Luận án Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp

đầu chuyển động của khâu tác động cuối là pi. Trạng thái t = 1, ứng với khâu tác động cuối chuyển động đến điểm cuối pi+1 trên quỹ đạo. Như đã nói ở phần đầu, các công thức () cho phép xác định các hệ số đa thức giả định thoả mãn ràng buộc các đoạn bậc ba này chuyển tiếp với nhau. 3.3.6.1 Tính toán minh hoạ với biến q6 Giá trị các biến khớp lấy theo bảng () Gọi: q6(t) = a1 + b1t + c1t 2 + d1t 3 đi qua p1 và p2 q6(t) = a2 + b2t + c2t 2 + d2t 3 đi qua p2 và p3 q6(t) = a3 + b3t + c3t 2 + d3t 3 đi qua p3 và p4 Trong đó t là thời gian quy đổi t thuộc [0 1]. Xét đoạn thứ nhất: Theo điều kiện chuyển vị: q6(t=0) = -5.73116 (1) q6(t=1) = -5.31168 (2) Điểm xuất phát chọn vận tốc đầu bằng không, vận tốc tại điểm chốt căn cứ trên dấu của hai đường thẳng nối P1q6 với P2q6 và P2q6 với P3q6 (Nguyên tắc vận tốc tính toán) vận tốc tại điểm chuyển tiếp lấy bằng trung bình của hệ số góc hai đoạn thẳng trong trường hợp hệ số góc hai đoạn cùng dấu: 10371.0) 4 90147.431168.5 4 31168.573116.5 ( 2 1     q’6(t=0) = 0 (3) q’6(t=1) = 0.10371 (4) Kết hợp 4 phương trình trên có hệ sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101            10371.032 0 31168.5 73116.5 111 1 1111 1 dcb b dcba a giải hệ có            73525.0 15473.1 0 73116.5 1 1 1 1 d c b a Phương trình đoạn thứ nhất có dạng: q6(t) = -5.73116 + (1.15473)t 2 - (0.73525)t 3 Gia tốc tại cuối động trình thứ nhất là: q”(t=1) = -3.25677 Xét đoạn thứ hai: Tương tự như đoạn thứ nhất có hệ phương trình ràng buộc sau, trong đó vận tốc tính toán tại điểm chuyển tiếp giữa đoạn thứ hai và thứ ba là: 12363.0) 4 32259.490147.4 4 90147.431168.5 ( 2 1                12363.032 10371.0 90147.4 31168.5 222 2 2222 2 dcb b dcba a giải hệ có            59308.0 8996.0 10371.0 31168.5 2 2 2 2 d c b a Phương trình đoạn thứ hai có dạng: q6(t) = -5.31168 + (0.10371)t +(0.8996)t 2 - (0.59308)t 3 Gia tốc tại cuối động trình thứ hai là: q”(t=1) = -1.75928 Xét đoạn thứ ba: Vận tốc tại điểm chuyển tiếp giữa đoạn thứ ba và thứ tư tính được là: 10064.0) 4 0963.432259.4 4 32259.490147.4 ( 2 1                10064.032 12363.0 32259.4 90147.4 333 3 3333 3 dcb b dcba a giải hệ có            9335.0 3887.1 12363.0 90147.4 3 3 3 3 d c b a Phương trình đoạn thứ ba có dạng: q6(t) = - 4.90147 + (0.12363)t + (1.3887)t 2 - (0.9335)t 3 Gia tốc tại cuối động trình thứ ba là: q”(t=1) = -2.8236 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 Muốn vẽ ba đoạn mô tả chuyển vị này cần trả hàm biểu diễn về dạng chưa đổi biến (biến thời gian thực). f =-5.73116+1.15473*(x/4)^2-0.73525*(x/4)^3 Với x thuộc [0 4] g =-5.31168+0.10371*(x-4)/4+0.8996*((x-4)/4)^2-0.59308*((x-4)/4)^3 Với x thuộc [4 8] h =-4.90147+0.12363*(x-8)/4+1.3887*((x-8)/4)^2-0.9335*((x-8)/4)^3 Với x thuộc [8 12] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -8 6 -4 -2 0 2 4 6 time (sec) Ch uy en v i q 6 (R ad ) mot chu ky ruoi Hình 3.15: Đồ thị chuyển vị q6 trong một chu kì rưỡi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 time (sec) va n to c bien q6 Hình 3.16: Đồ thị vận tốc biến q6 trong 1.5 chu kỳ 3.3.6.2 Tính toán minh hoạ với biến q5 từ điểm p1 đến p4 Tính hệ số góc của các đoạn thẳng nối hai điểm kề nhau từ P1 đến P5: 0070175.0 4 168159.1196229.1 1   k 00006.0 4 196229.1196205.1 2   k 0026855.0 4 196205.1185463.1 3   k 004703.0 4 185463.1166648.1 4   k Vậy theo quan điểm vận tốc tính toán, giá trị vận tốc tại P1 là xuất phát lấy bằng không. Đoạn thẳng nối hai điểm đầu tiên với đoạn thẳng nối điểm thứ hai và thứ ba có hệ số góc trái dấu, cũng lấy vận tốc chuyển tiếp bằng không. Đoạn thẳng thứ hai và thứ ba có hệ số góc cùng dấu nhưng giá trị rất gần không nên giá trị trung bình cũng xấp xỉ không. Tương tự với đoạn cuối cùng cũng có vận tốc chuyển tiếp xấp xỉ không do gía trị trung bình của hệ số góc gần không. Các hệ phương trình ràng buộc xây dựng được như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104            032 0 196229.1 168159.1 111 1 1111 1 dcb b dcba a Các ẩn xác định được là:            0561.0 0842.0 0 168159.1 1 1 1 1 d c b a            032 0 196205.1 196229.1 222 2 2222 2 dcb b dcba a            0 0001.0 0 196229.1 2 2 2 2 d c b a            032 0 185463.1 196205.1 333 3 3333 3 dcb b dcba a            0215.0 0322.0 0 1962.1 3 3 3 3 d c b a Bỏ qua hệ số c2 quá bé, quy luật chuyển vị giữa p2 và p3 xem là đoạn thẳng, phương trình của từng đoạn được viết như sau: 32 0561.00842.0168159.1)(5 tttq  đoạn từ p1 đến p2 20001.0196229.1)(5 ttq  đoạn từ p2 đến p3 32 0215.00322.01962.1)(5 tttq  đoạn từ p3 đến p4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 1.1 1 1.3 .4 1.5 1.6 1.7 1.8 time (sec) ch uy en v i q 5 (ra d) mot chu ki ruoi Hình 3.17: Đồ thị chuyển vị q5 trong một chu kì rưỡi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 time (sec) va n to c bien q5 Hình 3.18: Đồ thị vận tốc biến q5 trong 1.5 chu kỳ 3.3.6.3 Tính toán minh hoạ với biến q4 từ điểm p1 đến p4 Tính hệ số góc của các đoạn thẳng nối hai điểm kề nhau từ P1 đến P5: 01321.0 4 67017.061733.0 01551.0 4 61733.055529.0 01620.0 4 55529.049046.0 01411.0 4 49046.043401.0 4 3 2 1             k k k k Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ nhất:            01515.032 0 49046.0 43401.0 111 1 1111 1 dcb b dcba a Giải hệ có:            0978.0 1542.0 0 43401.0 1 1 1 1 d c b a Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ hai:            01585.032 01515.0 55529.0 49046.0 222 2 2222 2 dcb b dcba a Giải hệ có:            0987.0 1483.0 01515.0 49046.0 2 2 2 2 d c b a Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ ba:            01436.032 01585.0 61733.0 55529.0 333 3 3333 3 dcb b dcba a Giải hệ có:            0939.0 1401.0 01585.0 55529.0 3 3 3 3 d c b a Phương trình nội suy của từng đoạn có dạng: 32 4 0978.01542.04340.0)( tttq  Đoạn từ p1 đến p2 32 4 0987.01483.001515.049046.0)( ttttq  Đoạn từ p2 đến p3 32 4 0939.01401.001585.055529.0)( ttttq  Đoạn từ p3 đến p4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -1 - .8 - .6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 time (sec) ch uy en v i q 4 (R ad ) mot chu ky ruoi Hình 3.19: Đồ thị chuyển vị q4 một chu kỳ rưỡi 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 time (sec) va n to c bien q4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 Hình 3.20: Đồ thị vận tốc biến q4 trong 1.5 chu kỳ 3.3.6.4 Tính toán minh hoạ với biến q3 từ điểm p1 đến p4 Tính hệ số góc của các đoạn thẳng nối hai điểm kề nhau từ P1 đến P5: 00222.0 4 531815.0522932.0 00002.0 4 531898.0531815.0 00175.0 4 524865.0531898.0 00124.0 4 529826.0524865.0 4 3 2 1             k k k k Giữa các hệ số góc đổi dấu, vận tốc chuyển tiếp sẽ triệt tiêu. Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ nhất:            032 0 524865.0 529826.0 111 1 1111 1 dcb b dcba a Giải hệ có:            0099.0 0149.0 0 529826.0 1 1 1 1 d c b a Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ hai:            032 0 531898.0 524865.0 222 2 2222 2 dcb b dcba a Giải hệ có:            0141.0 0211.0 0 524865.0 2 2 2 2 d c b a Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ ba:            00112.032 0 531815.0 531898.0 333 3 3333 3 dcb b dcba a Giải hệ có:            001.0 0009.0 0 531898.0 3 3 3 3 d c b a Phương trình nội suy của từng đoạn có dạng: 32 3 0099.00149.05298.0)( tttq  Đoạn từ p1 đến p2 32 3 0141.00211.05249.0)( tttq  Đoạn từ p2 đến p3 32 3 001.00009.05319.0)( tttq  Đoạn từ p3 đến p4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 Trên đồ thị này nhận thấy vận tốc và gia tốc rất gần nhau và gần với trục hoành, đó là vì chuyển vị theo bảng lời giải bài toán ngược của khớp này là khá nhỏ. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 time (sec) bie n q3 (R ad ) mot chu ki ruoi Hình 3.21: Đồ thị chuyển vị q3 trong 1.5 chu kì 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.25 -0.2 -0.1 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 time (sec) va n to c bien q3 Hình 3.22: Đồ thị vận tốc biến q3 trong 1.5 chu kỳ 3.3.6.5 Tính toán minh hoạ với biến q2 từ điểm p1 đến p4 Tính hệ số góc của các đoạn thẳng nối hai điểm kề nhau từ P1 đến P5: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 109 010101.0 4 436696.14771.1 01069.0 4 39393.1436696.1 007874.0 4 362434.139393.1 00691.0 4 334793.1362434.1 4 3 2 1             k k k k Các hệ số góc đều cùng dấu, vận tốc chuyển tiếp là giá trị trung bình cộng hệ số góc của hai đoạn thẳng kề nhau. Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ nhất:            007392.032 0 362434.1 334793.1 111 1 1111 1 dcb b dcba a Giải hệ có:            0479.0 0755.0 0 334793.1 1 1 1 1 d c b a Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ hai:            00928.032 007392.0 39393.1 362434.1 222 2 2222 2 dcb b dcba a Giải hệ có:            0463.0 0704.0 007392.0 362434.1 2 2 2 2 d c b a Hệ phương trình ràng buộc với các hệ số của đoạn thứ ba:            010395.032 00928.0 436696.1 39393.1 333 3 3333 3 dcb b dcba a Giải hệ có:            0658.0 0993.0 00928.0 39393.1 3 3 3 3 d c b a Phương trình nội suy của từng đoạn có dạng: 32 2 0479.00755.0334793.1)( tttq  Đoạn từ p1 đến p2 32 2 0463.00704.00074.036243.1)( ttttq  Đoạn từ p2 đến p3 32 2 0658.00993.00093.039393.1)( ttttq  Đoạn từ p3 đến p4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 110 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 time (sec) ch uy en v i q 2 (R ad ) mot chu ki ruoi Hình 3.23: Đồ thị chuyển vị biến q2 trong 1.5 chu kì 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -1.5 1 -0.5 0 0.5 1 1.5 time (sec) va n to c bien q2 Hình 3.24: Đồ thị vận tốc biến q2 trong 1.5 chu kỳ 3.3.6.6 Minh họa với biến q1 từ điểm p1 đến p4 Riêng với biến q1 trong đoạn từ p1 đến p4 có giá trị không thay đổi (Bảng), việc biểu diễn sẽ sử dụng một đường nằm ngang song song trục t. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 111 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 time (sec) bie n q1 (R ad ) mot chu ki ruoi Hình 3.25: Đồ thị chuyển vị biến q1 trong 1.5 chu kỳ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -0.8 -0.6 -0.4 -0. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 time (sec) va n to c bien q1 Hình 3.26: Đồ thị vận tốc biến q1 trong 1.5 chu kỳ Trong thao tác trên có thể nhận thấy, các khớp cổ tay hoạt động nhiều hơn các khớp trên cánh tay, điều đó cho thấy sự thay đổi về hướng diễn ra nhanh hơn sự thay đổi về vị trí trong thao tác này. Để thấy sự thay đổi tương đối giữa các biến có thể xem đồ thị biểu diễn chung cả 6 đường đặc tính như dưới đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 112 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 Mot Chu Ki Ruoi Time(sec) C hu ye n V i q (R ad ) Hình 3.27: Các chuyển vị trong không gian khớp Chuyển vị q1 : ──── Chuyển vị q2 : ──── Chuyển vị q3 : ──── Chuyển vị q4 : ──── Chuyển vị q5 : ──── Chuyển vị q6 : ──── Dưới đây là đường cong thực trong không gian công tác (quỹ đạo của phần công tác): -100 -50 0 50 100 -100 -50 0 50 100 70 75 80 85 90 95 100 x quy dao phan cong tac cua robot y z Hình 3.28: Quỹ đạo của mỏ hàn trong không gian công tác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 113 Khi xây dựng đồ thị gia tốc theo quan hệ đạo hàm, gia tốc bị gián đoạn tại các điểm chốt. Đây là điểm không tránh khỏi, song nội suy với sự tính toán vận tốc tại các điểm chốt có ưu điểm gia tốc thay đổi nhỏ. Phù hợp hơn cả so với các kiểu nội suy khác trong trường hợp quỹ đạo chuyển động nhiều điểm chốt. 3.4 Mô phỏng robot Đối chứng lại giá trị của hàm mục tiêu do Excel tính ra bằng Matlab như trên, để thấy tính đúng đắn của phương pháp. Trong phần này thiết kế một chương trình mô phỏng động học robot, chứng minh khả năng dùng kết quả bài toán động học theo phương pháp tối ưu để điều khiển cấu trúc. Phần mềm Easyrob được dùng rất phổ biến song cơ chế hoạt động của nó là sử dụng chương trình giải bài toán ngược được thiết kế riêng. Lấy ma trận tọa độ thực làm đầu vào nên không thích hợp để thực hiện ý đồ nêu trên. Chương trình mô phỏng sau đây được viết trên Matlab và dịch sang C++ thành một gói độc lập có thể chạy ngoài môi trường Matlab. Ma trận tọa độ thực kết hợp với phương trình động học được dùng để giải bài toán động học ngược bằng phương pháp tối ưu, kết quả là các biến khớp được xuất ra một file text để thực hiện mô phỏng. Ma trận tọa độ thực, kết quả bài toán ngược và hoạt động của robot được hiển thị đồng bộ. Mã nguồn của chương trình này cho thấy trong phần phụ lục. Hình 3.29: Giao diện chương trình mô phỏng robot Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 114 Mô tả các phím chức năng: Nhập dữ liệu: Chỉ đường dẫn tới vị trí đặt file dữ liệu; Start: Bắt đầu thực hiện mô phỏng; Chọn robot: Chọn loại robot cần mô phỏng. Tạm dừng: Dừng mô phỏng ở tư thế hiện thời để quan sát; Restart: Chạy tiếp sau khi tạm dừng chương trình; Exit: Thoát khỏi chương trình. Dữ liệu trong ô có tên dữ liệu biến khớp là kết quả bài toán ngược, dữ liệu trong ô ma trận thế là ma trận tọa độ thực. Mục đích của việc mô phỏng ở đây là minh hoạ khả năng dùng kết quả bài toán ngược giao tiếp và điều khiển robot thực. 3.5 Phần mềm điều khiển robot thí nghiệm 3.5.1 Mô tả cấu trúc thí nghiệm Quan hệ giữa toạ độ điểm trong không gian công tác và không gian khớp là một cơ chế vô cùng phức tạp, để trực quan hoá vấn đề này luận án có sử dụng một robot thí nghiệm 6 bậc tự do sử dụng toàn khớp quay, truyền động cổ tay cầu. Hình 3.30: Bố trí thí nghiệm Gói thí nghiệm gồm robot và mô đun điều khiển, phần mềm điều khiển. Robot có thể chạy tự động online theo lập trình, hoặc chạy ở chế độ sử dụng điều khiển bằng tay. Việc lập trình cần căn cứ trên gốc thời gian và trạng thái làm việc của từng động cơ như vận tốc, chiều quay, thời điểm bắt đầu hoặc kết thúc làm việc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 115 Có thể đồng thời lưu trữ một số chương trình dạy học đã thực hiện và gọi lại để thực hiện khi cần. Hình 3.31: Điều khiển robot bằng tay 3.5.2 Chƣơng trình máy tính Chương trình được thiết kế giống như các phần mềm thương mại thông thường, sau khi install thành công, kích hoạt biểu tương của chương trình để vào màn hình làm việc. Hình 3.32: Thiết lập chương trình trên giao diện Trên đồ thị này ngoài việc thiết lập chương trình còn có thể quan sát chuyển vị của từng động cơ, quan sát trạng thái hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 116 Hình 3.33: Xác lập trạng thái chuyển động cho từng động cơ Toàn bộ mã nguồn của chương trình này cho thấy trong phần phụ lục của luận án. 3.6 Kết luận chƣơng 3 Ứng dụng máy tính giải bài toán ngược là bước để tiến tới tự động hóa chuẩn bị dữ liệu. Thông qua kết quả bài toán ngược giải cho một số robot điển hình mà các giáo trình robot thường hay dẫn ra như các ví dụ minh họa, có thể thấy: - Các cấu trúc robot sử dụng khớp quay, khớp tịnh tiến tổ hợp ngẫu nhiên, giới hạn làm việc của các khớp khác nhau, số bậc tự do khác nhau đều dễ dàng mô tả bằng bài toán tối ưu. - Đối chiếu với kết quả mục tiêu xây dựng trên Matlab cho thấy kết quả giải bài toán ngược theo phương pháp tối ưu trình bày trong luận án hoàn toàn đúng đắn về mặt toán học, các nghiệm tìm được cũng phù hợp với đáp ứng về vật lí của cấu trúc chấp hành. Kết quả thực tế cũng phù hợp với kết quả của các phương pháp truyền thống. - Cách giải bài toán ngược theo phương pháp tối ưu rõ ràng không cần nhiều trực giác toán học như các phương pháp truyền thống đòi hỏi. Song nghiệm nhận được là bộ nghiệm lập trình điều khiển trực tiếp. - Các phép thử có kết quả đồng nhất cho thấy nghiệm nhận được từ bài toán tối ưu thỏa mãn điều kiện dừng, không phải kết quả trung gian khi số vòng lặp đạt đến giới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 117 hạn đặt trước. Điều này chứng tỏ thuật toán tối ưu trong bài toán ngược là thích hợp với dạng hàm banana. - Thuật toán tối ưu giải bài toán ngược cho các cấu trúc robot khác nhau theo cùng một trình tự, trong bài toán không đòi hỏi kỹ năng đặc biệt nào. Điều đó cho thấy những người không được đào tạo chuyên sâu về lí thuyết cũng có thể dễ dàng sử dụng được phương pháp này. - Dữ liệu bài toán ngược đạt được sử dụng để xây dựng các đặc tính chuyển động trong không gian khớp, đây là thông tin dùng để lập trình chuyển động cho robot. - Cuối chương trình bày chương trình máy tính hỗ trợ xây dựng các đa thức nội suy, sử dụng kết quả của bài toán ngược làm đầu vào. Các chương trình máy tính trình bày trong chương này đóng góp cho việc chuẩn bị dữ liệu lập trình một công cụ tin học, mục đích nâng cao tính chính xác của dữ liệu, rút ngắn thời gian chuẩn bị lập trình, công cụ này có thể ứng dụng cho các robot dạng xích động hở nói chung. - Việc chạy thông hai lập trình hỗ trợ nói trên, đã hiện thực hóa quan điểm về bài toán động học ngược để điều khiển thời gian thực đã đề xuất ở chương 2.                 1000 0 )( '1' 1 iii iiiiiii iiiiiii i i i ii i i dcs sascccs casscsc AAqA    Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 118 CHƢƠNG 4 - KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CỔ TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO 4.1. Các cơ cấu cổ tay cầu dùng truyền động bánh răng nón điển hình 4.1.1. Các cơ cấu điển hình Với các đặc điểm kết cấu đơn giản, khả năng định hướng góc lớn, làm việc tin cậy, khả năng nhận truyền động từ xa để giảm trọng lượng. Các cơ cấu cổ tay sử dụng truyền động bánh răng nón khá phổ biến. Bên cạnh đó cơ cấu bánh răng cho phép cổ tay thao tác với các môi trường nhiệt độ cao, dầu mỡ, phóng xạ một cách tin cậy. Bộ truyền bánh răng đặt trong hộp bảo vệ kim loại có độ bền lớn do bôi trơn đầy đủ. Có nhiều nghiên cứu phát triển các loại cổ tay kiểu này, dưới đây giới thiệu một số kết cấu điển hình (bản quyền hình ảnh thuộc [10]): Hình 5.1: Cơ cấu cổ tay T3 Cơ cấu cổ tay T3 như trên có chuyển động quay toàn vòng quanh các trục z1 đến z3 nên vùng làm việc là mặt cầu lí tưởng, tuy nhiên loại này chế tạo và lắp ráp khó. Kiểu cổ tay thứ hai là cổ tay Bendix, bị hạn chế chuyển động pitch nên vùng làm việc của cổ tay kiểu này chỉ là một phần mặt cầu. Hình 5.2: Cổ tay Bendix 4.1.2. Phân loại theo số khâu hợp thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 119 4.1.2.1. Cổ tay bảy khâu c 1 2 b 7 4 5 6 a b 3 Hình 5.3: Cổ tay bảy khâu 4.1.2.2. Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu Ngoài các bánh răng lắp trên các trục khớp, nếu đưa thêm bánh răng trung gian vào điểm giữa các trục khớp sẽ hình thành ra cơ cấu dẫn xuất. Bằng cách này có thể cấu trúc các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu như sau: b 1 2 3 8 5 7 6 4 c b m b b m 1 65 a 2 7 3 8 4 c b b m 1 6 5 a 2 7 3 8 4 c Hình 5.4: Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 4.1.2.3. Các cổ tay tám khâu Các cổ tay tám khâu theo đúng định nghĩa là các cổ tay không có bánh răng trung gian giữa các trục khớp quay của cơ cấu. 5 7 6 8 3 4 ca b 1 b 2 5 6 3 7 4 c 8 a b 1 b 2 5 6 3 8 4 c 7 b 1 2 a b Hình 5.5: Các cổ tay tám khâu 4.1.2.4. Cổ tay chín khâu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 120 b 1 2 a b 5 7 6 9 3 4 c 8 Hình 5.6: Cổ tay chín khâu 4.2. Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai 4.2.1. Phƣơng trình mạch cơ sở Để tổng hợp cấu trúc cần có các mô hình mạch cơ sở làm căn cứ, các mạch cơ sở có phương trình động học của nó khi kết hợp với điều kiện đồng trục tạo nên những hệ phương trình có thể giải được. Nghiệm của hệ này là vận tốc góc của các khâu thuộc hệ. Xét một hệ hai bánh răng ăn khớp ngoài với một khâu nền (k) như hình vẽ: i j k Hình 5.7: Cặp bánh răng ăn khớp ngoài Phương trình mạch cơ sở liên hệ với độ dịch chuyển góc của các bánh răng là: jkjiki N  , (5.1) Trong đó ik và jk là dịch chuyển góc của bánh răng i và j tương ứng so với giá đỡ k. Tỉ số truyền của cặp bánh răng là i j T T N  ; Với T kí hiệu số răng (Teeth). Từ đó có thể rút ra: jkik   và ji ij N N 1  Đạo hàm hai vế phương trình (5.1) theo thời gian có quan hệ vận tốc góc của các khâu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 121 jkjiik N   (5.2) 4.2.2. Điều kiện đồng trục Nếu i, j, k là ba khâu đồng trục, dịch chuyển góc tương đối dọc theo các khâu đồng trục này quan hệ với nhau theo quy luật chuỗi: jkikij   (5.3) Tập hợp các phương trình (5.1) đến (5.3) là mô hình động học cho phép xác định vận tốc góc các khâu. 4.3. Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do Có nhiều phương pháp để tổng hợp cấu trúc động học: - Phương pháp bảng; - Phương pháp vận tốc; - Phương pháp năng lượng; - Phương pháp vòng véc tơ vận tốc. Trong mục này tiến hành tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch cho một cơ cấu cổ tay cầu theo phương pháp năng lượng, sau đó xác định kết cấu cụ thể của cổ tay này. 4.3.1. Giới thiệu chung về cổ tay cầu có phần đóng mạch Đối với các cơ cấu cổ tay cầu như phân loại ở trên, trong quá trình chế tạo lắp ráp các cụm bánh răng nón khó tránh khỏi khe hở, nếu khử hết khe hở ban đầu thì trong quá trình làm việc hiện tượng này vẫn xuất hiện do các khâu ma sát với nhau bị mòn theo thời gian. Hậu quả của hiện tượng này là khe hở mặt bên của bộ truyền bánh răng làm ảnh hưởng đến độ trễ của khâu được điều khiển. Nếu điều khiển mạch kín, tín hiệu phản hồi lấy về bộ điều khiển từ khâu tác động cuối có thể khắc phục được hiện tượng này, tuy nhiên khí đó độ cứng cơ học của cấu trúc không cao. Trong điều khiển mạch hở để phần cơ khí có thể tự bù được khe hở mặt bên trong bộ truyền bánh răng, thường sử dụng các đường dẫn song song dư. Cấu trúc này khử được khe hở mặt bên, tăng cường khả năng tải và cân bằng động tốt hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 122 Một phiền phức của việc cấu trúc đường dẫn song song dư là số khâu nền tăng lên, cấu trúc xuất hiện chuyển động theo. Việc xác định cấu trúc và tỉ số truyền của các khâu thuộc phần đóng mạch trở nên khó khăn. 4.3.2. Đề xuất cấu trúc phần chấp hành Trong truyền động cơ khí, để liên kết chuyển động quay của ba trục quay có đường tâm vuông góc với nhau sẽ sử dụng bánh răng nón. Có thể đề xuất sơ đồ sau đây trên cơ sở kế thừa các thiết kế đã công bố ở trên. 1 2 3 B 3' 2' 3" B' Hình 5.8: Cấu trúc cổ tay cầu ba bậc tự do Nhận thấy kích thước bao nhỏ nhất sẽ đạt được ở cấu trúc này do có các đỉnh nón côn gặp nhau tại một điểm, kích thước cổ tay ở phần chấp hành nhỏ gọn sẽ dễ dàng thao tác trong các không gian hẹp, hạn chế va chạm với các đối tượng khác trong vùng làm việc. Khác với cổ tay Bendix chỉ có 3 khâu nền, cấu trúc trên bao gồm bốn khâu nền 1, 2, 3, B để hình thành ba mạch vòng kín với mục đích hình thành xích khử rơ, các cơ cấu trên đây mới chỉ là phần trực tiếp tạo ra các chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc truyền động song song dư Khi cơ cấu chấp hành quay thuận, một trong hai truyền dẫn song song dư đóng vai trò xích động lực, xích còn lại đóng vai trò xích khử rơ. Khi cơ cấu chấp hành đảo chiều quay, hai xích này đổi vai trò cho nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 123 Cấu trúc của phần đóng mạch hiện chưa xác định, trong mục kế tiếp sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến tổng hợp động học của cơ cấu này. 4.3.3. Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch 4.3.3.1 Điều kiện động học của mạch vòng kín Mạch vòng kín thực chất là truyền động song song dư, với xích động học kín khi xuất phát từ một điểm trên xích theo hướng truyền lực có thể trở lại điểm ban đầu. a b c Hình 5.10: Truyền dẫn hở và truyền dẫn kín H (5.10.a) là một truyền dẫn hở, nếu các bộ truyền có khe hở mặt bên thì khi đảo chiều từ khâu chủ động, khâu bị động sẽ nhận được tín hiệu đảo chiều trễ đúng bằng khoảng thời gian khử hết khe hở mặt bên. Trên H (5.10.c) cắt hai phần tử đồng trục và liên kết lại bằng một khâu đàn hồi, sơ đồ phân tích chiều quay cho thấy hai nửa của phần tử bị chia cắt tham gia vào hai xích truyền động tới có chiều quay phù hợp nhau song mô men xoắn ở hai nửa bị chia cắt này hướng ngược nhau có tác dụng khử khe hở trong xích. Đối với các cơ cấu vi sai hai bậc tự do, có truyền dẫn với dòng năng lượng khép kín, lúc này trong cấu trúc xích động cần có hai mạch vòng khép kín thoả mãn i = 1. Kí hiệu một cơ cấu vi sai gồm ba khâu (2 đầu vào, một khâu tổng) lần lượt là 1, 2 là chủ động. 3 là bị động như hình vẽ. H.a H.b 1 2 3 i1-3 i2-3 1 2 3 4 5 6 Hình 5.11: Mạch vòng kín với 1 và 2 khâu vi sai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 124 Trong H (5.11.a) giả sử cố định đầu vào 1, đầu vào 2 là chủ động, cơ cấu còn một bậc tự do, gọi i2-3 là tỉ số truyền từ chân 2 sang chân 3 của cơ cấu cộng. Gọi iz là tỉ số truyền của xích khép kín mạch. Lúc này theo điều kiện làm việc của mạch vòng kín: i2-3.iz = 1. hay 32 1   i iz . Tương tự có: i1-3.iz’ = 1. hay 31 ' 1   i iz . Tại giao điểm hai xích động vì tốc độ khó có thể cân bằng nên phải đưa cơ cấu vi sai thứ hai vào cấu trúc H(5.11.b), lúc này điều kiện làm việc của hai vòng kín độc lập là:        1... 1... 14466331 25566332 iiii iiii Đây là đặc điểm làm cơ sở cho việc tổng hợp các cấu trúc có nhiều bậc tự do hơn. Số bậc tự do của cấu trúc H (5.11) khi xác định theo công thức Trêbưsep là: 1230  mKnw Trong đó n0 là số lượng trục chấp hành của cấu trúc, Km là số cơ cấu vi sai của cấu trúc. Kết quả tính toán này không phù hợp với thực tế, điều này được giải thích vì trong cấu trúc có tồn tại mạch vòng kín. Vì vậy khi xác định số bậc tự do cho cơ cấu vi sai kín người ta thường sử dụng công thức sau đây, đã có tính tới sự có mặt của các mạch vòng kín i = 1. w p Knw m  0 Trong đó p là số mạch kín độc lập có i = 1. Công thức này được sử dụng để xác định số cơ cấu vi sai cần thiết tham gia vào cấu trúc khi tiến hành tổng hợp. 4.3.3.2 Tính chất lát cắt Xét một hệ vi sai kín như H (5.12) gồm tổ hợp của nhiều cơ cấu vi sai, hệ thoả mãn điều kiện làm việc (i = 1). Sử dụng một lát cắt để tách cấu trúc làm hai phần, một phần chứa không ít hơn một cơ cấu vi sai, phần kia chứa tất cả các cơ cấu vi sai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 125 còn lại, lát cắt không ngang qua cơ cấu vi sai mà ở vị trí các bộ truyền khác liên kết chúng. a c b d 3 4 1 2 5 6 1 4 b 2 d 5d a 3a 6d 5c 6c 3c c Hình 5.12: Sơ đồ tạo lát cắt trên cấu trúc Mỗi một khâu trong số các khâu đã tách ra tham gia ít nhất vào một mạch kín độc lập có i=1 do đó: 1.. 56653553   ccddccda iiii Hay còn có thể viết được dưới dạng: 1 65 65 53 53      cc dd cc da i i i i Từ đây có quan hệ về tỉ số truyền giữa hai nửa của cấu trúc: ccddccda iiii 65655353 ;   Quan hệ này nói lên rằng, các chân có cùng chỉ số khi nối với nhau có quan hệ tỉ số truyền tương ứng, ở sơ đồ trên các chân nối với nhau phải thành từng cặp: 3a và 3c; 5d và 5c; 6d và 6c, Khi tổng hợp cấu trúc đóng mạch cho khớp cổ tay robot, phần đóng mạch được coi như bị cắt ra từ một cấu trúc đầy đủ có các mạch vòng kín với i=1. Bài toán quy về xác định cơ cấu vi sai đối tiếp với phần đề xuất ban đầu, để khi liên kết hai nửa lại hình thành ra số mạch kín có i=1 đúng bằng số bậc tự do mà cấu trúc phải tạo ra, trong mỗi một mạch kín đó phải có một nguồn động và một trong số các trục quay tạo ra chuyển động công tác. 4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu Xét cơ cấu cổ tay ba bậc tự do như trên H 5.8, điều kiện phụ thuộc động học của chuyển động chấp hành "3'21 ;;  vào chuyển động của ba động cơ dẫn động được biểu diễn như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 126         "3"33 '2'22 111 . . .    i i i d d d Trong đó "333"3'222'2 .;. iiiiii  và i1, i2, i3 là các tỉ số truyền giữa trục động cơ và các khâu chủ yếu để tạo ra các bậc tự do chuyển động của cấu trúc. Hệ phương trình trên thiết lập cho cơ cấu ba bậc tự do chuyển động, các quan hệ động học của nó được suy ra từ các mô hình có số bậc tự do bằng hai sau khi chia cắt thành các cấu trúc có hai bậc tự do. Để biến đổi tiếp hệ phương trình này, xét cấu trúc sau: 1 2 2' a Hình 5.13: Cơ cấu vi sai hai bậc tự do phẳng Phương trình liên kết động học của các khâu có dạng: )()( 1212   aai (5.3) Tỉ số truyền liên kết giữa khâu 2 với khâu a là: 2 2 Z Z i aa  Biểu thức vận tốc góc của bánh vệ tinh 2’ phụ thuộc vào vận tốc góc của một trong ba cặp 1,2 1,a và 2,a có dạng như sau:             a aa aa i ii i i 2 22'2'22 1'2'2 12'2'22 1 1 )(    (5.4) Tỉ số truyền i22’ và ia2’ là các tỉ số truyền liên kết khâu 2 và khâu a với khâu 2’ khi cần vi sai 1 là đứng yên. Xét hệ vi sai phẳng có ba bậc tự do như hình vẽ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 127 2 1 2' 3 B 3' B' 3" Hình 5.14: Cơ cấu vi sai ba bậc tự do phẳng Xem cơ cấu hai bậc tự do gồm các khâu nền là (2’, 3’, B’) còn bánh vệ tinh là 3”, giống cơ cấu đã xét ở trên, phương trình liên kết động học với cơ cấu này tương tự như cơ cấu đã xét ở trên nên viết được:      '2'3"3"3'3 '2'''3'2'3 )(   i i BB (5.5) Chia hệ này ra thành hai hệ hai bậc tự do nối với nhau bao gồm: (1, 3, 3’) và (1, B, B’) Tương tự như (5.4) có: ' 1 ' '33 13 '3 ; BB B B ii   Khi đặt các giá trị '3 , 'B , và '2 từ (5.4) vào (5.5) và kể đến rằng: "33"3'3'33 '3''3'33 . . iii iii BB   Hệ phương trình mô tả động học của cơ cấu ba bậc tự do như sau:         12'2'22 3'222'331'22'33"3"33'22 '22'33''222''3''331''33'22'3''22''3 )( 0)()(    i iiiiii iiiiiiiiiiiiiiii BBBBBBBBBBBBBBBBB (5.6) 4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch Từ các quan hệ động học của cổ tay hình 5.9, viết được: '''' 33322 BBB iiii  và "" 333 ii  Thay vào (5.6) và tối giản hoá: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 128               '22 12 '2 "33 23 "3 321 )(2 i i B      (5.7) Thay (5.7) vào (5.6), kể cả các quan hệ khử rơ của bản thân cấu trúc: BBxx   ;33 ; Các quan hệ động học mà cơ cấu đối tiếp đóng mạch cần thoả mãn là:            Bxx xd d d i i i     321 3233 1222 111 22 )( )( . (5.8) Do có ba bậc tự do ứng với ba khâu đầu ra, để khép kín mạch sử dụng bốn khâu nền, tổng số khâu của cấu trúc: n0 = 3 + 4 = 7. Số bậc tự do của cơ cấu w = 3, nên số mạch vòng kín tương ứng p = 3. Như vậy số lượng cơ cấu vi sai tối thiểu của toàn bộ cấu trúc: 51370  w p wnKM Trong đó có một cơ cấu vi sai phần chấp hành, vậy trong cấu trúc đóng mạch chỉ còn lại 4 cơ cấu, để thuận tiện cho liên kết kí hiệu các chân của cơ cấu vi sai: A(3x, d3, 2); B(4, d1, d2); C(Bx, d3, 4); D(2, d1, d2) Trong đó các chân kí hiệu d1, d2, d3 là các chân nối nguồn chuyển động. Trong hệ phương trình (5.8) mô tả cấu trúc của phần đóng mạch, phương trình thứ ba từ trên xuống dưới có chứa các thừa số (3x, d3, 2) giống như các chân của cơ cấu vi sai A, các tỉ số truyền i1, i2, i3 trong (5.8) được phép chọn trước, chọn: i3 = -2, do xd ii 33233   Đặt 522   ; có phương trình xd 353 2  Đây là phương trình chính tắc mô tả cơ cấu vi sai kí hiệu A trên sơ đồ cấu trúc. Đối với phương trình thứ 2 của (5.8) chọn i2 = 2 có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 129 )(2 122  d đặt 11 i thay vào phương trình thứ nhất của (5.8) 11  d Vậy phương trình thứ hai là: 15122 222 dd   đặt 26 d  Phương trình thứ hai của (5.8) sau cùng có dạng 165 2 d  Đây là phương trình chính tắc mô tả cơ cấu vi sai kí hiệu D trên sơ đồ cấu trúc. Thay các tỉ số truyền i3 = - 2; i2 = 2; 11 i vào ba phương trình đầu của (5.8) để rút ra các đại lượng x312 ,,  thay vào phương trình cuối cùng của (5.8) nhận được kết quả sau tối giản: 022 123  dddBx  phương trình trên tương đương với hệ phương trình sau đây sau khi thêm bớt 4 ,      124 34 2 2 dd Bxd   So sánh với các kí hiệu về chân của các cơ cấu vi sai, hai phương trình này biểu diễn quan hệ động học của cơ cấu B và C. Đặt 71  d với lí do là các cơ cấu vi sai không bố trí trên cùng một trục, kí hiệu  là khâu cố định của cấu trúc thì 0 . Vậy hệ phương trình mà cơ cấu đóng mạch phải thoả mãn là:                      0 2 2 2 2 2 17 26 25 124 84 165 353         d d dd Bx d xd Trong đó bốn phương trình đầu biểu diễn bốn cơ cấu vi sai, các chân cùng tên của các cơ cấu này được liên kết với nhau. Bốn phương trình kế tiếp biểu thị các trục trung gian đảo chiều chuyển động trong cấu trúc và vị trí liên kết nguồn chuyển động vào cấu trúc. Căn cứ vào hệ phương trình này phải xác định được sơ đồ liên kết các cơ cấu vi sai với nhau. Các chân cùng tên của các cơ cấu khác nhau thì liên kết với nhau theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 130 tính chất lát cắt. Ba động cơ truyền dẫn nối giá cố định (hay nối với khâu có 0 ) bốn đầu chờ của cơ cấu chấp hành ba bậc tự do gồm: Chân (1) liên kết với cơ cấu dẫn động ở phần khép mạch là d1 (theo quan hệ )11 d  ; Chân (2) được nối với 5 theo quan hệ 25 2  ; Chân (3) được nối với 3x theo quan hệ khử rơ x33   ; Chân (B) được liên kết với Bx theo quan hệ khử rơ BxB   ; Sơ đồ động và sơ đồ nguyên lí liên kết như sau: 3 B1 2 3' B' 3" 2' 3x Bx d3 5 A C 4 BD d1 7 6 d2 A C D B 2 2 d2 d2 d1 d1 4 4 d3 d33x Bx Hình 5.15: Sơ đồ động cổ tay ba bậc tự do có phần đóng mạch Có thể kiểm tra được rằng các mạch vòng kín i=1 tương ứng luôn xuất hiện khi kích hoạt các động cơ tương ứng 4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả Quy ước các bánh răng màu xanh là động (các bánh răng cùng màu tạo thành một đường truyền) riêng các bánh răng màu đỏ trên sơ đồ là các bánh răng tự hãm vì nối với trục của bánh vít. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 131 M3 B 3 4 M2 10 2 M1 1 A R1 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 31 Hình 5.16: Truyền động trục Roll Theo như sơ đồ khi động cơ M1 hoạt động chỉ có R1 là chuyển động quay quanh trục trung tâm của cơ cấu, các chuyển động theo R2 và R3 không có mặt. M3 B 3 4 M2 10 2 M1 1 A 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 31 R3 Hình 5.17: Truyền động trục Yaw Theo như sơ đồ này khi M2 hoạt động M1 và M3 không hoạt động, trong số 4 đầu vào của cơ cấu chấp hành chỉ có hai đầu có chuyển động. Do đó chỉ có đầu định hướng của cơ cấu là tự quay quanh trục của nó, các chuyển động theo khác không tồn tại. M3 B 3 4 M2 10 2 1 1 A 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 R2 31 Hình 5.18: Truyền động trục Pitch Khi M3 hoạt động chỉ sinh ra chuyển động R2 của cơ cấu chấp hành, không có chuyển động theo khác. Các tính toán trên đây đã được chứng minh bằng thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 132 nghiệm, bản vẽ lắp của toàn hộp giảm tốc cổ tay có sơ đồ động học như trên được cho như dưới đây. Chú ý rằng quan hệ động học 25 2  đã tạo ra một tỉ số truyền 0.5 duy nhất trên sơ đồ động, đó là bộ truyền bánh răng trụ ăn khớp ngoài ở trục trên cùng của hộp. 4.4. Kết luận chƣơng 4 Trong chương này trình bày một số vấn đề cơ sở liên quan đến động học cơ cấu cổ tay cầu sử dụng truyền động bánh răng. Vai trò, vị trí và các kết cấu nhóm điển hình của cổ tay cầu. Nhằm tăng cường khả năng tải, khả năng cân bằng động và khử khe hở trong cấu trúc truyền dẫn của cổ tay, các cổ tay sử dụng truyền động song song dư với số khâu nền lớn hơn được sử dụng vì mục đích này. Trong chương còn đề xuất phần chấp hành của cơ cấu cổ tay ba bậc tự do với bốn khâu nền và tổng hợp động học phần đóng mạch cho cấu trúc này, để có ba mạch vòng kín ứng với ba truyền động của cổ tay. Trên cơ sở sơ đồ động của cơ cấu cổ tay nói trên phần cuối chương đã tiến hành xác định kết cấu cơ khí của cổ tay. Các kiểm chứng trên cơ sở thực nghiệm với cổ tay thật cho thấy hoạt động hoàn toàn đúng với các mô tả về chức năng. Với đặc điểm độ cứng vững cơ học cao, khả năng cân bằng động học và khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí tốt, cơ cấu này có thể ứng dụng cho các mục đích yêu cầu độ tin cậy và khả năng tải lớn. Tuy nhiên do số lượng khâu lớn và kết cấu phức tạp, hiệu suất truyền động và khối lượng bản thân của cơ cấu này là những nhược điểm cần tiếp tục giải quyết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án đã có được những đóng góp mới trong lĩnh vực động học và một số mô đun thiết bị phần chấp hành của robot công nghiệp, cụ thể là: 1. Phân tích các yếu tố quyết định tốc độ hình thành lời giải trong bài toán động học ngược của robot. Chỉ ra những điểm hạn chế của các phương pháp giải bài toán động học ngược robot, dựa trên các kỹ thuật biến đổi phương trình véc tơ vòng kín và các phương pháp số. 2. Đề xuất sử dụng phương pháp tối ưu hoá để thay thế cho các phương pháp nói trên, đồng thời đưa ra cơ sở xây dựng giải thuật mới cho bài toán động học ngược robot. Đây là phương pháp có tính tổng quát cao dễ sử dụng và đảm bảo được yêu cầu điều khiển thời gian thực với robot. 3. Chỉ ra các dạng thức khác nhau của bài toán tối ưu trong trường hợp robot không đủ 6 bậc tự do công tác. Cần ưu tiên vị trí hoặc định hướng của khâu chấp hành. 4. So sánh lựa chọn phương pháp tối ưu hoá thích hợp với dạng hàm Banana của bài toán, trên cơ sở những phương pháp có triển vọng cao do các tạp chí toán học chuyên nghành tối ưu xếp hạng, đảm bảo tính ổn định và thời gian giải bài toán ngắn nhất so với các phương pháp khác. 5. Sử dụng hàm Solver của MS-Excel giải bài toán ngược cho một số robot điển hình và kiểm tra kết quả bằng cách đối chiếu với các phương pháp truyền thống. Phương pháp này cho phép khởi tạo bài toán ngược đến 200 biến, đáp ứng mọi yêu cầu giải bài toán ngược cho robot trên thực tế. 6. Nội suy quỹ đạo chuyển động cho robot trong không gian khớp, lấy thông tin đầu vào là kết quả bài toán động học ngược và thời gian chuyển động hết quãng đường giữa hai điểm tựa cho trước bởi ma trận thế. 7. Đề xuất một cấu trúc cổ tay cầu sử dụng truyền động song song dư tăng cường khả năng cân bằng động học và khả năng tải của cấu trúc. Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình dựa trên thiết kế đó. 8. Một số kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 134  Phát triển phương pháp tối ưu hoá giải bài toán động học cho robot song song, theo định hướng ghép bài toán xác định các nghiệm toán học và nghiệm điều khiển làm một bài toán duy nhất nhằm giảm thời gian chuẩn bị dữ liệu.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot hở để giải quyết các bài toán khác kết hợp như tránh va chạm trong vùng làm việc, hạ thấp trọng tâm, di chuyển tối thiểu, trên cơ sở điều chỉnh miền chọn nghiệm của bài toán tối ưu, hoặc khởi tạo bài toán quy hoạch đa mục tiêu.  Phát triển phương pháp tối ưu xác định biên của vùng làm việc dựa trên chức năng gán trước giá trị mục tiêu của Excel, tạo ra một đám mây điểm là tâm bàn kẹp nằm trên ranh giới phía trong và phía ngoài biên của miền làm việc.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot để khảo sát sự di động của điểm tựa công nghệ hợp lí, trong khi giải bài toán động học ngược của robot theo phương pháp các nhóm ba [8].  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot, trên cơ sở quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp thay vì sử dụng quy tắc DH như hiện nay.  Định nghĩa một lần từ đầu chương trình, nhằm tránh việc tính toán lặp lại các đại lượng siêu việt có tần suất xuất hiện lớn trong hàm mục tiêu. Từ đó rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu động học hơn nữa.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot thành pha 2, trong bài toán động học ngược dùng phương pháp hình học có pha 1 sử dụng phương pháp các nhóm 3 [8]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội dung của đề tài luận án). 1. Phạm Thành Long, Trần Vệ Quốc (2004), “Điều khiển Robot hàn khi gia công các quỹ đạo phức hợp”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (48+49), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 137-141. 2. Phạm Thành Long, Hoàng Vị (2008), “Xác định các biến trong điều khiển động học robot, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (65), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 30-33. 3. Phạm Thành Long, Hoàng Vị (2009), “Tự động hóa chuẩn bị dữ liệu động học trong điều khiển robot”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (68), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 53-58. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Tạ Văn Đĩnh (2000), Phương pháp tính- giáo trình dùng cho các trường đại học kỹ thuật, Nxb Giáo Dục, Hà Nội, tr. 7-21. 2. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm (2003), Lập trình Matlab, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 114-131. 3. Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật Robot, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 18-55. 4. B. Heimann, W. Gerth, K Popp (2008), Cơ điện tử, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 19-65. 5. Nguyễn Nhật Lệ (2001), Tối ưu hóa ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 76-87. 6. Tạ Duy Liêm (2004), Robot và hệ thống công nghệ Robot hóa-Giáo trình cao học ngành cơ khí, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 109-127. 7. Nguyễn Thiện Phúc (2002), Robot công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 86-133. 8. Nguyễn Ngọc Quỳnh, Hồ Thuần (1978), Ứng dụng ma trận trong kỹ thuật, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 123-142. 9. Trần Thế San (2003), Cơ sở nghiên cứu và sáng tạo Robot, Nxb Thống kê, tr. 27-192. 10. Trần Vũ Thiệu, Bùi Thế Tâm (1998), Các phương pháp tối ưu hóa, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội, tr. 373-389. 11. Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 59-99. 12. Bùi Minh Trí (1995), Tối ưu hóa, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, tr. 165- 195. 13. Đoàn Thị Minh Trinh (1998), Công nghệ CAD/CAM, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr. 23-37. 14. Nguyễn Phùng Quang (2006), “Những điều cần biết về điều khiển robot”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, (68), tr. 49-52. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 137 15. Nguyễn Trọng Doanh (2008), “Thiết kế hệ thống đo độ chính xác lặp cho robot công nghiệp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (64), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 25-29. 16. Phạm Thành Long (2003), “Nghiên cứu động học, động lực học tay máy hàn PANASONIC” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐHKT CN Thái Nguyên. 17. Thái Thu Hà, Hồ Thanh Tâm (2005), “Ứng dụng robot song song trong máy đo toạ độ CMM”, Tuyển tập các báo cáo khoa học vica 6, Hà Nội, tr. 162-166. 18. Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2007), Nhập môn robot công nghiệp, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 128-214. Tiếng Anh 19. J. Abadie and J. Carpentier (1969), Generalization of the Wolfe reduce gradient method to the case of nonlinear constraint, Optimization, Academic Press, London, pp. 37-47. 20. P. T. Boggs and J. W. Tolle (2000), Sequential quadratic programming for largge-scale nonlinear optimization, J. Comput. Appl. Math. 124, (1-2), pp. 123-137. 21. K. Deb (2000), An efficient constraint handling method for genetic algorithm, Comput, Methods Appl. Mech. Eng. 186 , (2- 4), pp. 311-338. 22. L. Yan and D. Ma (2001), Global Optimization for constrained nonlinear programs using line-up competition algorithm, Compus. Oper. Res. 25, (11-22), pp. 1601-1610. 23. M. Mathur, S. B. Karale, S. Priye, V. K. Jayaraman, and B. D. Kulkani(2000), Ant Colony approach to continuos function optimization, Ind. Engng. Chem. Res 39, (10), pp. 3814-3822. 24. M. Sakawa and K. Yauchi (2000), Floating point genetic algorithms for non convex nonlinear programming problems: revised GENOCOP III, Electron. Comm. Japan 83, (8), pp. 1-9. 25. H. sarimveis and A. Nikolakopoulos (2005), A A line up evolutionary algorithm for solving nonlinear constrained optimization problems, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 138 Comput. Oper. Res 32, (6), pp. 1499-1514. 26. C. Kao (1998), Performance of Several nonlinear Programming Software packages on microcomputers, Comput. Oper. Res. 25, (10), pp. 807-816. 27. A. F. Kuri-Morales and J. Guitiérrez-Garcia (2001), Penalty functions methods for constraited optimization with genetic algorithm: a statistical analysis, Proc. 2 nd Mexican International Conference on Artificial Intelligence, Springer-Verlag, Heidelberg, Gemany, pp. 108-117. 28. L. S. Lasdon, A. D. Warren, A. Jain, and M. Ratner (1978), Design and Testing of a generalized reduced gradient code for nonlinear Programming, ACM Trans. Math. SoftWare 4, (1), pp. 34-50. 29. Z. Michelewicz (1995), Genetic Algorithms, Numerical Optimization and constraints, Proc, 6 th International Conference on Genetic algorithm (L. J. Eshelman, ed.), Morgan Kaufmann, California, pp. 151-158. 30. Z. Michelewicz, M. Schoenauer (1996), Evolutionary algorithms for constrained parameter optimization problems, Evolutionary Computation 4, (1), pp. 1-32. 31. K. Miettinen, M. M. Makela, and J. Toivanen (2003), Numerical comparison of some penalty-based constraint handling techniques in genetic algorithms, J. Global Optimum. 27, (4), pp. 427- 446. 32. Parviz E. Nikravesh (1988), Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems, Printed in the USA, pp. 19-250. 33. Katsuhiko Ogata (2002), Modern Control Engineering; Fourth Edition; Printed in the USA, pp. 1-9. 34. H. S. Ryoo and N. V. Sahinidis (1995), Global optimization of nonconvex NLPs and MINLPs with applications in process design, Comput. Oper. Res. 19, (5), pp. 551-566. 35. L. Sciavicco, B. Siciliano (1996); Modeling and control of Robot Manipulator, McGraw –Hill, pp. 61-85. 36. Dean L. Taylor (1992), Computer Aided Design, Copyright © by Addison- Wesley Publishing Company, pp. 45-60. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 139 37. P.M. Taylor (1990), Robotic Control, Printed in the London, pp. 12-33. 38. T. Wang (2001), Global optimization for constrained nonlinear programming, Ph. D. thesis, Department of Computer Science, University of Illinois, Illinois, pp. 1-40. 39. Ozgur Yeniay (2005); A Comparative study on optimization methods for the constrained nonlinear programming problems; Mathematical Problems in Engineering 2005, pp. 165-173. Tiếng Nga 40. Я.A. ШИФPИHA (1982), ПPOMЫШЛEHHAЯ POБOTO-TEXHИKA, MOCKBA “MAШИHOCTPOEHИE”, 54-122C.                 1000 0 )( '1' 1 iii iiiiiii iiiiiii i i i ii i i dcs sascccs casscsc AAqA   