chương 2: Định nghĩa về robot công nghi ệp Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là s ự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển theo chương tr ình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia. Robot công nghi ệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành giải quyết nhưng nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công (sơn, hàn, lắp ráp các cụm thiết bị ) hoặc phục vụ các quá trình tổ chức dòng lưu thông vật chất (chi tiết, dao cụ, gá lắp ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng vật chất với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt. Ta có thể điểm qua một vài định nghĩa về robot công nghiệp như sau: - Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương tr ình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình thay đổi đ ã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. - Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2806/BRD: Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và nối ghép các chuy ển động của chúng trong các khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp v à gián tiếp. - Định nghĩa theo IOTC - 1980: Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người. Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thấy một ý nghĩa quan trọng: robot công nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tự động tổng hợp. Trong quá trình phân tích và thiết kế không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải l à những thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. Theo đó, các mẫu hình robot phải đảm bảo có: - Th ủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu. - Trình độ hành nghề khôn khéo, linh hoạt. - Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc môdun hoá. 1.2. Các phương pháp điều khiển robot Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển robot đ ã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu l à: - Điều khiển động lực học ngược. - Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến. - Các phương pháp điều khiển thích nghi.  Điều khiển thích nghi theo sai lệch.  Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).  Điều khiển động lực học ngược thích nghi.  Điều khiển trượt. Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp điều khiển robot để biết được ưu nhược điểm củ a từng phương pháp. 1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược Nguyên lý của phương pháp này là chọn một luật điều khiển phù hợp để khử thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các khớp nối. (t) H(q).q(t) h(q,q) g(q)     && & (1.1) N ếu ta biết các tham số của robot ta có thể tính được các ma trận H, h, g từ đó có luật điều khiển. dk H(q)U h(q,q) g(q)     & (1.2) cân b ằng dk    với điều kiện H(q) 0  và q U  && (vectơ điều khiển phụ ). Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích th ành h ệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng. q U  && Với robot n khớp nối tương đương với n hệ con độc lập. Chọn U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID. Lúc đó: t d D d P d I d 0 U q K (q q) K (q q) K (q q)dt         & & (1.3) trong đó: d q , q là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp. d q & , q & là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp. Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược. Và phương tr ình sai số tương ứng sẽ là: . D P I K K K 0      (1.4) Các h ệ số K D , K p , K I được chọn theo điều kiện ổn định của Lyapunov để sai số giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn v à quỹ đạo chuyển động thực hội tụ tại điểm 0 không phụ thuộc vào điều kiện ban đầu. Ưu điểm của phương pháp này là khử được tính phi tuyến và sự ràng buộc trong phương trình động lực học. Nhược điểm của nó l à phải biết được đầy đủ chính xác các thông số cũng như đặc tính động lực học robot, đồng thời cũng Tính ) q ( g ) q , q ( h U ) q ( H      eKq Pd     1 0 ID dt)t(eKeK  Robot  U q q  e d q d q   d q  e  - - phát sinh tính toán phụ. Thuật toán tính toán điều khiển U sẽ liên quan các phép tính lượng giác nên phải thực hiện một số phép nhân ma trận vectơ và ma trận phụ. Thời gian tính toán lớn là một yếu tố ảnh hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này. . khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là s ự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển theo chương. Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển robot đ ã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu l à: - Điều khiển động lực học ngược. - Điều. ngược. - Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến. - Các phương pháp điều khiển thích nghi.  Điều khiển thích nghi theo sai lệch.  Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).  Điều khiển động