Giáo án robot công nghiệp
Tên học phần: Robot công nghiệp.
Người soạn: Phạm Thành Long - Bộ môn Máy & Tự động
Hóa
Khoa cơ khí
GIÁO ÁN RÔBOT CÔNG NGHIỆP
Tên học phần: Robot công nghiệp.
Người soạn: Phạm Thành Long - Bộ môn Máy & Tự động Hóa
Số học trình 3.
Khối lượng 45 tiết.
Khối lượng lí thuyết 45 tiết.
Nội dung môn học gồm ba phần:
1. Các khái niệm cơ bản, nền tảng cơ học – cơ khí trong kết cấu robot.
2. Điều khiển robot.
3. Ứng dụng robot.
Tài liệu tham khảo:
1. Modernling and control robotic.
2. Robotic control.
3. Robot và hệ thống công nghệ robot hoá.
4. Kỹ thuật robot.
5. Robot công nghiệp.
Các lĩnh vực có quan hệ chặt chẽ:
1. Toán học cao cấp.
2. Cơ lí thuyết.
3. Cơ học máy.
4. Kỹ thuật điều khiển.
5. Động học và động lực học máy.
6. Công nghệ thông tin.
Chương 1: Các vấn đề cơ bản về robot. (3 tiết)
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:
1.1.1. Robot và robotic:
Các nhà sáng chế kĩ thuật dựa trên những cơ cấu máy móc có khả năng bắt chước lao động
của con người bằng cơ bắp, đã cho ra đời những cơ cấu robot thực sự đầu tiên vào những năm
trước đại chiến thế giới thứ hai. Vào thời kì đó những cơ cấu như vậy có nhu cầu thực sự để
ứng dụng trong môi trường phóng xạ ở các cơ quan nghiên cứu nguyên tử. Lúc đầu robot
được gọi là những cơ cấu điều khiển từ xa (teleoperator), đó là những cơ cấu phỏng sinh bao
gồm những khâu, khớp và những dây chằng gắn liền với cơ cấu điều khiển là cánh tay của
người điều khiển thông qua các cơ cấu khuyếch đại cơ khí. Cơ cấu tay máy này có khả năng
cầm nắm, nâng hạ, buông thả, xoay lật vật thể trong một không gian xác định. Tuy các thao
tác tinh vi và khéo léo nhưng tốc độ thao tác còn chậm.
Từ những năm 1950, cùng với sự phát triển của kĩ thuật điều khiển theo chương trình số,
với nền tảng là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo), và các hệ điện toán (computation), ngay
lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển xa được hình thành.
Kết quả của sự phối hợp này là một thế hệ máy móc tự động cao cấp ra đời gọi chung là
robot.
Sản phẩm này có cả độ linh hoạt khéo léo của cơ cấu cơ khí phỏng sinh với sự nhạy bén
của hệ điều khiển NC.
Ngày nay có rất nhiều nhà chế tạo và sử dụng robot trên các hệ tiêu chuẩn khác nhau trên
toàn thế giới, do đó các định nghĩa về robot cũng rất đa dạng:
- Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp:
Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình,
tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối
tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá
nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:
Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và
nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của
động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết 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 để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp.
- Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:
Robot là 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.
Các định nghĩa trên rất khác nhau giúp ta thấy được một ý nghĩa quan trọng là riêng một
mình robot không thể làm nên cuộc cách mạng tự động hoá công nghiệp. Nó phải được liên
hệ chặt chẽ với máy móc và các thiết bị tự động khác trong một hệ thống liên hoàn. Vì vậy
trong quá trình phân tích thiết kế phải xem robot là một đơn vị cấu trúc của “Hệ thống tự động
linh hoạt robot hoá”. Theo đó robot phải đảm bảo có:
- Thủ pháp cầm nắm chuyển đổi tối ưu.
- Trình độ hành nghề khôn khéo linh hoạt.
- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc mô đun hoá.
Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau:
Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và
ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên
cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công
nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics).
1.1.2. Robot công nghiệp:
Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm, song theo
thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng đựoc sử dụng chủ yếu trong công nghiệp, vì
vậy khi nhắc đến robot người ta thường liên tưởng đến robot công nghiệp.
Lĩnh vực 1985 1990
Hàn 35% 5%
Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH 20% 25%
Đức 10% 5%
Lắp ráp 10% 35%
Phun phủ 10% 5%
Sơn 5% 15%
Các ứng dụng khác 10% 10%
Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trưng riêng như sau:
- Là thiết bị vạn năng đựoc TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một
cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển
và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường.
Do có hai đặc trưng trên nên robot công nghiệp có thể định nghĩa như sau:
Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ đề xuất:
RBCN là 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, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.
Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau:
RBCN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy
có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để
hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Trong môn học này chỉ đi sâu nghiên cứu về robot công nghiệp trên các khía cạnh phân
tích lựa chọn sử dụng, khai thác…
1.2. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
1.2.1. Cấu trúc chung:
Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:
Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh
tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và
bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên
đối tượng.
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các
cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ
thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor
ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính
để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.
1.2.2. Kết cấu tay má y:
Ta y má y là p hần cơ sở qu yết đ ịnh khả năng làm việc của robot. Đó là phần cơ khí đảm bảo
cho robot khả năng chu yển đ ộng trong khô ng gian và khả năng làm việc như nâng, hạ vật, lắp
ráp...Tay máy hiện na y rất đa dạng và nhiều loại khác xa với ta y ng ười. Tu y nhiên, trong k ỹ
thuật robot vẫn d ùng các thu ật ngữ qu en thu ộc để chỉ các b ộ phận của tay má y như vai
(should er), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),...
Trong t hiết kế q uan tâm đến các thông số có ảnh hư ởng lớ n đ ến khả năng làm việc củ a
robot như:
- Sức nâng, độ cứng vữ ng, lực kẹp củ a tay...
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới.
- Sự khéo léo , là khả năng định vị và định hư ớng phần công tác tro ng vù ng làm việc.
Các tay máy có đ ặc đ iểm chung về kết cấu là gồ m có các khâu, đựơc nố i với nhau bằng các
khớp để hình thành một chuỗ i động học hở tính từ thân đến phần công tác.
Các khớp được dùng phổ b iến là khớp trượt và khớp quay. tu ỳ theo số lượng và cách bố trí
các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu to ạ độ Decac (Cartesian), to ạ độ trụ (Cylind rica l),
toạ độ cầu (Revo lute), SCARA, POLAR, kiểu tay người (Anthropomo rph ic).
Ta y má y kiểu tọa độ đề các, còn gọ i là kiểu chữ nhật, dù ng ba khớp trượt, cho phép p hần
cô ng tác thực hiện một cách độ c lập các chu yển động thẳng, song với b a trụ c tọa độ . Vùng
làm việc củ a tay má y có dạng hình hộ p chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu tay má y kiểu nà y
có độ cứng vữ ng cao, độ chính xác đ ược đảm bảo đồng đ ều trong to àn bộ vù ng làm việc,
nhưng ít khéo léo . Vì vậy, tay má y kiểu đ ề các đ ược dùng để vận chu yển và lắp ráp .
Ta y máy kiểu tọa độ trụ khác với ta y máy kiểu đềcác ở khớp đầu tiên: Dùng khớp quay
thay cho khớp trượt. Vù ng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho
phép tay má y “thò” đ ược vào kho ang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay má y trụ
tốt, thích hợp với tải nặng như ng độ chính xác đ ịnh vị gó c trong mặt phẳng nằm ngang giảm
khi tầm với tăng.
Ta y má y kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) đ ược thay b ằng khớp
qu ay. Nếu qu ỹ đ ạo chu yển độ ng của p hần cô ng tác được mô tả trong tọ a độ cầu thì mỗi bậc tự
do tương ứng với mộ t khả năng chu yển đ ộng và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗ ng. Độ
cứng vững của lo ại tay máy này thấp hơn hai lo ại trên và đ ộ chính xác định vị phụ thuộ c vào
tầm với .
Ta y má y Scara được đ ề xu ất dù ng cho cô ng việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay má y có cấu tạo
đặc biệt, gồ m hai khớp qu ay và mộ t khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trụ c so ng song với
nhau. Kết cấu này làm ta y má y cứng vững hơ n theo phương thẳng đứng như ng kém cứng
vữ ng theo phương được chọn là phương ngang. Loại nà y chu yên dù ng cho cô ng việc lắp ráp
với tải trọ ng nhỏ theo p hương đ ứng. Từ Scara là viết tắt của “selective comp liance assemb l y
robot arm” đ ể mô tả các đ ặc đ iểm trên. Vù ng làm việc của Scara là một p hần củ a hình trụ
rỗng.
Ta y má y kiểu phỏng sinh , có cả b a khớp đ ều là khớp qu ay, tro ng đó trục thứ nhất vuông
gó c với hai trụ c kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọ i là khớp vai, khớp
thứ ba gọi là khớp khu ỷu nối cẳng tay vớ i khu ỷu tay. Với kết cấu nà y không có sự tương ứng
giữa khả năng chu yển đ ộng của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làmviệc rất khéo léo,
nhưng đ ộ chính xác đ ịnh vị phụ thu ộc vị trí củ a phần công tác tro ng vùng làm việc. Vù ng làm
việc của tay má y kiểu nà y gần giố ng một phần khố i cầu .
Toàn bộ dạng các kết cấu mô tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng đ ịnh vị củ a p hần
cô ng tác muốn định hướ ng nó , cần bổ sung p hần cổ tay. Muố n đ ịnh hướng tù y ý phần công
tác cổ tay p hải có ít nhất ba bậc tự do . Tro ng trường hợp trụ c qu ay của ba khớp gặp nhau tại
mộ t đ iểm ta gọi đó là khớp cầu. Ưu điểm chính củ a khớp cầu là tách được thao tác định vị và
định hướ ng củ a phần công tác, làm đ ơn giản việc tính to án. Các kiểu khớp khác có thể đ ơn
giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán tọa độ khó hơn do không tách đ ược hai lo ại thao
tác trên.
Phần công tác là b ộ p hận trực tiếp tác động lên đố i tượng tù y theo yêu cầu làm việc củ a
robot phần công tác có thể là tay gắp , công cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc)
1.3. Phân loại Robo t:
Để p hân nhóm phân lọai robố t có thể d ựa trên nhữ ng cơ sở kĩ thu ật khác nhau, d ưới đây
trình b ày một số cách p hân loại chủ yếu:
1.3.1. Phân loại theo kết cấ u:
Lấy hai hình thức chu yển đ ộng ngu yên thủ y làm chuẩn:
- Chu yển đ ộng thẳng theo các hướ ng X, Y, Z tro ng khô ng gian ba chiều thông thường tạo
nên nhữ ng khối hình có góc cạnh, gọ i là Prismatic (P).
- Chu yển đ ộng quay qu anh các trụ c X, Y, Z kí hiệu (R).
Với ba bậc tự do, robot sẽ ho ạt độ ng tro ng trường công tác tù y thuộ c tổ hợp P và R ví dụ:
PPP trường công tác là hộ p chữ nhật hoặc lập p hương.
RPP trường công tác là khố i trụ.
RRP trường cô ng tác là khối cầu .
RRR trường công tác là khối cầu.
Bảng thố ng kê sau đây trên 2 00 mẫu robo t về p hương d iện tổ hợp b ậc tự do , theo đó phổ
biến là loại robot có trường cô ng tác là một khố i trụ với tổ hợp là mộ t khối trụ PPR chiểm
72 %. Số bậc tự do trên 4 chiếm khô ng nhiều.
3T 4% 4% - -
2T 3% 3% 3% -
1T - - 10% -
0T - - - 2%
Tịnh tiến/ Qu ay 0R 0R 2R 3R
1.3.2. Phân loại theo phương phá p điều khiển:
Có 2 kiểu đ iều khiển robot: điều khiển hở và đ iều khiển kín.
Điều khiển hở, dù ng tru yền động bước ( động cơ điện ho ặc đ ộng cơ thủ y lực, khí nén,..) mà
qu ãng đường ho ặc góc dịch chu yển t ỷ lệ với số xung đ iều khiển. Kiểu nà y đơn giản, nhưng
đạt độ chính xác thấp.
Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử d ụng tín hiệu p hản hồi vị trí để tăng đ ộ chính
xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo : đ iều khiển điểm - đ iểm và điều khiển theo đ ường
( contou r).
Với kiểu đ iều khiển đ iểm - điểm, phần cô ng tác d ịch chu yển từ điểm này đến điểm kia theo
đường thẳng với tố c độ không cao ( không làm việc ). Nó chỉ làm việc tại các đ iểm d ừng.
Kiểu đ iều khiển nà y được dù ng trên các robo t hàn điểm, vận chu yển, tán đinh, bắn đinh,…
Điều khiển co ntou r đảm bảo cho phần công tác d ịch chu yển theo qu ỹ đạo bất kỳ, với tốc độ
có thể đ iều khiển đ ược. Có thể gặp kiểu đ iều khiển nà y trên các robo t hàn hồ quang, p hu n
sơn.
1.3.3. Phân loại theo ứng dụng :
Cách p hân loại này dựa vào ứng dụng củ a robot. Ví d ụ, có robot cô ng nghiệp, robot dùng
trong nghiên cứu khoa học, robo t dùng trong k ỹ thu ật vũ trụ, robo t dùng trong quân sự…
Ngo ài nhữ ng kiểu phân loại trên cò n có : Phân lo ại theo hệ t hố ng năng lượ ng, phân lo ại
theo hệ thống tru yền đ ộng, phân lo ại theo độ chính xác…
Chương 2: Động học tay máy. (15 tiết)
Một tay máy có thể biểu diễn bằng một chuỗi động học kín hoặc hở, bao gồm các khâu liên
kết với nhau thông qua các khớp quay hoặc tịnh tiến với mục đích là thay đổi tư thế, tầm với,
điểm tác động của robot.
Để xác định được vị trí và định hướng của điểm quản lí trên cánh tay (dụng cụ trong bàn
kẹp, hoặc tâm bàn kẹp), đòi hỏi phải có phương pháp mô tả vị trí tương đối và vị trí tuyệt đối
của các khâu với nhau. Nội dung bài toán động học thuận của robot là căn cứ vào các biến
khớp xác định vùng làm việc của phần công tác và mô tả chuyển động của phần làm việc
trong vùng công tác.
Ngược lại khi điểm tác động hoặc đường dịch chuyển được cho trước, tương ứng với việc
biết trước vị trí và hướng của khâu tác động sau cùng trên cánh tay, để điều khiển các động cơ
phối hợp với nhau tạo cho khâu cuối cùng một quỹ đạo dịch chuyển mong muốn, người lập
trình chuyển động cần biết quy luật biến thiên của từng tọa độ đặc trưng của từng khớp (gọi
tắt là biến khớp). Đây chính là nội dung của bài toán động học ngược của robot.
2.1. Vị trí và hướng của vật rắn trong không gian:
2.1.1. Hệ tọa độ vật:
Một vật rắn trong không gian hoàn toàn xác định nếu vị trí và hướng của nó được mô tả
trong một hệ quy chiếu cho trước. Trong hình vẽ dưới đây hệ tọa độ Oyxz với các véc tơ đơn
vị là x, y, z được dùng làm hệ quy chiếu gốc. Để mô tả vị trí và định hướng của của vật rắn
trong không gian, thường phải gắn lên nó một hệ tọa độ, gọi là hệ quy chiếu địa phương,
chẳng hạn hệ tọa độ O’x’y’z’ gốc củahệ tọa độ này đại diện cho vị trí của vật trong hệ quy
chiếu gốc Oxyz, biểu thức sau đây nói lên quan hệ giữa chúng:
O ' o ' x x o' y y o ' z z
Trong đó o' x , o' y , o' z là các hình chiếu vuông góc của véc tơ O’ lên hệ tọa độ Oxyz. Có
thể mô tả định vị của điểm O’ qua véctơ O’(3.1) như sau:
o 'x
o ' o'y
o 'z
Hướng của vật được đại diện bởi các véc tơ đơn vị x’, y’, z’ của hệ quy chiếu O’x’y’z’, và
được mô tả bằng quan hệ sau:
x' xx x x'y y xz z
' '
y' yx x y 'y y yz z
' '
z ' z x x z 'y y z z z
' '
Các thành phần của các véc tơ đơn vị (x’x, x’y, x’z) là cosin chỉ phương của các trục của hệ
tọa độ địa phương so với hệ quy chiếu chung.
Hình vẽ dưới đây mô tả vị trí và hướng của vật rắn trong không gian:
2.1.2. Ma trận quay:
Để cho gọn, 3 véc tơ đơn vị ở trên có thể biểu diễn dưới dạng ma trận (3.3) gọi là ma trận
quay như sau:
x' x y'x z ' x x'T x y 'T x z 'T x
R x' y ' z ' x' y
y' y z ' y x'T y
y'T y z 'T y
x' z
y'z z ' z x'T z
y 'T z z 'T z
Phép quay quanh một trục tọa độ là trường hợp đặc biệt của phép quay một vật quanh một
trục bất kì trong không gian, chiều quay được quy ước là dương nếu nhìn từ ngọn về gốc của
trục thuộc hệ quy chiếu đang xét thấy ngược chiều kim đồng hồ.
Giả sử hệ O’x’y’z’ nhận được do quay hệ Oxyz quanh trục z một góc , véc tơ đơn vị của
hệ này được biểu diễn trong hệ Oxyz như sau:
cos sin 0
sin ; y' cos ; z ' 0
x'
0
0
1
Lần lượt ma trận quay quanh trục z, trục y, trục x của hệ quy chiếu O’ so với hệ O có dạng:
cos sin 0 cos 0 sin 1 0 0
Rz ( ) sin cos 0
Ry ( ) 0 1 0
0 cos
Rx ( ) sin
0
0 1
sin
0 cos
0 sin
cos
Từ các phép quay căn bản quanh các trục của hệ quy chiếu cho phép thành lập ra các ma
trận quay một đối tượng quanh một trục bất kì.
Cần lưu ý rằng các ma trận này có tính chất trực giao, ta có thể xác định nghịch đảo của nó
theo hai cách, hoặc thay góc bằng giá trị đối dấu của nó vào ma trận quay, hoặc chuyển vị ma
trận quay đang có.
2.1.3. Quay một véc tơ:
Có thể mô tả phép quay một véc tơ bằng cách sử dụng các ma trận quay nêu trên, hãy xem
mô tả của điểm P trong hai hệ quy chiếu trùng gốc như sau:
Lần lượt mô tả điểm P trong hai hệ tọa độ rồi tiến hành đồng nhất hai tọa độ đó như sau:
px p' x
p p y ; p ' p ' y
p p'
z z
Vì cùng mô tả một điểm nên có đồng nhất thức:
p p' p' x x ' p' y y ' p' z z ' x' y ' z ' p' Rp'
Hay cũng có thể biến đổi để có dạng: p' R T p
Nếu viết dưới dạng khai triển ma trận quay có dạng đầy đủ của phép quay như sau:
cos sin 0
p sin
cos 0 p '
0
0 1
Trong đó các cột của ma trận quay chính là các cosin chỉ phương của các cặp trục tương
ứng giữa hai hệ quy chiếu. Vì 3 trục của một hệ quy chiếu có quan hệ đôi một vuông góc nên
9 thành phần của ma trận quay chỉ có ba thành phần thực sự độc lập tuyến tính.
Tóm lại ma trận quay R có 3 ý nghĩa tương đương nhau:
- Biểu diễn hướng giữa hai hệ tọa độ trong đó các cột của ma trận quay là cosin chỉ phương
giữa các trục tọa độ tương ứng của hai hệ mới và cũ.
- Biểu diễn sự chuyển đổi tọa độ của một véc tơ giữa hai hệ tọa độ có gốc trùng nhau.
- Biểu diễn phép quay của một véc tơ trong cùng một hệ quy chiếu.
2.2. Quay một véc tơ quanh một trục bất kì:
2.2.1. Tổng hợp các ma trận quay:
Trong quá trình biến đổi đồ họa hoặc nhận diện các đối tượng trong không gian, các phép
quay có thể không thực hiện đối với trục cơ sở là trục cơ bản của hệ quy chiếu, mà quanh một
trục quay bất kì. Khi đó để thực hiện được phép quay cần biết 2 điểm cơ bản sau đây:
- Việc quay quanh một trục bất kì có thể tương đương với nhiều lần quay quanh các trục cơ
bản của hệ quy chiếu, mà mỗi phép quay quanh các trục cơ bản của hệ quy chiếu đượcđặc
trưng bởi ma trận Ai tương ứng có dạng đã nêu trên.
- Việc biểu diễn một loạt các thao tác biến đổi quay được thực hiện bằng cách nhân liên tiếp
theo đúng trật tự các ma trận đặc trưng cho từng bước.
j
Nếu kí hiệu Pi là điểm P biểu diễn trong hệ quy chiếu i, còn Ri là biểu thị ma trận quay
của hệ i so với hệ j. Hãy xem chuỗi quan hệ sau:
1
P1 R2 P 2
0
P 0 R1 P1
0
P 0 R2 P 2
0 0 1
R2 R1 R2
2.2.2. Phép quay quanh trục bất kì:
Đây là một trường hợp thường xuyên gặp khi mô tả động học tay máy, về cách thức thực
hiện phải nắm được ý tưởng như sau:
1- Biến đổi trục quay so với hệ quy chiếu (hoặc biến đổi hệ quy chiếu so với trục quay) bằng
ma trận quay tiêu chuẩn trình bày ở trên sao cho đường đóng vai trò trục quay về trùng với 1
trong 3 trục cơ bản của hệ quy chiếu, gọi A 1 là ma trận được sử dụng ở bước này.
Ở đây cần chú ý rằng nếu biến đổi trục quay giữ nguyên hệ quy chiếu, ma trận A1 là ma
trận tiêu chuẩn đã trình bày ở trên, còn nếu biến đổi hệ quy chiếu so với trục quay cố định,
phải sử dụng ma trận A1T là chuyển vị (nghịch đảo) của ma trận quay tiêu chuẩn.
Ma trận A1 nói trên trong trường hợp tổng quát luôn là tích của hai ma trận quay tiêu chuẩn
quanh 2 trong 3 trục cơ bản của hệ quy chiếu, hãy xem ví dụ sau:
Đường thẳng v trên hình vẽ đóng vai trò trục quay, ở đây không biểu diễn đối tương quay
sẽ lấy nó làm cơ sở. Vì v không trùng vào trục cơ bản nào của hệ quy chiếu Oxyz đang xét
nên nó bị coi là trục bất kì. Tuy nhiên để mô tả v phải biết trước ; như hình vẽ. Để đưa
được v về trùng với 1 trong 3 trục cơ bản có thể thực hiện như sau:
Gọi A2 = Rot(z, - ) là ma trận quay v quanh trục z góc theo chiều kim đồng hồ khi nhìn
từ ngọn về gốc trục z. Mục đích của bước này là làm cho v về trùng với mặt phẳng xoz.
Trong mặt phẳng xoz, gọi A3 = Rot(y, ) là ma trận quay v quanh trục y góc theo
chiều kim đồng hồ khi nhìn từ ngọn về gốc trục y. Lúc này v đã trùng với trục Oz, phép quay
quanh trục v đã trùng với Oz là phép quay cơ bản đã nói trên. Vậy thao tác biến đổi v về trùng
với Oz thực ra gồm hai bước như sau:
A1 = A2A3
Có thể rút ra kết luận rằng để đưa v về trùng với trục Ox hoặc Oy cũng chỉ gồm hai thao tác
tương tự, và dữ liệu góc mô tả v như trên là đủ dù đưa v về trùng với bất cứ trục nào.
2- Khi trục quay bất kì đã trùng với một trong ba trục cơ bản của hệ quy chiếu nói trên có thể
sử dụng ma trận A4 là ma trận quay tiêu chuẩn để thực hiện phép quay quanh trục v (lúc này
đã là trục cơ bản).
3- Trả kết quả về hệ quy chiếu cũ bằng cách thực hiện ngược lại những gì đã làm ở bước 1,
ma trận biến đổi ngược là chuyển vị (hoặc nghịch đảo) của ma trận biến đổi thuận.
Chẳng hạn trong ví dụ trên, để trả kết quả về hệ quy chiếu cũ cần:
Quay v ngược kim đồng hồ quanh trục Oy bằng ma trận A3T.
Quay v ngược kim đồng hồ quanh trục Oz bằng ma trận A2T.
Vậy toàn bộ quá trình mô tả một phép quay góc một đối tượng nào đó quanh trục v bất
kì, là một ma trận tổng hợp nhiều bước biến đổi mà trình tự thực hiện có liên quan đến thứ tự
sắp xếp của từng ma trận trong một phép nhân sau:
T T
Rot ( , v) A2 A3 .Rot ( z, v). A3 A2
Hãy nhận xét quy tắc trên và xây dựng cho những trường hợp khác còn lại.
2.2.3. Mô tả tối thiểu của hướng:
Ma trận phép quay trong không gian hệ tọa độ đềcác ba chiều có 9 thành phần song bản
chất của các cột trong ma trận đó, như đã nói chính là bộ cosin chỉ phương của một trục thuộc
hệ quy chiếu này trong hệ quy chiếu kia. Do trong hệ tọa độ đề các các cặp trục có quan hệ
đôi một vuông góc nên 9 thành phần đó chỉ có ba thành phần độc lập tuyến tính, điều đó có
nghĩa là chỉ cần dùng ba thông số cho việc mô tả định hướng thay vì dùng tất cả 9 thông số
trong ma trận quay đó, việc mô tả định hướng qua 3 thông số như vậy có thể có những cách
chọn khác nhau song được gọi chung là mô tả hướng tối thiểu (Minimal Representation of
Orientation – MRO), sau đây giới thiệu một vài cách mô tả hướng tối thiểu thường sử dụng
trong robot.
2.2.3.1. Góc Euler:
Góc ơle hình thành mô tả hướng tối thiểu bằng cách tổ hợp các thành phần độc lập tuyến
tính của ma trận quay trong hệ tọa độ hiện thời (ba lần quay quanh ba trục của ba hệ quy
chiếu khác nhau). Tùy theo cách tổ hợp cụ thể 3 thành phần độc lập từ 9 thành phần ban đầu
có thể đạt được 12 bộ góc ơle khác nhau.
(Ví dụ một bộ góc ơle là zyz, nghĩa là quay quanh trục z, quay quanh trục y, rồi lại quay
quanh trục z, tức là trong một bộ góc ơle có thể quay quanh một trục tối đa 2 lần, song phải
là 2 lần không liên tiếp. Vậy khởi xuất nếu một trục quay có thể có mặt hai lần thì ban đầu sẽ
có bộ 6 lần quay, quanh 6 trục x, y, z, x, y, z.
Có ba khả năng chọn trục quay đầu tiên hoặc x, hoặc y, hoặc z.
Có hai khả năng chọn trục quay thứ hai, chọn 2 trong 3 trục trên trừ trục đã chọn ở bước
trước, vì hai trục quay giống nhau không được thực hiện liên tục.
Có hai khả năng chọn trục quay lần ba vì có thể chọn lặp lại trục đầu tiên và còn một trục
chưa dùng lần nào.
Vậy số khả năng của phép quay ơle là k = 3.2.2 = 12)
Ví dụ: Phép quay ơle ZYZ = ( , , )
Quay một góc quanh trục Oz đầu tiên để được hệ O’.
Quay một góc quanh trục Oy’ vừa nhận được để được hệ O”.
Quay một góc quanh trục Oz” vừa nhận được để được hệ O”’.
Phương trình mô tả biến đổi hỗn hợp này là tích của ba ma trận quay liên tiếp nói trên,
matlab sẽ cho ra kết quả chính xác vì vậy không trình bày ở đây.
REUL = Rot(z, ).Rot(y’, ).Rot(z”, )
Nếu cho trước ma trận kết quả của phép biến đổi ơle với trình tự các phép quay quanh các
trục đã cho trước, yêu cầu tìm giá trị góc quay đây là bài tóan ngược. Bài toán này có thể giải
dễ dàng bằng cách đồng nhất các thành phần tương ứng của ma trận thuận đã biết dạng tổng
quát (ma trận chứa các biến góc) và ma trận ngược cho trước (chứa các hằng số). Khéo léo
chọn các phương trình sao cho việc giải là đơn giản nhất tạo đủ 3 phương trình cân bằng với
ba ẩn.
Ví dụ: Kết quả phép nhân ma trận:
c c c s s c c s s c c s
, ,,
R EUL Rot( z, ).Rot ( y , ).Rot (z , ) s c c c s s c s c c s s
s c s s c
Cho trước ma trận sau khi nhân bằng các góc cụ thể là:
a11 a12 a13
R a 21
a 22 a23
a31
a32
a33
Nhận thấy cột cuối cùng của hai ma trận có dạng đơn giản nhất, ta có thể tạo ra hệ phương
trình sau:
c s a13
s s a 23
c a33
Chia vế của phương trình thứ nhất cho phương trình thứ hai, tính được một ẩn.
Thế ẩn vừa tìm được vào phương trình thứ nhất tính được một ẩn nữa.
Sử dụng tiếp một biểu thức khác có chứa ta tính nốt được biến này.
2.2.3.2. Góc Roll – pitch – Yaw:
Người ta thường ví đây là dao động của một con tàu.
Trên cơ sở đã hiểu thế nào là góc Euler, chúng ta có thể hiểu ngắn gọn là RPY chẳng qua là
bộ góc EULER theo trình tự (zyx) = ( , , ) song điểm khác biệt căn bản là ba lần quay đều
thực hiện quanh ba trục của cùng một hệ quy chiếu ban đầu.
c c c s s s c c s c s s
RRPY R( z , ) R ( y, ) R ( x, ) s c s s s c c s s c c s
s c s c c
Tương tự như trường hợp góc EULER, bài toán ngược được giải bằng cách so sánh ma trận
kết quả nói trên với ma trận định hướng cho trước:
r11 r12 r13
R r21
r22 r23
r31
r32 r33
Bộ thông số góc quay có thể xác định được bằng cách đồng nhất các phần tử tương ứng tạo
ra một hệ ba phương trình ba ẩn.
Nhận xét: Phép quay ơle và phép quay RPY khác nhau ở chỗ:
- Phép quay ơle quay ba lần quanh ba trục của ba hệ quy chiếu khác nhau, tư thế của vật
cần định vị với hệ quy chiếu đã quay đi 3 lần được xác định bằng ma trận ơle. Thực chất
là vật thể đạt tới định hướng của nó bằng cách quay hệ quy chiếu còn bản thân nó đứng
cố định. (đối tượng quay đi trong phép quay này là hệ quy chiếu)
- Phép quay RPY lại định vị vật thể bằng cách giữ hệ quy chiếu cố định trong khi xoay vật
liên tiếp ba lần quanh ba trục của hệ quy chiếu ban đầu. (đối tượng quay đi trong phép
quay này là vật thể)
- Phép quay hệ quy chiếu đi liên tiếp (ơle) theo các trục của hệ quy chiếu địa phương vừa
sinh ra (trong điều kiện vật thể cố định) cho kết quả giống như phép quay liên tiếp vật thể
(RPY) so với hệ quy chiếu cố định song theo thứ tự ngược lại.
Chứng minh:
Gọi A là ma trận điểm biểu diễn điểm mút véc tơ cần biến hình trong cả hai hệ quy chiếu.
Phép quay vật so với hệ quy chiếu hiện thời liên tiếp:
R EUL R (z, )R ( y' , )R ( x" , ) (1)
Hay gọi A1 là ảnh của A qua ánh xạ đó ta có:
A1 A.R ( z , ) R ( y' , ) R ( x" , ) (2)
Sau khi quay vật đi lần thứ nhất bởi phép R( z , ) thực hiện bình thường vì trục z lúc này là
trục cơ bản. Lần quay thứ hai quanh trục y’ không có ma trận quay vì y’ lúc này là trục bất kì,
ta phải làm trùng nó với một trục của hệ quy chiếu rồi sử dụng phép quay có bản quanh trục y
cũ, sau đó trả kết quả lại như sau:
A.R( z , ) R 1 ( z , ) R( y, ) R( z , ) A.R(y, )R(z, ) (3)
Lúc này trục x” lại là trục bất kì, để có ma trận quay ta lại phải làm trùng trục quay trước khi
quay, sau khi quay bằng ma trận quay tiêu chuẩn trả kết quả lại như sau:
A.R (y, )R(z, )R -1 (z, )R -1 ( y, ) R ( x, ) R ( y, ) R ( z , ) A.R ( x, ) R ( y, ) R ( z , ) (4)
Vậy biểu thức đạt được cuối cùng ở đây chính là một trình tự ngược lại với (2). Biểu thức
(2) biểu thi phép quay EUL còn (4) biểu thị RPY.
2.3. Phép biến đổi thuần nhất:
Trong giáo trình CAD/CAM khi học về biến đổi đồ họa đã nói rõ rằng ma trận (3.3) không
phù hợp cho việc thể hiện phép biến đổi tịnh tiến, mặc dù để thể hiện phép quay ma trận quay
chỉ cần có kích thước (3.3), các phép biến đổi tỉ lệ đều, không đều, quay, tịnh tiến có thể được
biểu thị tổ hợp trong một ma trận duy nhất (4.4), nếu trọng số a44 = 1 không thể hiện phép tỉ
lệ. Phép biến đổi nhờ ma trận thuần nhất gọi là phép chuyển đổi thuần nhất.
Quy ước ma trận điểm viết sau ma trận biến hình có các ma trận biến hình như sau:
c s 0 0 c 0 s 0 1 0 0 0
s c
0 0 0 1 0
0 0 c s 0
Rot ( z , ) ; Rot ( y, ) ; Rot ( x, )
0 0 1 0 s 0 c 0 0 s c 0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
1 0 0 M
0 1 0 N
Trans (M , N , P)
0 0 1 P
0 0 0 1
Nhờ 4 ma trận này có thể biểu thị chuyển động của một vật bất kì trong không gian, song
tính trực giao của ma trận quay biểu diễn dưới dạng thuần nhất không được đảm bảo.
2.4. Bài toán động học thuận của tay máy:
Nhiệm vụ của bài toán thuận là khi cho trước các biến khớp phải xác định vị trí và định
hướng của tất cả các khâu trên cánh tay, thông thường nếu không khống chế quỹ đạo của các
khâu trên cánh tay nhằm tránh va chạm với các đổi tượng khác trong vùng làm việc, người ta
thường chỉ xác định vị trí và định hướng của khâu sau cùng.
Trên cánh tay có các khâu và các khớp tổ hợp với nhau mà tạo thành, cánh tay có hai hình
thức cơ bản, có thể chuỗi động hình thành nên nó là kín, hoặc hở.
Các khâu và các khớp được mô tả qua các thông số được chia ra hai loại, các thông số
không thay đổi (chiều dài khâu) gọi là tham số. Các thông số thay đổi (góc quay của khâu,
lượng di chuyển dài của khâu tịnh tiến) gọi là biến khớp.
Trong kĩ thuật robot sử dụng phổ biến hai loại khớp thấp là quay và tịnh tiến, khớp cầu
được tổ hợp từ ba khớp quay có đường trục quay giao nhau tại một điểm.
Phép chuyển đổi tọa độ được biểu diễn bằng ma trận chuyển đổi thuần nhất:
n 0 ( q ) s 0 ( q ) a 0 ( q ) p 0 ( q)
T 0 (q)
0 0 0 1
Trong đó p 0 (q ) là véc tơ định vị, n 0 ( q ), s 0 ( q ), a 0 (q ) là các véc tơ định hướng dưới dạng
cosin chỉ phương của phần làm việc. Chẳng hạn với ma trận thuần nhất có thể chọn như sau:
a12 a13 a14
a 23 a 24
T 0 (q)
a34
1
Các phần tử a12; a13; a23 là các phần tử định hướng, các phần tử a14; a24; a34 là các phần tử
đinh vị. Như vậy chỉ cần 6 phần tử để mô tả định vị và định hướng.
Để định vị và định hướng từng khâu trên cánh tay cũng như khâu tác động sau cùng người
ta phải gắn các hệ tọa độ suy rộng lên từng khâu, cả cơ cấu có một hệ quy chiếu chung nối với
giá cố định, hệ quy chiếu này có chức năng vừa để mô tả định vị, định hướng khâu tác động
sau cùng của tay máy, vừa để mô tả đối tượng tác động của tay máy mà nó cần nhận diện.
Việc xây dựng các hệ quy chiếu này cần có tính thống nhất cao, đòi hỏi tính xác định duy
nhất. Sau đây sẽ xem xét quy tắc DH là một quy tắc điển hình.
Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp (i) với khớp
(i+1) như hình vẽ. Theo quy tắc DH các hệ tọa độ được xác định theo quy ước sau:
- Trục tọa độ zi trùng với trục quay của khớp (i + 1), gốc trùng với chân của đường
vuông góc chung giữa trục quay khớp (i) và trục quay khớp (i+1), trục x của nó trùng với
đường vuông góc chung và hướng từ trục (i-1) tới trục (i), trục y tự xác định theo quy tắc bàn
tay phải.
- Trục tọa độ zi-1 trùng với trục quay của khớp (i), trục x trùng phương đường vuông
góc chung giữa trục (i-1) và khớp (i), chiều dương hướng từ trục (i-1) tới khớp (i). Trục y tự
xác định theo quy tắc bàn tay phải.
- Quy ước các góc và khoảng cách trên lược đồ như sau:
ai là khoảng cách giữa hai khớp theo phương đường vuông góc chung.
di là khoảng cách giữa giao điểm của hai đường vuông góc chung với trục quay, tính theo
phương của đường vuông góc chung.
i là góc quay quanh trục xi để zi-1 đến trùng với zi.
i là góc quay quanh trục zi-1 để xi-1 đến trùng với xi.
Công việc còn lại là biến đổi sao cho hệ quy chiếu Oi-1 trùng với hệ quy chiếu Oi. Trình tự
biến đổi thực hiện như sau:
Tịnh tiến Oi-1 theo trục (Oi-1zi-1) một lượng di bằng ma trận tịnh tiến.
Quay hệ quy chiếu O’i vừa nhận được một góc i quanh trục z’i bằng ma trận quay.
Nhân hai ma trận này với nhau có ma trận biến đổi thuần nhất của bước này như sau:
Copyright by webtailieu.net