U
R
U
RU
RU
U
RU
U
RU
U
Hình 3.10: Đồ thị sai số suy rộng s1 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.11: Đồ thị sai số suy rộng s2 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.12: Đồ thị sai số suy rộng s3 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.13: Đồ thị sai số suy rộng s4 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.14: Đồ thị sai số suy rộng s5 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
128
T
7
3
U
128
Hình 3.9: Đồ thị các toạ độ khớp q5 , q5d theo thời gian
U
T
7
3
126
127
T
7
3
U
T
7
3
U
Hình 3.8: Đồ thị các toạ độ khớp q4 , q4d theo thời gian
U
T
7
3
T
7
3
U
128
T
7
3
U
129
T
7
3
U
129
T
7
3
U
129
T
7
3
U
130
T
7
3
U
130
T
7
3
U
130
T
7
3
U
Hình 3.15: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 1
131
Hình 3.16: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 2
131
Hình 3.17: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 3
131
Hình 3.18: Đồ thị lực tác động vào khớp 4
132
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
Hình 3.19: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 5
U
T
7
3
Hình 3.20: Đồ thị các toạ độ khớp q1 , q 1d theo thời gian
U
T
7
3
132
T
7
3
U
R
U
RU
RU
U
RU
U
133
T
7
3
U
Hình 3.21: Đồ thị các toạ độ khớp q2 , q 2d theo thời gian
133
Hình 3.22: Đồ thị các toạ độ khớp q3 , q 3d theo thời gian
133
U
T
7
3
U
T
7
3
R
U
R
U
RU
RU
RU
U
RU
U
RU
U
RU
U
T
7
3
U
T
7
3
U
Hình 3.23: Đồ thị các toạ độ khớp q4 , q 4d theo thời gian
134
Hình 3.24: Đồ thị các toạ độ khớp q5 , q 5d theo thời gian
134
U
T
7
3
U
T
7
3
R
U
R
U
RU
RU
RU
U
RU
U
RU
U
RU
U
12
T
7
3
U
T
7
3
U
Hình 3.25: Đồ thị sai số suy rộng s1 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.26: Đồ thị sai số suy rộng s2 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.27: Đồ thị sai số suy rộng s3 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.28: Đồ thị sai số suy rộng s4 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
Hình 3.29: Đồ thị sai số suy rộng s5 theo thời gian
U
T
7
3
R
U
RU
134
T
7
3
U
135
T
7
3
U
135
T
7
3
U
135
T
7
3
U
136
T
7
3
U
Hình 3.30: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 1
136
Hình 3.31: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 2
136
Hình 3.32: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 3
137
Hình 3.33: Đồ thị lực tác động vào khớp 4
137
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
U
T
7
3
T
7
3
U
T
7
3
U
Hình 3.34: Đồ thị momen động cơ tác động vào khớp 5
U
T
7
3
T
7
3
U
13
137
DANH MỤC CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Bảng 1.1: Các tham số Craig của Rôbôt phun cát di động RoPC02
42
Bảng 2.1: Thông số động lực học rôbôt phun cát di động RoPC02
100
U
T
7
3
T
7
3
U
U
T
7
3
T
7
3
U
14
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Trong ngành công nghiệp đóng tàu, việc xử lý các bề mặt thép tấm cũng như
vỏ tàu trước khi sơn là rất quan trọng. Một trong những phương pháp làm sạch bề
mặt tấm kim loại là cách phun luồng cát lẫn khơng khí dưới áp suất cao lên bề mặt
tấm kim loại. Các hạt cát với động năng lớn sẽ đánh bật các vật bám vào bề mặt kim
loại. Phương pháp phun cát này có ưu điểm là rẻ tiền, đơn giản, rất phù hợp với điều
kiện thực tế Việt Nam. Tuy nhiên, đây là một công việc mà điều kiện làm việc cực
kỳ nguy hiểm cho sức khỏe của công nhân làm việc trực tiếp trong môi trường này.
Ở các nhà máy đóng tàu lớn, người ta đã trang bị hệ thống buồng phun cát tự động
ngoại nhập để nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu tác hại lên sức khoẻ của
người lao động. Tuy nhiên, giá thành và chi phí bảo dưỡng cho các dây chuyền
ngoại nhập này khá cao. Với những nhà máy cỡ vừa và nhỏ, do nhiều nguyên nhân
khác nhau như: thiếu vốn, việc cắt giảm tối đa chi phí để hạ giá thành sản phẩm, .. ,
nên người ta vẫn dùng công nhân trực tiếp làm công việc nguy hiểm này. Do vậy,
việc sản xuất những rôbôt phun cát mang thương hiệu Việt Nam với chi phí rẻ hơn
trong q trình Cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là nhiệm vụ rất cấp thiết.
Từ địi hỏi thực tiễn này, Trung tâm khoa học an toàn lao động - Tổng Liên
đoàn lao động Việt Nam đã phối hợp với Bộ môn Cơ điện tử & CTMĐB Học viện
Kỹ thuật quân sự thực hiện đề tài khoa học: Nghiên cứu, chế tạo Rôbôt phun cát di
động. Việc chế tạo thành công rôbôt phun cát di động RoPC và đưa vào phục vụ sản
xuất tại Việt Nam đã góp phần nâng cao năng suất lao động, cải thiện điều kiện làm
việc cho công nhân. Và hơn thế nữa, nó cịn đánh dấu một bước tiến quan trọng của
nền khoa học nước nhà, mở ra nhiều hướng đi và tham vọng mới về việc tự nghiên
cứu, chế tạo các máy móc, thiết bị hiện đại để phục vụ cho sản xuất trong nước và
xuất khẩu.
Bài toán động lực học và bài tốn điều khiển có ý nghĩa rất quan trọng trong
việc nghiên cứu và chế tạo rôbôt. Do vậy, để hồn thiện và cải tiến cho các mẫu
rơbơt phun cát di động RoPC, sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu thật cẩn thận bài toán
Động lực học và Điều khiển cho rôbôt loại này.
15
2. Lịch sử nghiên cứu
Rôbôt di động (Mobile Robot) ngày nay được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi
trên thế giới. Rơbốt này dùng để nghiên cứu và tìm hiểu ở các môi trường nguy
hiểm hoặc ở những nơi mà con người khơng thể trực tiếp tham gia, ví dụ như tại các
nhà máy hạt nhân để thu gom rác thải hạt nhân, đặc biệt rôbốt này đã được đưa lên
sao Hoả, hay được sử dụng đưa vào các đường ống ngầm nguy hiểm…
Rôbôt di động đơn giản gồm một rơbơt có cấu trúc liên tục kết nối trên một xe
di động, xe có thể tự di chuyển trong vùng làm việc. Sự hoạt động của toàn bộ hệ
thống xe di động và rôbôt được thực hiện nhờ kỹ thuật vi điều khiển thông qua hệ
thống kết nối bằng dây dẫn từ thiết bị đến máy tính. Việc điều khiển rơbơt được
thực hiện bằng các chương trình lập sẵn hoặc kết hợp chương trình lập sẵn với sự
can thiệp của con người.
Xe di động di chuyển được nhờ các bánh xe. Động cơ một chiều hoặc động cơ
bước được sử dụng để truyền chuyển động cho xe thông qua bộ truyền xích.
Cánh tay rơbốt có cấu trúc liên tục, là một chuỗi động học hở có khả năng thao
tác linh hoạt, mô phỏng gần giống cánh tay con người. Do đó có độ cơ động rất
cao.
Nhờ có cơ cấu chấp hành linh hoạt và chính xác, khả năng di chuyển tự do theo ý
muốn nên rôbốt di động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Ta có thể chia ra
ứng dụng của rôbôt di động trong phạm vi những khơng gian kín (trong nhà) và
những khơng gian mở (ngoài trời).
Trong nhà : phục vụ an ninh, giám sát các tịa nhà, các rơbơt thơng minh phục vụ
công việc nhà như lau chùi dọn dẹp nhà cửa, giúp đỡ người già, trẻ em, vận
chuyển hàng hóa tại các kho hàng bến bãi…
Ngồi trời : rơbơt dị đường, rôbôt quân sự, rôbôt dùng trong các ngành công
nghiệp khai khống, rơbơt dùng trong cơng nghiệp vũ trụ, rơbơt phục vụ cho xây
dựng, thủy lợi, cơng trình ngầm, chữa cháy, cứu người…
Sau những nghiên cứu lý thuyết, thử nghiệm các phương án thiết kế, kiểm tra các
tính tốn, Viện nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động - Tổng Liên đồn lao động Việt
Nam đã thành cơng trong việc chế tạo sản phẩm rôbôt phun cát di động phiên bản
RoPC01, là cơ sở để tiếp tục phát triển, xây dựng phiên bản RoPC02. Hiện nay,
16
phiên bản rôbôt phun cát di động RoPC02 đã được sản xuất và trang bị cho một số
nhà máy đóng tàu ở nước ta.
3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Sau đây tơi xin giới thiệu các đặc tính và thông số kỹ thuật cơ bản của rôbôt phun
cát di động RoPC02.
Hình 0.1: Rơbơt phun cát di động RoPC02
RoPC02 là mẫu rôbôt phun cát di động được thiết kế dựa trên tích hợp từ bốn
mơđun khác nhau: mơđun di chuyển M1, môđun công tác M2, môđun điều khiển
M3 và môđun quan sát định vị M4. Với bản chất môđun M1 là một xe di chuyển 3
bậc tự do kết hợp với môđun công tác M2 là một tay máy 5 khâu, 5 bậc tự do
(RRRTR). Rơbơt RoPC02 hồn tồn đảm bảo đáp ứng được yêu cầu di chuyển
điểm mút của khâu cuối đến bất kỳ điểm nào trong không gian thao tác, thoả mãn cả
về vị trí và hướng. Mặt khác với hai chế độ điều khiển từ xa bằng tay và tự động,
cùng với môđun quan sát - định vị M4, gồm các sensơ siêu âm và camera không
dây, rơbơt RoPC02 thực sự có khả năng hoạt động khá linh hoạt trên các địa bàn và
khu vực làm việc khác nhau.
17
Như vậy về cấu tạo, rơbơt RoPC02 có kết cấu gồm bốn mơđun cơ bản như sau:
• Mơđun di chuyển - M1:
- Là loại xe di chuyển bằng 6 bánh lốp hoặc đai xích, có tính năng cơ bản là không
bị trơn, trượt khi di chuyển trên bề mặt phủ cát và với nguồn động lực là các
động cơ DC, thơng qua truyền động đai, hoặc xích, đồng thời được điều khiển
không dây từ xa theo 2 chế độ tự động và bằng tay. Điều khiển tự động được sử
dụng trong q trình rơbơt thực hiện ngun cơng phun cát (được lập trình điều
khiển theo cơng nghệ); cịn điều khiển bằng tay dùng để di chuyển “ thô ” rôbôt
tới vị trí thao tác cơng nghệ. Để nâng cao độ ổn định của rơbơt trong q trình di
chuyển, ở chế độ điều khiển bằng tay, các thao tác di chuyển như tiến, lùi, quay,
rẽ trái và phải… đều có thể thực hiện ở 3 cấp độ khác nhau: nhanh (F- Fast),
trung bình (N- Normal) và chậm (S- Slow).
- Dẫn động và truyền động bằng động cơ điện DC, với bộ truyền động cơ tới các
bánh xe bằng xích, hoặc đai thông dụng. Tuy nhiên các bộ truyền động này phải
được tính tốn thiết kế theo tiêu chuẩn và sử dụng các loại phụ tùng, phụ kiện,
vật liệu v.v. có chất lượng cao.
- Bộ vi điều khiển hoạt động của các động cơ bước thiết kế lập trình chuẩn, với ưu
tiên sử dụng transitor để đóng cắt (hạn chế tối đa sử dụng rơle) trong tính tốn
thiết kế mạch điều khiển.
- Đảm bảo đủ độ bền kết cấu, có tính đến tải trọng tĩnh và động học các môđun
khác. Đối với cụm truyền động chính phải được tính tốn kiểm tra bền.
- Đảm bảo u cầu kín khít nói chung, hạn chế tối đa sự xâm nhập của cát bụi vào
bên trong làm ảnh hưởng tới chất lượng làm việc cũng như độ bền và tuổi thọ của
kết cấu. Song vẫn dễ dàng, thuận tiện tháo lắp khi kiểm tra, sửa chữa hoặc bảo
dưỡng thay thế.
• Mơđun cơng tác - M2:
- Là một tay máy có cấu trúc động học hở dạng cây. Với 5 khâu và 5 bậc tự do,
rôbôt RoPC02 hồn tồn có thể di chuyển khâu cuối (khâu thao tác công nghệ)
tới một điểm bất kỳ trong không gian thao tác tương ứng của rôbôt, đảm bảo cả
về vị trí và hướng. Để truyền động và dẫn động môđun công tác, ở đây đã sử
dụng 5 động cơ bước hoặc secvo tương ứng với 5 khâu công tác. Toàn bộ hoạt
18
động của môđun công tác - M2 cũng được điều khiển từ xa với hai chế độ: tự
động và bằng tay. Hai chức năng điều khiển này tương tự như đối với môđun di
chuyển.
- Các khâu dẫn động bằng các động cơ bước hoặc động cơ secvo DC và để nâng
cao độ chính xác của cơ cấu trong q trình hoạt động, hệ thống truyền động ở
các khâu được sử dụng với các bộ truyền động chất lượng cao như bộ truyền
động bánh răng sóng, bộ truyền động bánh răng con lăn hành tinh và bộ truyền
động trục vít bi.
- Ưu tiên sử dụng transitor trong các mạch điều khiển khi tính tốn thiết kế bộ vi
điều khiển.
- Lựa chọn sử dụng những loại vật liệu nhẹ, có độ bền, cứng cao trong chế tạo các
chi tiết của môđun công tác. Yêu cầu kiểm tra bền theo tải trọng tĩnh và động,
cũng như đảm bảo tính tốn kiểm tra chính xác độ ổn định trong q trình làm
việc của tồn bộ cơ cấu, đặc biệt ở những vị trí “nguy hiểm – tầm với xa nhất”
(thỏa mãn điều kiện mômen gây lật nhỏ hơn mômen chống lật).
- Đảm bảo yêu cầu kín khít nói chung, hạn chế tối đa sự xâm nhập của cát bụi vào
trong làm ảnh hưởng tới chất lượng làm việc cũng như độ bền và tuổi thọ của kết
cấu. Song vẫn dễ dàng, thuận tiện tháo lắp khi kiểm tra, sửa chữa hoặc bảo
dưỡng thay thế.
• Môđun điều khiển - M3:
- Bao gồm bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắp đặt ngay bên trong rơbơt và
thiết bị điều khiển từ xa nằm ngồi rơbơt (bảng điều khiển cầm tay hoặc laptop
kết nối không dây). Dựa trên yêu cầu về chế độ điều khiển, cũng như những
thơng số cụ thể về đặc tính động học và động lực học đặt ra đối với rôbôt
RoPC02, tiến hành tính tốn thiết kế và lập trình điều khiển cho từng mơđun cụ
thể, sau đó được tích hợp để tạo ra hệ thống mạch điều khiển chung cho toàn bộ
hoạt động của rôbôt.
- Bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắp đặt bên trong thân rôbôt, thành một
khối riêng độc lập, có khả năng che chắn kín khít, tránh bụi lọt vào bên trong (sử
dụng các gioăng cao su), song cũng thỏa mãn yêu cầu tản nhiệt của các mạch
điện tử khi hoạt động.
19
- Để hạn chế tối đa tác động của những rung động, cũng như những va đập cơ học
có thể xảy ra trong q trình hoạt động của rơbơt, làm ảnh hưởng tới độ bền tuổi
thọ và chất lượng của các linh kiện điện tử trong các mạch điều khiển. Bộ điều
khiển trung tâm cần phải được lắp đặt trên các lớp đệm đàn hồi vừa đảm bảo đủ
cứng vững, lại vừa có khả năng giảm chấn tốt.
- Lựa chọn và ưu tiên sử dụng các phụ tùng, linh kiện điện tử chất lượng cao, có
nguồn gốc xuất xứ rõ ràng và đặc biệt có đầy đủ chính xác các thơng số, đặc tính
kỹ thuật tương ứng trong lắp ráp chế tạo các mạch điều khiển điện tử của Bộ điều
khiển trung tâm.
- Thiết bị điều khiển từ xa, mà trọng tâm là máy tính có thể sử dụng PC để bàn
hoặc Laptop, song phải đảm bảo có cấu hình phần cứng đủ mạnh và khả năng kết
nối khơng dây.
• Mơđun quan sát định vị - M4:
- Gồm có hai cụm thiết bị: cụm định vị - là các sensor siêu âm dùng để xác định
các vị trí khoảng cách theo u cầu của cơng nghệ đặt ra, duy trì và đảm bảo độ
chính xác thao tác khâu cuối của rôbôt, đặc biệt trong chế độ điều khiển làm việc
tự động; cụm quan sát - là một camera quan sát (loại thông thường, hoặc hồng
ngoại - khi làm việc trong điều kiện mơi trường ánh sáng yếu), truyền tín hiệu
hình ảnh của đối tượng công nghệ và khu vực hoạt động làm việc của rôbôt về
thiết bị điều khiển từ xa, giúp cho việc điều khiển bằng tay di chuyển rôbôt được
thuận lợi, dễ dàng, cũng như cho phép giám sát q trình làm việc tự động của
rơbơt một cách chặt chẽ và với độ tin cậy cao.
- Do điều kiện làm việc trong mơi trường thường xun có nhiều cát bụi, các
sensor do khoảng cách và camera quan sát một mặt cần phải được thiết kế bao
che kín, mặt khác cũng phải tính đến những ảnh hưởng của mơi trường cát bụi
gây ơ nhiễm làm giảm độ chính xác của các tín hiệu, dẫn tới sai lệch trong điều
khiển hoạt động của tồn bộ rơbơt.
- Ưu tiên sử dụng camera hồng ngoại có độ phân giải cao, có tính năng kết nối và
điều khiển qua máy tính.
- Đảm bảo thiết kế lập trình chuẩn Bộ vi điều khiển hoạt động của các sensor với
ưu tiên sử dụng transitor trong tính tốn thiết kế mạch điều khiển.
20
4. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Từ cấu trúc của rơbốt di động đã nói đến trong phần trên, ta thấy chuyển động của
rôbốt di động gồm 2 chuyển động cơ bản. Đó là chuyển động của xe di động và
chuyển động của cánh tay rôbốt. Nhiệm vụ của rơbơt di động là di chuyển tới vị trí
cần thao tác và cánh tay rôbôt sẽ thực hiện những dịch chuyển để thao tác với đối
tượng. Như vậy, chuyển động của xe di động độc lập với chuyển động của rôbôt.
Việc điều khiển chuyển động của xe di động được thực hiện thông qua việc điều
khiển các động cơ bước gắn với các bánh xe. Khi rôbôt di động đã đến vị trí cần
thao tác, cánh tay rơbơt sẽ di chuyển theo một quỹ đạo nhất định để khâu thao tác
của rơbơt có thể thực hiện được các nhiệm vụ theo u cầu của bài tốn. Do đó,
trong luận văn này chúng ta sẽ chỉ nghiên cứu bài toán động học thuận, động học
ngược, động lực học và điều khiển chuyển động cho cánh tay rôbôt (môđun công
tác M2).
5. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, 3 chương nội dung, phần kết luận
chung và phần phụ lục.
o Chương 1: Động học rôbôt phun cát di động RoPC02. Chương này trình bày lý
thuyết phương pháp ma trận Craig và các phương pháp giải bài tốn động học
ngược cho rơbơt dạng chuỗi hở. Sau đó ta áp dụng các lý thuyết trên cho rôbôt
phun cát di động RoPC02 trong trường hợp rôbôt chuẩn (không dư dẫn động) và
trong trường hợp xét rôbôt là dư dẫn động. Bài toán động học ngược được xét
cho một vài trường hợp đặc biệt, hay gặp trong thực tế vận hành của rôbôt
RoPC02.
o Chương 2: Động lực học rôbôt phun cát di động RoPC02. Nội dung chủ yếu của
chương này trình bày cách thiết lập phương trình vi phân chuyển động, cách giải
bài toán động lực học thuận, động lực học ngược của rơbơt, trong đó có sử dụng
các lý thuyết, cơng trình nghiên cứu mới nhất vừa được cơng bố. Sau đó áp dụng
cho rơbơt RoPC02 trong một vài bài toán đặc biệt hay gặp trong thực tế.
21
o Chương 3: Điều khiển trượt rôbôt phun cát di động RoPC02. Chương này trình
bày lý thuyết điều khiển trượt cho rơbơt chuẩn và rơbơt dư dẫn động. Sau đó áp
dụng cho rôbôt phun cát di động RoPC02 cho trường hợp không dư dẫn động.
o Phần kết luận chung : Trình bày một số kết quả chính của luận văn và đề xuất
một số hướng nghiên cứu mới của tác giả trong tương lai.
o Phần phụ lục: Phần này có đưa vào một số đoạn code chương trình bằng ngơn
ngữ Maple và Matlab đã sử dụng trong luận văn (trong cuốn Phụ lục đính kèm
luận văn).
Luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí, trường
Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tình của GS.TSKH
Nguyễn Văn Khang. Nhân dịp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Giáo sư.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Triệu Quốc Lộc - Viện nghiên cứu KHKT Bảo
hộ lao động - Tổng Liên đoàn lao động Việt Nam đã chỉ bảo, giúp đỡ em rất nhiều
trong q trình hồn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cơ học ứng dụng, trường
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em trong suốt quá
trình học tập và làm luận văn tại Bộ môn.
Nhân đây em cũng xin bày tỏ lịng biết sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những
người luôn ủng hộ và giúp đỡ em trong những lúc khó khăn nhất.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, tuy nhiên do kiến thức và thời gian có hạn nên luận
văn này khó tránh khỏi một vài thiếu xót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm
của các thầy.
Người thực hiện
Đỗ Đức Lộc
22
Chương 1
ĐỘNG HỌC RÔBÔT PHUN CÁT DI ĐỘNG RoPC02
1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Như chúng ta đã biết, trong cơ học có nhiều phương pháp phân tích động học hệ
nhiều vật như: Phương pháp ma trận côsin chỉ hướng, phương pháp ma trận
Denavit-Hartenberg, phương pháp ma trận Jacobi, phương pháp ma trận Craig,
phương pháp hình chiếu vng góc v.v… Trong Luận văn này tơi sẽ trình bày
phương pháp phân tích động học hệ nhiều vật bằng phương pháp ma trận Craig, cịn
các phương pháp khác có thể xem trong tài liệu [1].
1.1. Phân tích động học hệ nhiều vật bằng phương pháp ma trận Craig
1.1.1. Cách xác định các trục của hệ toạ độ khớp
Cách xác định hệ toạ độ khớp như hình vẽ 1.1 dưới đây
Khâu i+1
zi+1
zi
z'i
Khớp i+1
zi-1
Khâu i
αi-1
Khớp i
yi
xi
Khâu i-1
Khớp i-1
yi-1 Oi
Oi-1
di
ai-1
x'i
θi-1
O’i
xi-1
Hình 1.1: Biểu diễn các thơng số Craig của khớp quay
Việc xác định các trục toạ độ khớp tuân theo thứ tự sau:
1. Trục z i được chọn dọc theo trục khớp động thư i
R
R
2. Trục x i được chọn theo đường vng góc chung của hai trục z i và z i+1 ,
R
R
R
hướng từ z i tới z i+1 .
R
R
R
R
3. Gốc tọa độ O i là giao điểm của hai trục z i và x i
R
R
R
R
R
4. Trục y i được chọn sao cho hệ trục toạ độ {Oxyz} i là tam diện thuận.
R
R
R
23
R
R
R
R
Hệ tọa độ R i = {Oxyz} i được quy ước là hệ tọa độ khớp, hệ tọa độ này gắn liền vào
R
R
R
R
khâu thứ i, thường được đặt tại khớp có chỉ số bé (tức khớp thứ i).
Chú ý: Đối với cách chọn hệ tọa độ như trên, tại một số khâu, đặc biệt tại giá đỡ
(khâu 0) và bàn kẹp (khâu n) không duy nhất, nên chọn để các tham số Craig là đơn
giản nhất như sau:
1. Cách chọn hệ tọa độ R0 ≡ {Oxyz}0 gắn chặt vào giá đỡ: Về nguyên tắc, ta có
thể chọn hệ tọa độ R 0 gắn một cách tùy ý, tuy nhiên thường chọn O0 z0 ≡ O1 z1
R
R
để đơn giản các tham số Craig, khi đó
=
a0 0=
; α0 0 .
2. Cách chọn hệ tọa độ Rn ≡ {Oxyz}n gắn chặt vào khâu thao tác: chọn z n dọc
R
R
trục khớp n. =
Khi đó an O=
0.
n −1On ; α n
3. Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến, ta có thể chọn trục z i một cách tùy ý. Tuy
R
R
nhiên nên chọn z i dọc trục khớp thứ i (nếu có thể) để đơn giản các tham số
R
R
Craig.
4. Nếu trục z i cắt trục z i+1 thì x i là đường thẳng vng góc với mặt phẳng chứa
R
R
R
R
R
R
(z i , z i+1 ), đi qua giao điểm của z i+1 và z i , hướng trục x i được chọn tùy ý. Nếu
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
trục z i // z i+1 , có vơ số đường vng góc chung, trục x i được chọn tùy ý.
R
R
R
R
R
R
1.1.2. Các tham số động học Craig
Vị trí của hệ toạ độ khớp {Oxyz} i đối với hệ toạ độ khớp {Oxyz} i-1 được xác định
R
R
R
R
bằng 4 tham số động học Craig được xác định như sau:
• α i −1 : Góc quay quanh trục x i-1 (chiều ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ
R
R
đỉnh trục x i-1 xuống) để trục z i-1 tiến tới zi' (với z i’//z i ).
R
R
R
R
R
RP
P
R
R
• ai −1 : Dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục x i-1 để gốc O i-1 tiến tới O i ’ (O i ’ là
R
R
R
R
R
RP
P
R
RP
P
giao điểm trục x i-1 và trục z i ).
R
R
R
R
• θi : Góc quay quanh trục z i (chiều ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ đỉnh
R
R
trục z i xuống) để trục x i-1 tiến tới xi' (với x i ’//x i ).
R
R
R
R
R
RP
P
R
R
• di : Dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục z i để trục x i ’ tiến tới vị trí x i (gốc O i ’
R
R
R
RP
P
R
R
R
RP
P
tiến tới O i ).
R
R
Một cách mô tả khác, ta có thể xác định vị trí của hệ toạ độ khớp {Oxyz} i đối với
R
hệ toạ độ khớp {Oxyz} i-1 bằng 4 tham số động học Craig như sau:
R
R
24
R
