Cho robot lệnh tới vị trí mới ngay lập tức thì bộ điều khiển sẽ cố đi hết sức, gây giật, rung và mòn. Quỹ đạo là cách nói cho robot biết nó nên tới đó như thế nào.
Vì sao cần quỹ đạo
Lệnh nhảy bậc là lệnh gia tốc vô hạn. Phần cứng không làm được nên nó cố hết sức, và kết quả là lệnh bão hoà, chuyển động không đoán trước được.
Hậu quả cơ khí. Giật gây tải xung lên hộp số và khớp, đẩy nhanh quá trình mòn.
Hậu quả với vật đang cầm. Gia tốc lớn làm vật trượt trong kẹp hoặc đổ.
Hậu quả với độ chính xác. Chuyển động giật kích thích dao động của kết cấu. Robot tới đích rồi còn rung một lúc.
Quỹ đạo giải quyết bằng cách nào. Cho mục tiêu thay đổi dần theo thời gian, tôn trọng giới hạn vận tốc và gia tốc của hệ thống.
Kết quả. Robot đi mượt, tới đúng, và bộ điều khiển làm việc trong dải tuyến tính nơi nó hoạt động tốt nhất.
Các dạng quỹ đạo cơ bản
Hình thang vận tốc. Tăng tốc đều, giữ vận tốc không đổi, giảm tốc đều. Đơn giản nhất, tính toán nhẹ, dùng rộng rãi.
Nhược điểm. Gia tốc nhảy bậc ở các điểm chuyển. Vẫn còn giật, chỉ nhẹ hơn nhiều so với không có quỹ đạo.
Hình chữ S. Gia tốc cũng thay đổi dần thay vì nhảy bậc. Mượt hơn hẳn, giảm rung rõ rệt. Tốn thời gian hơn một chút cho cùng quãng đường.
Khi nào đáng dùng hình chữ S. Robot mang vật dễ đổ, kết cấu mềm dễ rung, hoặc ứng dụng cần độ chính xác cao ở điểm dừng.
Đa thức. Đặt điều kiện ở hai đầu — vị trí, vận tốc, gia tốc — rồi tìm đa thức thoả mãn. Linh hoạt, cho quỹ đạo rất mượt. Khó áp giới hạn vận tốc và gia tốc tường minh.
Spline qua nhiều điểm. Khi cần đi qua một chuỗi điểm mà không dừng ở mỗi điểm. Dùng cho đường đi phức tạp.
Chọn thế nào. Bắt đầu bằng hình thang. Chuyển sang hình chữ S nếu thấy rung hoặc vật bị xê dịch. Dùng spline khi cần đi mượt qua nhiều điểm.
Chọn giới hạn vận tốc và gia tốc
Không lấy từ thông số phần cứng. Đó là giới hạn tuyệt đối. Giới hạn dùng trong quỹ đạo nên thấp hơn để có dư địa cho bộ điều khiển sửa sai lệch.
Quy tắc thô. Đặt khoảng bảy mươi tới tám mươi phần trăm khả năng phần cứng.
Giới hạn phụ thuộc tải. Robot mang vật nặng thì gia tốc cho phép thấp hơn. Nên có bộ giới hạn theo tải.
Giới hạn phụ thuộc tư thế. Cánh tay duỗi có quán tính lớn hơn. Với ứng dụng khắt khe thì tính giới hạn theo tư thế.
Giới hạn theo vật đang cầm. Cốc nước đầy cần gia tốc thấp hơn hộp kín. Đây là tham số nên gắn với loại vật.
Kiểm bằng thực nghiệm. Tăng dần gia tốc cho tới khi thấy rung hoặc vật xê dịch, rồi lùi lại. Đáng tin hơn tính toán.
Đo thời gian chu kỳ. Tăng gia tốc không phải lúc nào cũng giảm thời gian đáng kể, vì với quãng ngắn thì robot không kịp đạt vận tốc tối đa. Đo để biết có đáng đánh đổi không.
Quỹ đạo trong không gian khớp và không gian đề các
Trong không gian khớp. Sinh quỹ đạo cho từng góc khớp. Đơn giản, không có điểm kỳ dị, luôn thực hiện được.
Nhược điểm. Đường đi của đầu tay trong không gian là đường cong không đoán trước được. Có thể va vào vật cản dù điểm đầu và điểm cuối đều an toàn.
Trong không gian đề các. Sinh quỹ đạo cho vị trí đầu tay, rồi giải động học ngược ở từng điểm.
Ưu điểm. Đầu tay đi theo đường thẳng hoặc đường cong xác định. Cần cho hàn, dán keo, cắt, và mọi việc mà đường đi quan trọng.
Nhược điểm. Có thể gặp điểm kỳ dị giữa đường. Có thể vượt giới hạn khớp. Tốc độ khớp có thể vọt lên rất cao ở một số tư thế.
Kiểm trước khi chạy. Chạy thử toàn bộ quỹ đạo trong tính toán, kiểm mọi điểm có giải được động học ngược không và tốc độ khớp có trong giới hạn không.
Chọn thế nào. Di chuyển giữa các điểm mà đường đi không quan trọng thì dùng không gian khớp — nhanh hơn và an toàn hơn. Việc cần đường đi cụ thể thì dùng không gian đề các.
Nối các đoạn quỹ đạo
Vấn đề. Robot đi qua nhiều điểm. Dừng hẳn ở mỗi điểm rồi đi tiếp thì chậm và giật.
Làm tròn góc. Cho phép robot cắt góc gần điểm trung gian, không dừng lại. Rút ngắn thời gian đáng kể.
Đánh đổi. Cắt góc nghĩa là không đi qua đúng điểm đã chỉ định. Bán kính cắt là tham số phải đặt.
Khi nào không được cắt. Điểm mà robot phải tới chính xác — vị trí gắp, vị trí đặt, điểm bắt đầu đường hàn.
Nối liên tục về vận tốc. Đoạn sau bắt đầu với vận tốc bằng vận tốc cuối đoạn trước. Tránh giật.
Tính trước hay tính khi chạy. Tính trước cả quỹ đạo cho phép kiểm tra và tối ưu. Tính khi chạy cho phép phản ứng với thay đổi.
Kết hợp. Tính trước cho phần chính, cho phép điều chỉnh cục bộ khi chạy. Đây là cấu trúc dùng trong hệ thống thực tế.
Lưu ý về bộ đệm. Nhiều bộ điều khiển nhận trước một chuỗi điểm. Bộ đệm cạn giữa chừng gây dừng đột ngột — cần đảm bảo luôn cấp kịp.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lệnh nhảy bậc gây vấn đề?
Vì nó là lệnh gia tốc vô hạn mà phần cứng không làm được, gây bão hoà lệnh, chuyển động không đoán trước, tải xung lên hộp số và kích thích dao động kết cấu.
Khi nào nên dùng quỹ đạo hình chữ S?
Khi robot mang vật dễ đổ, kết cấu mềm dễ rung, hoặc ứng dụng cần độ chính xác cao ở điểm dừng — vì nó làm gia tốc thay đổi dần thay vì nhảy bậc.
Nên đặt giới hạn gia tốc bằng bao nhiêu?
Khoảng bảy mươi tới tám mươi phần trăm khả năng phần cứng, để dành dư địa cho bộ điều khiển sửa sai lệch. Và kiểm bằng thực nghiệm cho từng loại tải.
Khi nào dùng quỹ đạo trong không gian đề các?
Khi đường đi của đầu tay quan trọng — hàn, dán keo, cắt. Di chuyển giữa các điểm mà đường đi không quan trọng thì dùng không gian khớp vì nhanh và an toàn hơn.
Đọc thêm trong Dự án tự làm và Gỡ lỗi & chẩn đoán.
