HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT UP6 TRÁNH VẬT CẢN THEO GIẢI THUẬT PROBABILISTIC ROADMAP CÓ XEM XÉT ĐỘ UYỂN CHUYỂN CỦA CÁC GÓC KHỚP

Tóm tắt

Hoạch định quỹ đạo cho cánh tay robot tránh vật cản hoạt động trong môi trường 3D là bài toán đang được quan tâm để giải quyết cho robot tự hành sẽ được ứng dụng rất nhiều trong đời sống. Với sự phát triển của hệ thống Camera Stereo thì việc xác định được 6DOF của đối tượng đã được giải quyết khá tốt, do đó nếu cánh tay robot tự hoạch định được quỹ đạo để di chuyển tránh vật cản, tiếp cận đối tượng, gắp và đưa đối tượng về vị trí xác định trước trong môi trường 3D đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện quy trình cho Robot tự hành [1, 2]. Trong bài báo này, tác giả đề xuất giải pháp hoạch định quỹ đạo, tránh vật cản cố định cho cánh tay robot UP6-6DOF dựa trên giải thuật Probabilistic Roadmap (PRM) [3, 4] có xem xét đến sự uyển chuyển của các góc khớp để nâng cao độ bền cơ cũng như giảm sự rung lắc điểm làm việc EE (End-Effector) của cánh tay Robot. Trong phương pháp hoạch định quỹ đạo dựa trên PRM, đầu tiên bản đồ (Roadmap) dưới dạng lưới hình lập phương được xây dựng trong hệ trục tọa độ (x, y, z) đã loại bỏ vật cản được minh họa trong hình 1. Sau khi xác định được 6DOF của đối tượng từ hệ thống Camera gọi là điểm F (Finish) và với vị trí hiện tại của điểm EE gọi là điểm S (Start), dựa trên thuật toán tối ưu quãng đường di chuyển của điểm EE men theo các E (Edge) trong bản đồ Roadmap để di chuyển từ điểm S đến điểm F, ta tìm được quỹ đạo trong không gian 3D (x, y, z) được minh họa trong hình 4. Thông qua bài toán động học ngược trong phần mềm RoboDK, ta dễ dàng thu thập được tập nghiệm (q1, q2, q3, q4, q5, q6) theo thời gian của cánh tay robot UP6 thỏa mãn điểm EE của robot di chuyển dọc theo quỹ đạo vừa xây dựng được. Tuy nhiên, quỹ đạo xây dựng trong Roadmap sẽ có điểm gãy trong không gian 3D tại các Nút N (Node), thông thường tại các Nút thì trong không gian tập nghiệm góc khớp cũng xảy ra điểm gãy [5]. Do đó, trong không gian tập nghiệm thì bộ điều khiển động lực của các góc khớp không được trơn tru và uyển chuyển tại các điểm gãy này. Hệ quả gây ra rung lắc điểm EE và giảm tuổi thọ của các cơ cấu cơ khí. Để cải thiện chất lượng điểu khiển Robot, một đoạn chương trình được phát triển để dò ra các điểm gãy trong không gian nghiệm góc khớp, sau đó giải thuật Cubic Spline interpolation not-a-knot [6] được áp dụng tại các điểm gãy này với độ trơn tru hàm bậc 3 để các bộ góc khớp của UP6 được mềm mại và uyển chuyển hơn. Giải thuật đã được triển khai mô phỏng cho tay máy Robot UP6 trên phần mềm Matlab kết hợp với phần mềm RoboDK đã cho kết quả quỹ đạo của điểm EE được uyển chuyển và mềm mại hơn trong môi trường 3D cũng như trong môi trường tập nghiệm của các bộ góc khớp giúp nâng cao tuổi thọ của các kết cấu cơ và giảm thiểu sự rung lắc của điểm EE.

Title

PATH PLANNING FOR UP6 ROBOT TO AVOID OBSTACLES USING THE PROBABILISTIC ROADMAP ALGORITHM WITH CONSIDERATION OF THE JOINT FLEXIBILITY.

Abstract

In this paper, the author proposes a trajectory planning solution for avoiding fixed obstacles for the UP6-6DOF robot arm based on the Probabilistic Roadmap (PRM) algorithm [3, 4]. The algorithm considers the flexibility of joint angles to enhance mechanical durability and reduce vibration at the robot arm's End-Effector (EE) working point. In the trajectory planning method based on PRM, a grid-based roadmap is first constructed in the coordinate system (x, y, z), eliminating the obstacles depicted in Figure 1. After determining the 6DOF of the object (referred to as the Finish point) from the Stereo Camera system and considering the current position of the EE (Start point), the algorithm optimally calculates the EE's path following the edges in the roadmap to move from the Start point to the Finish point. This results in a trajectory in 3D space (x, y, z), as illustrated in Figure 4. Through inverse kinematics problems in the RoboDK software, time- dependent motion data of the UP6 robot arm satisfying the EE point moving a along the constructed trajectory can be easily obtained. However, the trajectories constructed in the roadmap may have not smooth in 3D space at Nodes (N), typically resulting in joint angle discontinuities in its space at these Nodes [5]. Consequently, the control system of joint angles is not smooth, which leads to vibrations at the EE point and reduces the lifespan of mechanical structures. A program segment is developed to identify discontinuity points in the joint angle space to improve the robot control quality. Subsequently, the Cubic Spline interpolation not-a-knot algorithm [6] is applied at these points with third-degree smoothness to make the UP6 joint angles smoother and more flexible. The algorithm is implemented and simulated for the UP6 robot arm using Matlab in conjunction with RoboDK software, producing trajectories with smoother and more flexible EE points in both 3D environments and test spaces of joint angles. This approach enhances the lifespan of mechanical structures and minimizes EE point vibrations.