Tiến Sĩ Giải bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
NĂM 2011

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan
Mục lục I
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt thường sử dụng III
Danh mục các bảng VI
Danh mục các hình vẽ và đồ thị VII
Mở đầu 1
Chương 1. Tính toán động học ngược rôbốt dư dẫn động bằng thuật
toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 8
1.1 Giải bài toán động học thuận rôbốt dư dẫn động bằng phương pháp
ma trận Denavit-Hartenberg 8
1.1.1 Các tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg 10
1.1.2 Phương trình xác định vị trí và hướng của khâu thao tác 12
1.1.3 Bài toán áp dụng 14
1.2 Ma trận tựa nghịch đảo 16
1.2.1 Định nghĩa 16
1.2.2 Ma trận tựa nghịch đảo Moore-Penrose 16
1.2.3 Phương pháp nhân tử Lagrange 18
1.2.4 Nghiệm tổng quát của phương trình đại số tuyến tính 19
1.3 Giải bài toán động học ngược rôbốt dư dẫn động bằng phương pháp
hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 20
1.3.1 Phương pháp khai triển Taylor 20
1.3.2 Các công thức xác định véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc suy rộng 21
1.3.3 Các công thức xác định véc tơ tọa độ suy rộng 22
1.3.4 Đánh giá sai số 26
1.4 Các bài toán áp dụng 26
1.5 Kết luận chương 1 43

Chương 2 Tính toán động lực học ngược rôbốt dư dẫn động
trong không gian thao tác dựa trên thuật toán
hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 44
2.1 Dạng thức Lagrange loại 2 của hệ nhiều vật 44
2.2 Giải bài toán ngược động lực học rôbốt dư dẫn động trong không
gian thao tác 47
2.3 Các bài toán áp dụng 52
2.4 Kết luận chương 2 69
Chương 3 Điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán số
hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng 70
3.1 Cơ sở lý thuyết ổn định Lyapunov 70
3.1.1 Hệ phi tuyến và các điểm cân bằng 70
3.1.2 Khái niệm ổn định 72
3.1.3 Phương pháp trực tiếp Lyapunov 74
3.2 Bài toán điều khiển chuyển động của rôbốt 78
3.3 Điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động 80
3.4 Các bài toán áp dụng 85
3.5 Kết luận chương 3 102

Chương 4. Bài toán ngược động học, động lực học
và điều khiển trượt rôbốt BKHN-MCX-04 103
4.1 Tổng quan về phương pháp đo chính xác bề mặt các chi tiết máy 103
4.2 Kết cấu của rô bốt đo BKHN-MCX-04 104
4.3 Tính toán động học ngược 106
4.4 Tính toán động lực học ngược 111
4.5 Điều khiển trượt rôbốt BKHN-MCX-04 122
4.6 Thí nghiệm 126
4.6.1 Cấu tạo của hệ thống thí nghiệm 126
4.6.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống thí nghiệm 127
4.6.3 Hệ thống điều khiển 127
4.6.4 Kết quả thí nghiệm 131
4.7 Kết luận chương 4 133
Kết luận chung 134
Danh mục công trình của tác giả 136
Tài liệu tham khảo 137

1. Lí do lựa chọn đề tài
Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất là một chủ trương lớn của
đất nước chúng ta hiện nay. Với xu thế chung của thế giới, để có thể đẩy mạnh
sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa cần ưu tiên áp dụng các tiến bộ của
khoa học kỹ thuật vào đời sống sản xuất. Trong đó vấn đề quan trọng nhất là
phải tăng nhanh lượng tự động hóa vào các quá trình sản xuất công nghiệp. Đây
cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự
nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của
một công việc giản đơn nào đó), sự nguy hiểm của môi trường lao động như sự
nóng bức tại các lò hơi, sự lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế,
sự ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, sự nguy hiểm ở duới đáy đại dương và
trên không gian vũ trụ Để có thể khắc phục được những vấn đề vừa nêu, các
công ty ở các nước có nền sản xuất phát triển đã đưa các rôbốt vào các dây
chuyền sản xuất của mình. Dưới đây là một số hình ảnh về các rôbốt và nơi ứng
dụng của chúng mà chúng ta thường gặp

Hình 0.1. Rôbốt trên dây chuyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt.
Hình 0.2 rôbốt trên dây chuyền của máy phay cnc.
hình 0.2. Rôbốt phục vụ máy phay CNC.
Hình 0.3. Rôbốt Mitsubishi RV-2AJ
Hình 0.4. Một số loại rôbốt
ã Tại các lò phản ứng hạt nhân (a)
ã Thám hiểm đại dương (b)
ã Khám phá vũ trụ (c)
Trong các tài liệu về rôbốt [25, 28, 32, 39] người ta đã đưa ra một số khái
niệm về rôbốt công nghiệp. Dưới đây là một số khái niệm (định nghĩa) điển
hình:
ã Rôbốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt được sử dụng để thay
thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của
con người với nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
ã Rôbốt công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình
hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các
trục tọa độ có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật
chất, chi tiết, dụng cụ gá lắp, dao cắt theo những chương trình thay
đổi, đã chương trình hóa nhằm thực hiện các chương trình công nghệ
khác nhau.
ã Rôbốt công nghiệp là một tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình
và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các
nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu,
chi tiết, thiết bị hoặc các dụng cụ chuyên dùng khác.
Những chiếc rôbốt công nghiệp đầu tiên được chế tạo vào năm 1956 bởi
công ty Unimation của George Devol và Joseph F. Engelberger ở Mỹ. Các rôbốt
đầu tiên này chủ yếu được dùng để vận chuyển các vật thể trong một phạm vi
nhỏ. Tính năng làm việc của rôbốt ngày càng được hoàn thiện và nâng cao hơn,
nhất là khả năng nhận biết và và xử lý các thông tin. Các rôbốt ngày nay được
trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh
và nhờ các thành tựu to lớn trong các lĩnh vực như điều khiển học, tin học và
điện tử học mà các rôbốt có thêm nhiều tính năng đặc biệt. Nhờ vậy mà các
rôbốt công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất
hiện đại, nhất là trong các dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt (FMS). Do đó
các nước đang đẩy mạnh việc sản xuất các rôbốt công nghiệp để ứng dụng vào
các ngành công nghiệp, đi đầu trong lĩnh vực chế tạo rôbốt công nghiệp hiện
nay đó là Nhật Bản, kế đến là Mỹ, Đức, Ý, Pháp, Anh và Hàn Quốc.