Microsoft Word - BO DIEU KHIEN PARALLEL ROBOT.doc

Bé IÒU KHIÓN PARALLEL ROBOT KS. Tõ DiÖp C«ng Thµnh, PGS. TS. Æng V n Ngh n Bé M«n C iön Tö, Khoa C KhÝ, ¹i Häc B ch Khoa Tp Hå ChÝ Minh Email: tdcthanh@dme. hcmut. edu. vn Tãm t¾t Kh c víi lo¹i Robot nèi tiõp (Serial Robot), Robot song song (Parallel Robot) cã nh ng u ióm v ît tréi nh é cøng v ng, kh n ng thay æi vþ trý vµ Þnh h íng linh ho¹t, é chýnh x c vµ æn Þnh cao, v. v.. îc øng dông trong nhiòu lünh vùc. Bµi b o giíi thiöu lo¹i Robot song song - Parallel Robot cã cêu tróc khðp kýn îc t¹o bëi 6 ch n vµ iòu khión éc lëp. Tuy nhiªn nõu dïng nh ng ph ng ph p iòu khión th«ng th êng th týnh p øng cña robot sï chëm. ë y, chóng t«i tr nh bµy kõt qu nghiªn cøu vò bé iòu khión song song kõt hîp víi gi i thuët iòu khión song song Ó lµm t ng týnh p øng vµ linh ho¹t cho Robot. Abstract Different from many Serial Robots, Parallel Robot has some advantages such as: rigidity, changing position ability and flexible navigation, accuracy and high stability... They are applied in a lot of fields. The Paper introduce the Parallel Robot with closed-loop structure constructed by 6 dof and controlled independently. However, if we use the control medthod as usual the respond of robot will slow. Hereby, we talk about the research results about the Parallel Controller compacted with Parallel Algorithm in order to increase the respond and flexibility for Robot. 1. ÆT VÊN Ò Ngµy nay, c c kü thuët Robot víi sù hç trî cña m y týnh p øng îc é chýnh x c cao, thêi gian thu nhën vµ xö lý c c týn hiöu nhanh chãng, tin cëy, lµm t ng n ng suêt lao éng, h¹n chõ c c tai n¹n vµ éc h¹i cho con ng êi, v. v... Tuy nhiªn víi lo¹i Serial Robot hiön nay trong rêt nhiòu lünh vùc béc lé râ nh ng nh îc ióm nh týnh linh ho¹t thêp, tèc é xö lý vµ kh n ng p øng kh«ng cao, é cøng v ng còng nh týnh chýnh x c ch a m b o. Ó kh¾c phôc phçn nµo c c khuyõt ióm trªn mét lo¹i Robot míi ra êi ã lµ Parallel Robot. Serial Robot lµ lo¹i Robot liªn tiõp cã kõt cêu hë îc liªn kõt víi c c kh u éng häc vµ îc iòu khión tuçn tù hoæc song song. Kh c h¼n víi Serial Robot, theo J-P. Merlet, Parallel Robot lµ c cêu vßng kýn trong ã kh u t c éng cuèi îc liªn kõt Õn nòn bëi Ýt nhêt hai chuçi éng häc éc lëp. Trªn h nh 1 giíi thiöu mét lo¹i Parallel Robot. H nh 1: Mét lo¹i Parallel Robot

Do nhu cçu cña thùc tõ, Parallel Robot ph t trión theo nhiòu h íng kh c nhau nh : - Theo bëc tù do Parallel Robot cã thó cã, 4, 5 hoæc 6 bëc tù do. - Theo vën tèc dþch chuyón cã c c lo¹i vën tèc trung b nh vµ vën tèc cao (v /5m/s) vµ cßn nhiòu kióu ph n lo¹i kh c n a. Tuy nhiªn nh n chung têt c c c lo¹i Parallel Robot Òu cã nh ng u ióm nh : kh n ng chþu t i cao, gia tèc lín, é cøng v ng c khý cao, khèi l îng éng thêp, tçn sè riªng cao, kõt cêu n gi n vµ c c c cêu chêp hµnh Òu cã thó Þnh vþ trªn têm nòn Víi nh ng u ióm trªn, Parallel Robot îc øng dông trong rêt nhiòu lünh vùc nh : Y häc, thiªn v n häc, tr¾c Þa, c c m y c«ng cô, v.v. Parallel Robot lµ chuçi nhiòu kh u khðp kýn cho nªn nã hõt søc a d¹ng vµ iòu khión rêt phøc t¹p, Ó thùc hiön mét t c éng iòu khión cho kh u éng häc cuèi, c c kh u éng häc ph i îc iòu khión ång thêi. y lµ mét ßi hái khã kh n cho thiõt kõ bé iòu khión. 2. Bé IÒU KHIÓN SONG SONG Nh giíi thiöu, Ó thùc hiön viöc iòu khión cho Parallel Robot, cçn cã mét bé iòu khión sao cho m b o îc týnh ång thêi, kh n ng nhí vµ qu n lý tõng kh u éng häc éc lëp. ë y, chóng t«i giíi thiöu mét bé iòu khión dïng cho Parallel Robot cã 6 bëc tù do (h nh 2). éng häc kh u 1 éng häc kh u 2 éng häc kh u M y týnh trung t m Khèi m¹ch khuõch ¹i c«ng suêt éng häc kh u 4 éng häc kh u 5 éng häc kh u 6 H nh 2: S å khèi cña bé iòu khión Parallel Robot Bé iòu khión Parallel Robot lµ hö thèng phøc t¹p, gåm mét tëp hîp c c phçn tö xö lý éc lëp liön l¹c víi nhau b»ng c ch trao æi c c th«ng tin. Mçi mét bé xö lý éc lëp sï thùc hiön mét lo¹t c c chø thþ cña chýnh nã vµ lµm viöc trªn mét tëp c c d liöu riªng biöt. Giíi thiöu c c ph ng ph p iòu khión song song C c nghiªn cøu îc trión khai nh»m t m kiõm ph ng ph p t¹o ra nh ng ch ng tr nh cã thó thùc thi ång thêi trªn nh ng ch ng tr nh song song. C c nghiªn cøu trión khai viöc song song ho cã thó îc ph n thµnh 4 møc :

- ë møc øng dông: C c ch ng tr nh îc thùc thi ång thêi trªn nh ng bé xö lý kh c nhau hoæc nh ng m y kh c nhau vµ cã thó cã sù trao æi th«ng tin lén nhau. Chóng thùc hiön viöc ph n phèi c c øng dông cho c c bé xö lý theo kh«ng gian vµ thëm chý theo thêi gian. ë møc nµy, mçi ch ng tr nh øng dông vén thùc thi tuçn tù. - ë møc ch ng tr nh: Ng êi lëp tr nh sï t m kiõm gi i thuët cã thó thùc thi ång thêi cho vên Ò cçn gi i quyõt. Do ã, tr ch nhiöm song song ho ch ng tr nh sï do ng êi lëp tr nh thùc hiön. B»ng t duy cña con ng êi còng nh tïy theo Æc thï cña mçi bµi to n, ng êi lëp tr nh cã thó t m ra c ch thøc song song ho kh c nhau sao cho ch ng tr nh cã thó thùc thi ång thêi mét c ch hiöu qu nhêt. - ë møc ph t bióu: Ch ng tr nh dþch sï m nhiöm vai trß song song ho ch ng tr nh. Nã sï t m kiõm trong mét ch ng tr nh tuçn tù tõ nh ng kh n ng song song ho, thùc hiön c c biõn æi Ó t¹o ra m ch ng tr nh song song, sinh thªm c c m ång bé vµ trao æi th«ng tin. u ióm chýnh cña møc nµy lµ khã kh n cña ng êi l p tr nh îc gi m nhñ vµ ch ng tr nh cã týnh linh ho¹t vµ cã thó p dông trªn nh ng m«h nh m y kh c nhau v ch ng tr nh dþch sï thùc hiön viöc t¹o m thých hîp cho m«h nh m y mµ nã ang dþch sang. - ë møc lönh m y: C c bé xö lý sï t m c ch thùc hiön nhiòu lönh m y ång thêi theo c c c chõ kh c nhau. Qua ph n tých kh n ng c«ng nghö vµ týnh kinh tõ, chóng t«i lùa chän ph ng ph p gi lëp song song tõ m y týnh ë møc ch ng tr nh. ThiÕt kõ bé iòu khión song song Bé iòu khión song song îc thiõt kõ dùa trªn gi i thuët gi lëp song song tõ m y týnh vµ giao tiõp víi m y týnh th«ng qua Slot chuèn ISA. Tõ ã Ó m b o týnh nhí vµ kh n ng qu n lý c c kh u éng häc éc lëp th øng víi tõng kh u yªu cçu ph i cã Þa chø riªng, ngoµi ra ph i cã kh n ng më réng port iòu khión vµ gi m s t qu tr nh iòu khión. Chóng t«i lùa chän IC lµm nhiöm vô qu n lý vµ lëp tr nh iòu khión còng nh x c Þnh 6 Þa chø port vµ iòu khión cho c c kh u éng häc (h nh ).

PA1 PA2 PA PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PB1 PB PB4 PB5 PB6 PB8 PC PC8 PA61 PA62 PA6 PA64 PA65 PA66 PA67 PA68 PB61 PB62 PB6 PB64 PB65 PB66 PB67 PB68 1 2 4 5 6 7 8 PA1 PA2 PA PA4 PA5 PA6 PA7 PA8 PB1 PB PB4 PA61 PA62 PA6 PA64 PA65 PA66 PA67 PA68 PB61 PB62 PB6 PB64 PB5 PB6 PB8 PC PC8 22 PB65 PB66 PB67 PB68 1 2 4 5 6 7 8 JP JP6 PA11 PB15 PA21 5 PA PB16 PA22 6 D0 4 4 PA11 PA1 PB17 D0 4 4 PA21 PA2 7 D1 PA PA PB18 D1 PA22 PA24 8 D0 4 4 D2 2 2 PA1 PA15 1 D2 2 2 PA2 PA25 1 D1 D 1 1 PA PA16 2 D 1 1 PA24 PA26 2 D2 2 2 D PA D PA D4 0 40 PA15 PA17 D4 0 40 PA25 PA27 D 1 1 D PA D5 29 9 PA16 PA18 PC D5 29 9 PA26 PA28 4 D4 0 40 D6 28 8 PA17 PB11 5 D6 28 8 PA27 1 5 D5 29 9 D7 27 7 PA18 PB 6 D7 27 7 PA28 2 6 D6 28 8 PB1 7 7 D7 27 7 22 22 18 PB11 PB 8 18 1 4 8 PB 2 18 20 PB1 20 RESET 5 21 PB RESET 5 21 4 20 RESET PB RESET PB 22 PB15 22 5 RESET 5 21 RESET PB WR 6 2 PB16 WR 6 2 6 22 CS1 6 24 PB17 CS2 6 24 7 WR 6 2 25 PB18 25 8 CS 6 24 25 1 1 15 2 15 2 16 16 15 17 PC 17 4 16 PC PC 1 5 1 5 17 PC 6 6 1 11 7 11 7 8 8 11 PA41 PB45 PA51 PB55 PA42 PB46 PA52 PB56 PA4 PB47 PA5 PB57 D0 4 4 PA41 PA44 PB48 D0 4 4 PA51 PA54 PB58 D0 4 4 D1 PA42 PA45 1 D1 PA52 PA55 1 D1 D2 2 2 PA4 PA46 2 D2 2 2 PA5 PA56 2 D2 2 2 D 1 1 PA44 PA47 D 1 1 PA54 PA57 D 1 1 D PA D PA D PA D4 0 40 PA45 PA48 4 D4 0 40 PA55 PA58 4 D4 0 40 D5 29 9 PA46 PB41 5 D5 29 9 PA56 PB51 5 D5 29 9 D6 28 8 PA47 PB42 6 D6 28 8 PA57 PB52 6 D6 28 8 D7 27 7 PA48 PB4 7 D7 27 7 PA58 PB5 7 D7 27 7 22 22 PB44 8 PB54 8 18 PB41 18 PB51 18 PB42 PB52 20 PB4 20 PB5 20 RESET 5 21 PB44 RESET 5 21 PB54 RESET 5 21 RESET PB RESET PB RESET PB 22 PB45 22 PB55 22 WR 6 2 PB46 WR 6 2 PB56 WR 6 2 CS4 6 24 PB47 CS 24 PB57 CS6 6 24 25 PB48 25 PB58 25 1 1 15 2 15 2 15 16 16 16 17 4 17 4 17 PC PC PC 1 5 1 5 1 6 6 11 7 11 7 11 8 8 JP2 JP1 U2 U1 u u6 u5 u4 P2 CONNECTOR DB25 SW4 SW DIP-8/SM R1 R2 k R k R4 k R5 VCC 8 9 6 5 4 74HC00 74HC00 U8A 74HC00 U7 74HC18 1 A4 25 A 24 VCC 11 A2 2 A1 22 RESET 9 A0 21 WR 8 A09 20 RD 7 A08 AEN 6 A07 18 A9 5 A06 17 A8 4 A05 16 A7 A04 15 A6 2 A0 A5 1 A02 22 JP5 JP4 k R6 k R7 k R8 CS1 CS2 CS CS4 CS5 CS6 A2 1 15 A Y0 A 2 B Y1 A4 1 C Y2 VCC 16 VCC Y VCC 6 11 G1 Y4 4 G2A Y5 5 9 G2B Y6 8 7 Y7 5 7 9 1 PA41 PA1 2 PA42 15 PA2 PA4 16 PA 4 PA44 17 PA4 5 PA11 18 PA61 6 PA PA62 7 PA1 20 PA6 8 PA 21 PA64 9 PA21 22 PA51 PA22 2 PA52 11 PA2 24 PA5 PA24 25 PA54 1 16 18 K k A09 2 18 D0 A0 B0 A08 17 D1 A1 B1 A07 4 16 D2 A2 B2 A06 5 15 D A B A0 D4 A4 B4 A04 7 1 D5 A5 B5 A0 8 D6 A6 B6 A02 9 11 D7 A7 B7 VCC 20 VCC RD 1 DIR OE u 74HC245 RD 1 WR 2 AEN 1 OE P=Q A5 2 P0 Q0 A6 4 P1 Q1 A7 6 P2 Q2 A8 8 P Q A9 11 P4 Q4 1 P5 Q5 15 P6 Q6 17 P7 Q7 VCC 20 VCC 74HC688 P1 CONNECTOR DB25 H nh : Bé iòu khión Parallel Robot. GI I THUËT IÒU KHIÓN GI LËP SONG SONG Trªn c c hö thèng lëp tr nh song song, khi thiõt kõ cçn ph i m b o c c Æc týnh nh : kh n ng më réng (scalability), kh n ng ho¹t éng côc bé (locality) vµ cã týnh module (modularity). - TÝnh ång thêi lµ kh n ng thùc hiön nhiòu hµnh éng ång thêi, thùc chêt lµ Ó ch ng tr nh thi hµnh cïng lóc trªn nhiòu processor.

- TÝnh më réng nh»m ¹t îc vên Ò quan träng lµ cµi Æt ch ng tr nh mét lçn, nh ng cã thó ho¹t éng trªn c c hö thèng kh c nhau kh«ng phô thuéc vµo sè processor. Nãi c ch kh c, ch ng tr nh cã thó cµi Æt mµ kh«ng quan t m Õn sè processor sï thi hµnh. - TÝnh côc bé îc tho m n th chi phý cña thuët gi i gi m ng kó bëi viöc truy cëp Õn d liöu côc bé x y ra th êng xuyªn h n viöc truy cëp Õn d liöu ë xa. - Thuéc týnh modularity îc mong îi gièng víi sù mong îi trong lëp tr nh tuçn tù. y chýnh lµ sù ph n chia cña nh ng thùc thó phøc t¹p thµnh c c thµnh phçn n gi n h n. Ph ng ph p thiõt kõ gi i thuët gi lëp song song cã thó îc x y dùng nhê mét tiõn tr nh thiõt kõ tæng qu t qua 4 giai o¹n riªng biöt : - Sù ph n chia: ViÖc týnh to n îc thùc hiön trªn nh ng vïng d liöu nhá h n vµ c c thao t c îc a vò thµnh nh ng nhiöm vô nhá h n. - Sù th«ng tin: X c Þnh c c cêu tróc vµ thuët gi i truyòn th«ng gi a c c nhiöm vô Ó cã sù ho¹t éng phï hîp. - Sù kõt hîp: NhiÖm vô vµ c c cêu tróc truyòn th«ng c x c Þnh trong hai giai o¹n Çu îc nh gi èi víi nh ng yªu cçu cña viöc thùc hiön vµ chi phý cña viöc cµi Æt. NÕu cçn thiõt, nh ng nhiöm vô kõt hîp l¹i Ó cã nh ng nhiön vô lín h n tõ ã t ng hiöu suêt thùc hiön ho c gi m chi phý cña thuët gi i. - Sù s¾p xõp: Mçi nhiöm vô îc g n Õn mét processor sao cho tën dông tèi a sè processor vµ tèi thióu vò chi phý truyòn th«ng. Nh ng Æc týnh îc yªu cçu cho viöc thiõt kõ c c gi i thuët song song vµ ång thêi 4 giai o¹n trong ph ng ph p thiõt kõ gi i thuët gi lëp song song lµ c së cho viöc thiõt kõ ch ng tr nh iòu khión gi lëp song song îc øng dông cho m«h nh song song Parallel. Robot. Ch ng tr nh iòu khión gi i lëp song song îc thiõt kõ trªn nh ng øng dông víi mçi møc øng dông lµ mét ch ng tr nh iòu khión cho mét c cêu chêp hµnh nh»m thùc hiön mét t c vô cã liªn quan, ã lµ thay æi chiòu dµi cña c c ch n nh»m Þnh h íng, vþ trý cña têm di chuyón trong kh«ng gian. Tr nh tù c c b íc tiõn hµnh cho viöc thiõt kõ ch ng tr nh iòu khión gi lëp song song theo c chõ ph n chia thêi gian thùc nh sau: - X y dùng m«h nh to n häc nh»m x c Þnh thêi gian thùc yªu cçu cña tõng øng dông - KiÓm so t hö thèng c c d liöu liªn quan Õn tõng møc øng dông vµ ång thêi tæ chøc s¾p xõp tr nh tù yªu cçu cña mçi møc øng dông - X c Þnh bit Þa chø t ng øng víi tr nh tù yªu cçu cña mçi møc øng dông - TiÕn hµnh ph n chia khe thêi gian t ng øng víi tr nh tù yªu cçu cña mçi møc øng dông, nh»m p øng kh n ng song song ho c c ch ng tr nh iòu khión cña mçi møc ømg dông. Gi i thuët iòu khión gi lëp song song îc tr nh bµy trªn h nh 4.

H nh 4: Gi i thuët iòu khión gi lëp song song 4. KÕt luën Chóng t«i trión khai chõ t¹o bé iòu khión Parallel Robot vµ qua qu tr nh nghiªn cøu lý thuyõt còng nh thùc hiön mét sè thö nghiöm bé iòu khión Parallel Robot hiön ang îc øng dông Ó iòu khión m«h nh HEXAPOD-2001. KÕt qu lµ ban Çu chøng tá nã cã kh n ng m b o týnh gi lëp song song, qu n lý îc c c kh u éng häc éc lëp, týnh æn Þnh vµ n ng cao îc kh n ng p øng thêi gian thùc trong qu tr nh iòu khión Parallel Robot. H íng nghiªn cøu ph t trión tiõp tôc lµ n ng cao týnh æn Þnh, kh n ng p øng thêi gian thùc vµ kü thuët lëp tr nh gi lëp song song cña lo¹i bé iòu khión nµy vµ øng dông trong c c m«h nh Parallel Robot kh c hiön ang îc trión khai t¹i Bé m«n C iön Tö Khoa C KhÝ - ¹i häc B ch Khoa TP. Hå ChÝ Minh. TµI LIÖU THAM KH O [1] TrÇn Nguyªn Duy Ph ng, ThiÕt kõ vµ iòu khiónhexapod, LuËn n cao häc, ¹i häc B ch Khoa TPHCM 2000. [2] LUNG WEN TSAI - Robot Analysis - Department of Mechanical Engineering and Institute for Systems Research University of Maryland - 99. [] T. D. BURTONM, Introduction to Dynamic Systems Analysis, McGraw-Hill, Inc 94. [4] FRANCIS C. MOON, Applied Dynamics With Applications to Multibody and Mechatronics Systems, John Willey& Sons, Inc 98. [5] K.S. FU, R.C. GONZALEZ, C.S.G. LEE, Robotics Control, Sensing, Vision, And Intelligene, McGraw-Hill, Inc 87. [6] LORENZO SCIAVICCO, BRUNO SICILIANO, Modeling And Control of Robot Manipulators, McGraw-Hill, Inc 96. [7] DEVDAS SHETTY, RICHARD A. KOLK, Mechatronics System Design, PWS Publishing Company, 97. [8] www.parallemic.org [9] www.hexapod.com