VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CƠ HỌC
TRẦN HOÀNG NAM
GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC ĐỘNG HỌC,
ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT RÔBỐT DƯ DẪN ĐỘNG
DỰA TRÊN THUẬT TOÁN HIỆU CHỈNH GIA LƯỢNG
VÉC TƠ TỌA ĐỘ SUY RỘNG
Chuyên ngành : Cơ học kỹ thuật
Mã số : 62.52.02.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2010
Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN CƠ HỌC - VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
Người hướng dẫn khoa học :
1. GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
2. PGS. TS. Nguyễn Phong Điền, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội
Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Cao Mệnh, Viện Cơ học
Phản biện 2: GS.TS Phan Nguyên Di, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Phản biện 3: PGS.TS Ninh Quang Hải, Trường ĐH KIến Trúc Hà Nội
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện
họp tại Viện Cơ Học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Vào hồi 8 giờ 30 ngày 06 tháng 8 năm 2010
Có thể tìm hiểu luận án tại :
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Viện Cơ học Việt Nam
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:
1. Nguyen Van Khang, Do Tuan Anh, Nguyen Phong Dien, Tran Hoang Nam : “In
fluence of trajectories on the joint torques of kinematically redundant
manipulators”. Vietnam Journal of Mechanics, vol. 29 (2007), No.2, pp. 65-72.
2. Nguyen Van Khang, Nguyen Phong Dien, Nguyen Van Vinh, Tran Hoang Nam
: “Inverse kinematic and dynamic analysis of redundant measuring manipulator
BKHN-MCX-04”. Vietnam Journal of Mechanics, vol. 32 (2010), No.1, pp.
15-26.
3. Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Quang Hoàng, Lê Đức Đạt, Trần Hoàng Nam :
“Về một thuật toán điều khiển trượt robot dư dẫn động”. Tạp chí Tin học và
Điều khiển học, Tập 24 (2008), No.3, Tr.269-280.
4. Nguyễn Văn Khang, Lê Đức Đạt, Trần Hoàng Nam: “Về một phương pháp số
giải bài toán động học ngược robot dạng chuỗi”. Tuyển tập Hội nghị Cơ học
toàn quốc lần thứ 8, Tập 1, Tr. 250-259. NXB Bách khoa, Hà Nội 2007.
5. Nguyễn Quang Hoàng, Nguyễn Văn Khang, Trần Hoàng Nam: “Bài toán động
học ngược rôbốt dư dẫn động có chú ý đến sự cố kẹt khớp”. Tuyển tập Hội nghị
Cơ học toàn quốc, Tập 2, Tr. 282-290, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ,
Hà Nội 2009.
6. Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Quang Hoàng, Trần Hoàng Nam: “Về bài toán
động lực học ngược rôbốt dư dẫn động”. Tuyển tập Hội nghị Khoa học Công
nghệ Cơ khí chế tạo toàn quốc lần thứ hai, Phân ban “Tự động hóa và Cơ điện
tử”, Tr 41-48, Hà Nội 2009.
7. Nguyen Van Khang, Nguyen Quang Hoang, Tran Hoang Nam: “On an efficient
method for improving accuracy of the inverse kinematics of robotic
manipulators” International Conference on Engineering Mechanics and
Automation (ICEMA 2010), Hanoi, July 1-2, 2010
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Theo các tài liệu về rôbốt, một rôbốt được gọi là dư dẫn động khi số tọa độ suy rộng
nhiều hơn số tọa độ tối thiểu xác lập nên vị trí và hướng của khâu thao tác. Nhờ tính dư
dẫn động mà rôbốt dư dẫn động có khả năng tránh được các điểm kỳ dị, các giới hạn
của biến khớp, các vật cản …
Khi nghiên cứu rôbốt ta phải giải quyết các bài toán về động học, động lực học và
bài toán điều khiển. Trong các bài toán này thì các bài toán ngược là các bài toán khó,
nhất là đối với các bài toán ngược của rôbốt dư dẫn động. Bài toán ngược của rôbốt dư
dẫn động ở nước ta hãy còn ít được nghiên cứu. Do đó việc nghiên cứu, tìm ra phương
pháp mới giải bài toán ngược là việc làm cấp thiết và vì vậy tác giả đã chọn đề tài
nghiên cứu là: ”Giải bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển trượt rôbốt
dư dẫn động dựa trên thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng”.
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng một thuật toán đưa lại độ chính xác cao khi giải các bài toán ngược động
học, động lực học và điều khiển dạng trượt rôbốt dư dẫn động.
3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các rôbốt dư dẫn động.
Nội dung nghiên cứu là khảo sát bài toán động học ngược, bài toán động lực học
ngược và bài toán điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động.
4. Các phương pháp nghiên cứu
• Phương pháp tự động hóa thiết lập các phương trình động học và động lực học
của hệ nhiều vật.
• Phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm đa năng MATLAB và MAPLE.
• Phương pháp thực nghiệm.
5. Những đóng góp mới của luận án
Đã đề xuất “thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng” và áp dụng nó
để giải các bài toán ngược động học, động lực học và điều khiển chuyển động của rôbốt
dư dẫn động bằng phương pháp trượt. Đã tiến hành giải một số ví dụ minh họa chứng
tỏ tính ưu việt của phương pháp giải bài toán ngược khi sử dụng thuật toán “hiệu chỉnh
gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng” so với khi giải bài toán mà không sử dụng thuật toán
hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng.
6. Bố cục của luận án
Luận án có 142 trang. Ngoài các phần mở đầu, kết luận chung, tài liệu tham khảo,
các công trình liên quan đến luận án, nội dung chính của luận án được trình bày trong 4
chương :
Chương 1: “Tính toán động học ngược rôbốt dư dẫn động bằng thuật toán hiệu
chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng”.
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”.
Chương 3: “Điều khiển trượt rôbốt dư dẫn động dựa trên thuật toán số hiệu chỉnh
gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng”.
2
Chương 4: “Động lực học và điều khiển trượt rôbốt đo BKHN-MCX-04”. Là
chương áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết cho một mô hình rôbốt đo BKHN-
MCX-04 mới được chế tạo.
CHƯƠNG 1
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC RÔBỐT DƯ DẪN ĐỘNG
BẰNG THUẬT TOÁN HIỆU CHỈNH GIA LƯỢNG
VÉCTƠ TỌA ĐỘ SUY RỘNG
Từ việc giải bài toán động học thuận ta xác định được quan hệ
x = f(q) (1.1)
còn khi giải bài toán ngược ta phải xác định quan hệ hình thức được suy ra từ biểu thức
(1.1) dưới dạng
q = f-1(x) (1.2)
1.1 Phương pháp khai triển Taylor
Trong các cuốn sách [48, 51] đã trình bày một thuật toán số như sau:
t)t()t()t( kk1k Δ+=
+qqq & (1.3)
Trong đó )t( k
q
& được xác định từ công thức
)t())t(()t( kk
1
kxqJq &
&& −
= (1.4)
Thế (1.4) vào (1.3) ta được
t)t())t(()t()t( kk
1
k1k Δ+= −
+xqJqq &
& (1.5)
Kết quả tính toán véc tơ tọa độ suy rộng theo (1.5) là khá thô. Do đó ta phải tìm
cách cải tiến công thức (1.5) để có độ chính xác cao hơn.
1.2 Các công thức xác định véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc suy rộng
Từ bài toán động học thuận, ta có hệ thức
)(qfx = (1.6)
Đạo hàm 2 vế của (1.6) theo thời gian, ta được :
qqJq
q
f
x&&
&)(=
∂
∂
= (1.7)
Trong đó :
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
=
n
m
2
m
1
m
n
1
2
1
1
1
q
f
...
q
f
q
f............
q
f
...
q
f
q
f
)( q
f
qJ (1.8)
Giả sử J(q) có hạng đầy đủ. Theo [41, 56], ta chọn tựa nghịch đảo của J(q) dưới
dạng
[
]
1
)()()()( −
+=qJqJqJqJ TT (1.9)
Khi đó từ biểu thức (1.7) ta suy ra công thức tính véc tơ vận tốc suy rộng:
)t())t(()t( kkk xqJq &
&+
= (1.10)
Và suy ra: