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

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT​

1-Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ,
những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống. Robot và tự
động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người
ra khỏi những lao động nặng nhọc. Do đó, có thể thấy con người mong đợi sự xuất
hiện của những robot hoàn hảo đến thế nào.
Mặc dù robot và robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song bản thân
là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn
có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn. Bên cạnh đó động học, động lực học robot
vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp
giải tích. Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc,
chưa được hiểu biết đầy đủ. Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi
thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học
và động lực học.
Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được
khai thác đúng mức ở Việt Nam. Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một
trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước,
khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực
lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này. Mặt
khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn
đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo
thuận lợi đáng kể.
Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực .trên các robot
nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị. Trong khi
đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh
theo ý đồ. Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu.
Chẳng hạn vì lí do giá thành, nhà sản xuất chỉ trang bị bộ nội suy cung tròn và bộ
nội suy đường thẳng cho robot hàn. Việc gia công các đường cong ghềnh không
gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của
hệ điều khiển được trang bị.
Các thông số động học, động lực học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng chưa thực
sự chú trọng đến tính thực dụng trong điều khiển thời gian thực. Trong đó các thông
số động học, chủ yếu nhận được thông qua giải hệ phương trình ràng buộc, chưa kể
đến giới hạn cơ học của các khớp. Do vậy việc chọn nghiệm điều khiển từ nghiệm
toán học thường làm kéo dài thời gian vô ích.
Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu giải
quyết vấn đề:
“Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot
công nghiệp”


MỤC LỤC
Mục
Nội dung
Trang
Trang phụ bìa luận án 1
Lời cam đoan 2
Mục lục 3
Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 9
Danh mục các bảng biểu 11
Danh mục các hình vẽ đồ thị 12
MỞ ĐẦU 15
CHưƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP
Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 19
1.1.1 Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp 19
1.1.2 Tổng quan về cổ tay cầu truyền động song song dư 25
1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 28
1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số 29
Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành 31
Động học 31
1.1
1.2
1.2.1
1.2.1.1 Bài toán giải tích động học 32
1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học 32
1.2.2 Tĩnh học 32
1.2.3 Động lực học 33
1.2.3.1 giải tích động lực học 33
1.2.3.2 Tổng hợp động lực học 34
1.3
Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ
thống
34
1.4 Hướng nghiên cứu của đề tài 37
1.5 Kết luận chương 1 38
CHưƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGưỢC
TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT
2.1 Chất lượng quá trình làm việc của robot công nghiệp 40
2.2 Dữ liệu của bài toán động học ngược robot 41
2.2.1 Dữ liệu động học và vị trí của bài toán ngược trong điều khiển 41
2.2.2 Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học 42
Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 43
2.3.1 Một số vấn đề cơ bản về động học robot 43
2.3.2 Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực 45
quan hệ giữa bài toán động học và bài toán tối ưu 46
2.4.1 Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán 46
2.4.2 Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ưu 49
2.4.3 Bài toán di chuyển tối thiểu 50
Tự động hoá xác định các biến trong điều khiển động học robot 51
2.5.1 Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ưu 51
2.5.2 Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính 52
Bài toán quy hoạch phi tuyến với ràng buộc dạng chuẩn 53
2.6.1 Bài toán quy hoạch phi tuyến và nghiệm tối ưu của nó 53
2.6.2 Các phương pháp triển vọng với dạng hàm mục tiêu Banana 54
2.3
2.4
2.5
2.6
2.6.2.1 Phương pháp cầu phương tuần tự (SQP) 54
2.6.2.2 Phương pháp Giảm Gradient tổng quát (GRG) 55
2.6.2.3 Phương pháp di truyền (GA) 56
2.6.3
Môi trường lập trình và lựa chọn hàm chức năng
57
2.6.3.1 Nhận định chung 57
2.6.3.2 Kết quả bài toán mẫu 58
2.6.3.3 Kết quả chạy chương trình 59
2.6.3.4 Lựa chọn phương pháp tối ưu 60
Giải bài toán ngược với công cụ Solver của MS – OFFICE 61
2.7.1 Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp 61
2.7.2 Minh hoạ các thao tác chính với công cụ Solver 65
Kết luận chương 2
2.8
68
CHưƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÁY TÍNH GIẢI BÀI TOÁN NGưỢC
VÀ XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA BIẾN KHỚP
Các chỉ tiêu đánh giá 70
3.1.1 Tính vạn năng 70
3.1.2 Tốc độ hình thành lời giải 70
3.1.3 Tính chính xác 70
3.1.4 Tính thực dụng, khả năng lồng ghép các yêu cầu riêng 71
So sánh kết quả với phương pháp khác 72
3.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng (Toàn khớp quay) 72
3.2.2 Robot Adept-One (Bốn bậc tự do, q3 tịnh tiến) 75
3.2.3 Robot Scorbot (Năm bậc tự do toàn khớp quay) 77
3.2.4 Robot Stanford (Sáu bậc tự do, q3 tịnh tiến) 79
3.2.5 Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 82
3.2.6 Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 85
3.2.7 Robot Fanuc (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 88
3.1
3.2
xây dựng các đặc tính động học của khớp
3.3
3.3.1 Mô tả bài toán
3.3.2 xây dựng các ma trận Pi
3.3.3 Tính toán chiều dài đường hàn, thời gian hàn
3.3.4 Hệ phương trình động học thuận robot VR-006CII
3.3.5 Giải bài toán ngược tại các điểm chốt
3.3.6 xây dựng đặc tính chuyển động trong không gian khớp
3.3.6.1 Biến khớp q6
3.3.6.2 Biến khớp q5
3.3.6.3 Biến khớp q4
3.3.6.4 Biến khớp q3
3.3.6.5 Biến khớp q2
3.3.6.6 Biến khớp q1
3.4
Mô phỏng robot
Phần mềm điều khiển Robot thí nghiệm 92
3.5.1 Mô tả cấu trúc thí nghiệm 92
3.5.2 Chương trình máy tính 92
Kết luận chương 3 93
3.5
3.6
CHưƠNG 4 - TỔNG HỢP ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CỔ TAY ROBOT
BA BẬC TỰ DO
Các cơ cấu cổ tay cầu dùng truyền động bánh răng nón điển
4.1
hình
125
4.1.1 Các cơ cấu điển hình 125
4.1.2 Phân loại theo số khâu hợp thành 125
4.1.2.1 Cổ tay bảy khâu 126
4.1.2.2 Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 126
4.1.2.3 Các cổ tay tám khâu 126
4.1.2.4 Cổ tay chín khâu 126
Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai 127
4.2.1 Phương trình mạch cơ sở 127
4.2.2 Điều kiện đồng trục 128
Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do 128
4.3.1 Giới thiệu về cổ tay robot cầu có phần đóng mạch 128
4.3.2 Đề xuất cấu trúc phần chấp hành 129
4.3.3 Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch 130
4.2
4.3
4.3.3.1 Điều kiện hoạt động của mạch vòng kín 130
4.3.3.2 Tính chất lát cắt 131
4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu 133
4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch 135
4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả 137
Kết luận chương 4 139
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.4
140