Tiến Sĩ Mô hình hóa và khảo sát sai số của Robot công nghiệp

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC . 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 9
MỞ ĐẦU . 11
1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT . 16
1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp 16
1.2 Thao tác của robot công nghiệp 18
1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp . 21
1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot . 21
1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot 25
1.4 Một số nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot . 26
1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài 28
1.6 Kết luận chương 1 . 31
2. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP . 32
2.1 Cơ sở khảo sát động học robot 32
2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 32
2.1.2 Ma trận truyền . 35
2.1.3 Phương pháp tam diện trùng theo 37
2.2 Thiết lập phương trình động học robot . 38
2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác của robot 38
2.2.2 Phương trình động học robot cấu trúc chuỗi hở 40
2.2.3 Phương trình động học robot cấu trúc mạch vòng 41
2.2.4 Phương trình động học robot cấu trúc song song 45
2.3 Giải thuật và chương trình giải bài toán động học 49
2.4 Khảo sát động học robot . 49
2.4.1 Bài toán động học robot hàn điểm . 49
2.4.2 Khảo sát động học robot hàn hồ quang . 58
2.5 Kết luận chương 2 . 63
3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA SAI SỐ 64
3.1 Các nguồn gây ra sai số 65
3.1.1 Sai số hình học, động học 65
3.1.2 Sai số phi hình học 68
3.2 Phương pháp mô hình hoá sai số 70
3.2.1 Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất . 70

3.2.2 Phương pháp vi phân phương trình động học . 76
3.3 Kết luận chương 3: 83
4. KHẢO SÁT SAI SỐ ROBOT CÔNG NGHIỆP 84
4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng . 84
4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm 86
4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát 86
4.2.2 Kết quả khảo sát 86
4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang . 88
4.4 Kết luận chương 4 . 89
5. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC
CỦA KHÂU, KHỚP ROBOT . 91
5.1 Cơ sở phương pháp xác định sai số của khâu, khớp . 91
5.1.1 Phương pháp ma trận giả nghịch đảo Moore-Penrose . 93
5.1.2 Phương pháp bình phương tối thiểu tuyến tính kết hợp giải thuật di truyền93
5.2 Giải thuật di truyền . 95
5.2.1 Giới thiệu . 95
5.2.2 Các khái niệm cơ bản 96
5.2.3 Mô hình giải thuật di truyền 97
5.2.4 Các tham số của GA 98
5.2.5 Mã hoá NST 98
5.2.6 Khởi tạo quần thể ban đầu . 100
5.2.7 Các toán tử di truyền . 101
5.2.8 Chiến lược nạp lại quần thể . 104
5.3 Ứng dụng giải thuật di truyền xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp
robot 104
5.3.1 Xác định sai số hình học, động học cho robot 2 bậc tự do: . 105
5.3.2 Xác định sai số hình học, động học cho robot 6 tự do: . 107
5.4 Kết luận chương 5 . 113
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 114


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 118
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 121
PHỤ LỤC 123


MỞ ĐẦU
Có một số định nghĩa khác nhau về robot, theo tài liệu [1], “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo gắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Theo tài liệu [4], “Robot là máy, thiết bị tự động linh hoạt phục vụ con người: có hình dạng giống người hoặc cánh tay người, có khả năng thao tác tự động, có khả năng bắt chước thao tác giống người”. Robot đã được nghiên cứu từ lâu, cho đến nay robot đã phát triển rất phong phú, đa
dạng và ứng dụng hầu hết cho các ngành công nghiệp, nghiên cứu, phục vụ cuộc sống dân sinh cho đến an ninh quốc phòng. Phần lớn các robot được ứng dụng trong công nghiệp, do đó cũng có định nghĩa về robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) như sau: “Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm: cơ cấu chấp hành, hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt và hệ thống thông tin giám sát nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người” [4].
Do tính ứng dụng, hiệu quả cao, phạm vi ứng dụng đa dạng mà ngày nay, robot nói chung và robot công nghiệp nói riêng ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nhưng trong hoạt động sản xuất: trong công nghiệp, y học, thám hiểm vũ trụ, đại dương, quân sự Dưới đây là một số hình ảnh về một vài ứng dụng phổ biến của robot trong công nghiệp cũng như trong đời sống, quốc phòng:


Trong các lĩnh vực ứng dụng robot thì lĩnh vực công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất là phổ biến nhất. Các robot công nghiệp được dùng để cấp và dỡ phôi cho các máy gia công CNC, tháo dỡ sản phẩm đúc, ép nhựa, di chuyển phôi, hàn, sơn, lắp ráp và cả những công việc gia công cắt gọt như khoan, phay
Việc ứng dụng robot trong công nghiệp là nhằm mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng, tính cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc và thay thế sức lao động của con người, đặc biệt là với những công việc nặng nhọc, độc hại, nguy hiểm với con người . Sự cạnh tranh hàng hóa, nhu cầu tiêu dùng của con người đã đòi hỏi quá trình sản xuất ra sản phẩm phải nâng cao năng suất, linh hoạt khi thay đổi đối tượng công nghệ, do vậy cần phát triển các hệ thống sản xuất linh hoạt mà trong đó, ngoài các máy công cụ điều khiển số ra thì robot công nghiệp là bộ phận rất quan trọng trong những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó. Như vậy có thể thấy rằng robot công nghiệp là đa dạng, ứng dụng của nó ngày càng mở rộng và tầm quan trọng của nó ngày càng cao trong sản xuất
công nghiệp cũng như trong đời sống.
Lý do chọn đề tài
Như đã trình bày ở trên, robot là một thiết bị có cấu tạo phức tạp, được tạo nên từ nhiều phần tử thuộc một số lĩnh vực khác khau nên các nghiên cứu về robot cũng rất đa dạng: các
nghiên cứu liên quan tới cơ cấu chấp hành như nghiên cứu về động học, động lực học cơ cấu chấp hành, nghiên cứu về vật liệu chế tạo, bộ truyền và các nghiên cứu về điều khiển robot .
Các nghiên cứu về động học robot nhằm đưa ra được mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của khâu thao tác với chuyển động của các khâu trước nó, đồng thời cũng nghiên cứu về các phương pháp giải bài toán động học (bài toán động học thuận và bài toán động học ngược) robot để tìm ra quy luật chuyển động, vận tốc và gia tốc của khâu thao tác hoặc quy luật chuyển động, vận tốc và gia tốc của các khâu trước nó. Các nghiên cứu về động lực học giúp ta xác định mối quan hệ giữa khối lượng, lực hoặc mô men tác động . với các thông số động học như vận tốc, gia tốc của các khâu, từ đó giúp ta phân tích và thiết kế hệ thống dẫn động, điều khiển robot. Các nghiên cứu về hệ thống dẫn động cho các khâu, khớp; hệ thống điều khiển gồm cả phần cứng và phần mềm, cũng được
thực hiện để đảm đảo điều khiển robot được chính xác, nhanh và ổn định. Tuy nhiên, còn vấn đề quan trọng khác đó là vấn đề về sai số và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot cũng cần phải được quan tâm nghiên cứu vì mức độ sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác của robot và do đó nó quyết định đến khả năng, tính ứng dụng của robot đó.


Như chúng ta biết, robot được cấu tạo từ nhiều khâu được liên kết với nhau bởi các khớp, trong đó có một khâu đầu tiên được cố định với nền gọi là giá robot – khâu 0, khâu thao tác được nối với khâu đầu tiên bởi các khâu trung gian, do vậy chuyển động của khâu thao tác là tổng hợp chuyển động của tất cả các khâu trung gian nối khâu thao tác với khâu đầu tiên (giá robot). Nếu chuyển động của tất cả các khâu là chính xác theo mong muốn thì chuyển động của khâu thao tác sẽ chính xác. Ngược lại, nếu chuyển động của các khâu trung gian mà không chính xác thì sẽ làm tích lũy sai lệch chuyển động tới khâu thao tác và gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Sai lệch chuyển động của các khâu trung gian phụ thuộc vào giá trị biến khớp đặt vào để điều khiển khâu đó, trong khi đó, biến
khớp đặt vào điều khiển phụ thuộc vào lời giải bài toán động học, lời giải bài toán động học ngoài phụ thuộc vào phương pháp giải ra thì phụ thuộc vào chính các tham số hình học, động học các khâu khớp đó. Phương pháp giải bài toán động học là đúng nhưng giá trị các tham số hình học, động học khi thiết lập phương trình động học mà có sự sai khác (sai số) so với giá trị tham số hình học, động học thực tế của khâu, khớp mà nguyên nhân của sự sai khác giá trị tham số hình học, động học là do ta không thể xác định được chính xác tuyệt đối bởi vì: do dung sai chế tạo; biến dạng của khâu, khớp; giãn nở nhiệt, khe hở do chế tạo hoặc mòn trong quá trình làm việc . làm cho lời giải bài toán động học để xác định biến khớp điều khiển sẽ bị sai, do đó khi đưa giá trị biến khớp này vào điều khiển robot sẽ
làm cho khâu thao tác bị sai lệch chuyển động và gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác: Với bài toán động học thuận, vị trí và hướng của khâu thao tác được xác định sẽ sai lệch so với thực tế. Với bài toán ngược, ứng với vị trí cần đạt được của khâu thao tác, giá trị các biến khớp được tính toán có thể sẽ sai lệch so với thực tế dẫn đến việc điều khiển robot không chính xác. Như vậy, sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian với sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác có mối quan hệ với nhau.
Do vậy, việc nghiên cứu về sai số trong robot để tìm ra mối quan hệ giữa sai số hình học, động học trong các khâu, khớp robot với sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ứng dụng đối với lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng robot. Vì lý do trên, đề tài“Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp” được tác giả lựa chọn trong khóa học nghiên cứu sinh. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng cơ sở khoa học để khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot, hoặc ngược lại, xác định giá trị các sai số của các khâu, khớp trung gian khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, là cơ sở để đảm bảo độ chính xác của robot. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là robot công nghiệp có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cấu trúc mạch vòng và cấu trúc song song.
Phạm vi nghiên cứu: qua nghiên cứu tài liệu đã được công bố tác giả nhận thấy rằng hầu hết các nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot tập trung vào các sai số hình học,
động học [10, 13-17, 19, 20, 23, 25, 27, 30]; một số nghiên cứu chỉ ra rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học (các kích thước dài, kích thước góc và biến khớp của khâu, khớp) là lớn hơn nhiều so với sai số phi hình học (biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt, độ mềm .) - khoảng hơn 95% [19, 30], 75% sai số ban đầu của một máy mới là do chế tạo và lắp ráp [31], sai số hình học tính bao gồm cả biến đổi nhiệt độ và tải trọng tĩnh có thể chiếm tới 70% tổng sai số [13]). Trong [20], khoảng 95% là do ảnh hưởng của các yếu tố sai số hình học, động học trên tổng sai số, ảnh hưởng của các yếu tố phi hình học là rất ít.
Do vây, trong luận án này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu về các sai số hình học, động học ảnh hưởng đến sai lệch vị trí và hướng của robot.

Cấu trúc của luận án
Để đạt được mục đích nghiên cứu ở trên, cấu trúc của luận án bao gồm các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về robot và độ chính xác của robot. Trong chương này luận án trình bày khái quát về robot công nghiệp, về sai số và độ chính xác, phân tích ảnh hưởng của sai lệch khâu thao tác của robot tới chất lượng sản phẩm mà robot đó thực hiện trong một số ứng dụng của robot và trình bày một số nghiên cứu trong và ngoài nước về sai số trong robot.
Chương 2: Khảo sát động học robot công nghiệp. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày cơ sở khảo sát động học robot công nghiệp, thiết lập phương trình động học robot, xây dựng giải thuật và chương trình tính toán động học thuận và động học ngược của robot. Khảo sát động học của một số robot.
Chương 3: Sai số và phương pháp mô hình hoá sai số. Trong chương này của luận án trình bày các nguồn gây ra sai số hình học, động học trong khâu, khớp robot. Đưa ra các mô hình sai số của khâu, khớp robot, xây dựng mô hình toán học các sai số hình học, động học của khâu, khớp và sai lệch vị trí, hướng khâu thao tác của robot.
Chương 4: Khảo sát sai số robot công nghiệp. Nội dung của chương này là đưa ra thuật toán và chương trình phần mềm để khảo sát sự ảnh hưởng của sai số hình học, động học của khâu, khớp tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số này sẽ giúp cho người thiết kế đưa ra các yêu cầu về dung sai chế tạo một cách hợp lý, hài hòa từ ngay trong quá trình thiết kế một robot mới, nhờ vậy mà có thể hạ giá thành chế tạo nhưng robot vẫn đảm bảo tính năng làm việc tốt.
Chương 5: Nghiên cứu phương pháp xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot. Nội dung của chương này thiết lập mối quan hệ về mặt toán học và vận dụng công cụ hiện đại để tìm giá trị của các sai số hình học, động học trong các khâu, khớp khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.

Ý nghĩa thực tiễn:
Các kết quả của luận án: Giải thuật và chương trình tính toán khảo sát động học; mô hình sai số hình học, động học; giải thuật và chương trình xác định sai số cho phép ứng dụng khi tính toán thiết kế, chế tạo robot công nghiệp nhằm đảm bảo cho robot đạt độ chính xác tốt hơn.