Điều khiển cánh tay robot 2 bậc sử dụng bộ điều khiển slide modeling control

Báo cáo đồ án thiết kế Đề tài Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do Hà Nội, năm 2022 Mục lục Contents Lời nói đầu 3 Chương1 Tổng quan về Robot công nghiệp 1 1 Sự ra đời của robot công ngh.

z

1

Báo cáo đồ án thiết kế

Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do

Hà Nội, năm 2022

Mục lục

Contents

Lời nói đầu……….3 Chương1 Tổng quan về Robot công nghiệp

Lời nói đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động bởitính linh hoạt và hiệu quả của nó Robot đem lại năng suất lao động cao, giảmchi phí nguyên vật liệu và các dạng năng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng

và giảm giá thành sản phẩm, do đó tạo khả năng cạnh tranh cao hơn trong thịtrường quốc tế Mặt khác, Robot giải phóng con người khỏi lao động chântay Chính vì vậy nghiên cứu điều khiển chuyển động Robot là lĩnh vực đangrất được quan tâm Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phươngpháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, logic mờ,thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp họccho Robot, …

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích chính của đề tài là ứng dụng logic mờ và thiết kế bộ điều khiển

mờ vào điều khiển chuyển động của Robot nhằm nâng cao chất lượng điềukhiển Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các trithức, kinh nghiệm của chuyên gia đây là đặc điểm nổi bật hơn so với các bộđiều khiển kinh điển… Trong công nghiệp, đa số các đối tượng điều khiển đều

là phi tuyến Robot là một trong những đối tượng phi tuyến và là hệ MIMO,các Robot trong sản xuất công nghiệp trong hệ thống sản xuất cần độ chính

3

xác cao như công nghiệp sản xuất ôtô, công nghệ y học, công nghiệp vũ trụ…

vì vậy thiết kế bộ điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển độngluôn là đòi hỏi trong thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu như trên, chúng em lựa chọn đề tài “Nghiên cứuđiều khiển mờ cho chuyển động của Robot hai bậc tự do” Trong đó đối tượngnghiên cứu là Robot hai bậc tự do

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiểntrượt áp dụng cho bài toán điều khiển chuyển động của Robot 2 khâu”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP

1.1. Sự ra đời của robot công nghiệp

-Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm

“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek Theo tiếng Séc thì Robot làngười làm tạp dịch Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đãbắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiệnnhững tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng

xạ Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tạicông ty Unimation

-Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công tyAMF của Mỹ Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có nhữngcông ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiềuloại Robot nổi tiếng

- Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú

ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môitrường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loạiRobot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các

các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp rápcác máy in gồm 20 cụm chi tiết

- Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và côngnghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi

rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy Robot công nghiệp

đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại Ngày nay,chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành mộtlĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học,động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển độngv.v…

5

1.2. Phân loại tay máy theo robot công nghiệp

Trong nội dung đồ án chỉ nhằm vào đối tượng Robot công nghiệp (RBCN), thực chất là một thiết bị tay máy (Handling Equipment) Công nghệ tay máy

(Handling Technology) là công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực hiện các chuyển động theo nhiều trục trong không gian, tương tự như ở con người.

Về cơ bản có thể phân thiết bị tay máy thành 2 loại chính : Điều khiển (ĐK) theo chương trình hay ĐK thông minh :

1.2.1 Loại điều khiển theo chương trình

• Chương trình cứng: Các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt động cố định Ta hay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại Chúng có rất ít trục chuyển động và chỉ thu thập thông tin về quãng đường qua các tiếp điểm hành trình Ta không thể ĐK chúng theo một quỹ đạo mong muốn.

• Chương trình linh hoạt: Là họ Robot mà người sử dụng có khả năng thay đổi chương trình ĐK chúng tuỳ theo đối tượng công tác Ta hay gặp chúng trong các công đoạn như hàn, sơn hay lắp ráp của công nghiệp Ôtô Trong hình 1.1 ta gọi là Robot công nghiệp.

1.2.2 Loại điều khiển thông minh

• Manipulator: Là loại tay máy được ĐK trực tiếp bởi con người, có khả

năng lặp lại các chuyển động của tay người Bản chất là dạng thiết bị

hỗ trợ cho sự khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) và kinh nghiệm của người sử dụng Hay được sử dụng trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức hợp có tính chính xác cao, hay môi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, môi trường khó tiếp cận v.v

• Telemanipulator: Là loại Manipulator được điều khiển từ xa và người

ĐK phải sử dụng hệ thống Camera để quan sát môi trường sử dụng

Như vậy, Robot công nghiệp khác các loại tay máy còn lại ở 2 điểm chính là “sử dụng vạn năng” và “khả năng lập trình linh hoạt”.

1.3. Ứng dụng của robot công nghiệp:

*Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dâytruyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnhtranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuấtphát từ những ưu điểm cơ bản của Robot đó là :

- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn ngườithợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc Do đóRobot giúp nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm được đáng

kể chi phí cho người lao động

- Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ

- Robot giúp cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất màchúng ta cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người laođộng phải làm việc trong môi trường ô nhiễm, ẩm ướt, nóng nực Thậm chírất độc hại đến sức khoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ,phóng xạ …

Hình 1.1: Robot bốc dỡ hàng hóa

Hình 1.1: Robot trong sản xuất ô tô 1.4. Cấu trúc của robot công nghiệp:

Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp:

Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2,

thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6

Hình 1.3: Cấu trúc của robot công nghiệp

9

- Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ

phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động

- Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin

đặt trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc

- Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin

về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường,đối tượng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu)

1.5. Bậc tự do của robot

- Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máycủa chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một hướngnhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu

tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển động

-Thông thường các khâu của cơ cấu tay máy được nối ghép với nhau bằng các

khớp quay hoặc khớp tịnh tiến Gọi chung chúng là khớp động Các khớp

quay hoặc khớp tịnh tiến đều thuộc khớp động học loại 5

Công thức tính số bậc tự do :

Với: n: số khâu động

p: số khớp loại i

Chương II: Phương trình động lực học của robot 2 bậc tự do

2.1 Nhiệm vụ và phương pháp phân tích động lực học robot

-Nghiên cứu Động lực học Robot là giai đoạn cần thiết trong việc phân tíchcũng như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động Trong nghiên cứu Độnglực học Robot thường giải quyết 2 nhiệm vụ sau đây :

+ Nhiệm vụ thứ nhất là xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trìnhchuyển động Khi đó quy luật biến đổi của biến khớp qi(t) xem như đã biết + Nhiệm vụ thứ hai là xác định các sai số động Lúc này phải khảo sát cácphương trình chuyển động của cơ cấu tay máy đồng thời xem xét các đặc tínhđộng lực của động cơ truyền động Có nhiều phương pháp nghiên cứu Độnglực học Robot nhưng thường dùng hơn cả là phương pháp Lagrange bậc 2 vìkhi kết hợp với mô hình Động lực học kiểu DH (Denavit-Hartenberg) ta sẽđược các phương trình Động lực học ở dạng vector ma trận, rất gọn nhẹ vàthuận tiện cho việc nghiên cứu giải tích và tính toán trên máy tính Cácphương trình Động lực học Robot được thiết lập dựa trên cơ sở phương trìnhLagrange bậc 2:

: Biến khớp đạo hàm bậc nhất theo thời gian

2.2 Cánh tay robot 2 bậc tự do và phương trình động lực học

2.2.1 Cánh tay robot 2 bậc tự do:

11

Hình 2.1: Cánh tay robot 2 bậc tự doCánh tay Robot 2 bậc là loại cánh tay đơn giản nhất với 2 khớp vận động.Chúng được áp dụng nhiều trong những công việc đơn giản Như máy khâudùng trong công nghiệp may, máy viết chữ, gá đỡ camera,….

Hình 2.2: Cánh tay mô phỏng

2.2.2 Xây dựng mô hình động lực học cho robot 2 bậc tự do

Hình 2.3: Robot 2 bậc tự do phẳngTrong đó:

Giả sử trọng tâm đặt tại điểm cuối mỗi khâu:

• Xác định động năng và thế năng của khâu 1:Động năng:

Thế năng:

• Xác định động năng và thế năng của khâu 2:

13

• Phương trình động lực Lagrange:

Phương trình động lực học robot có thể viết lại dưới dạng: Hay

Với:

Chương III: Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do 3.1 Nguyên lý điều khiển trượt

Điều khiển trượt cũng là một kỹ thuật phổ biến trong phương pháp điềukhiển phi tuyến được sử dụng Bộ điều khiển trượt bậc nhất (first – orderSMC) được áp dụng trong đồ án, mặt trượt được định nghĩa là tổ hợp tuyếntính của các biến trạng thái sai lệch Nguyên lý thiết kế bộ điều khiển trượtđược trình bày như sau:

Ta xét động học sau:

Trong đó đại lượng vô hướng x là đâu ra mong muốn, đại lượng vô hướng u làtín hiệu điều khiển đầu vào,  = là vecto trạng thái, A() là hàm phi tuyếnkhông biết chính xác và  () là ma trận biểu diễn độ khuếch đại điều khiểnkhông biết chính xác

Gọi trạng thái ban đầu của phải là:

Gọi vector sai lệch tín hiệu đặt là:

Với mục tiêu điều khiển là bám quỹ đạo đặt thì chúng ta cần xác định luậtđiều khiển hồi tiếp  = () sao cho trạng thái của hệ kín sẽ bám theo trạngthái mong muốn và triệt tiêu  khi ̃  → ∞

Ta định nghĩa bề mặt trượt là bề mặt biến thiên theo thời gian () trongkhông gian trạng thái  () bằng phương trình vô hướng (;) = 0 trong đó:

Với  là hằng số dương Ví dụ nếu  = 2 thì = +  tức ̃  là tổng mức ảnhhưởng của sai lệch vị trí và sai lệch vận tốc

Việc giữ giá trị vô hướng  = 0 có thể giải quyết bằng cách chọn luật điềukhiển  trong PT sao cho ở bên ngoài S(t) ta có:

15

Trong đó  là hằng số dương, PT cho thấy khoằng cách đến bề mặt  đượctính bằng 2, giảm xuống theo quỹ đạo hệ thống Vì thế nó buộc các quỹ đạo

hệ thống hướng tới bề mặt ()

Bắt đầu từ điểm xuất phát ban đầu nào dó, quỹ đạo trạng thái chạm đến mặttrượt, sau đó sẽ trượt dọc theo mặt trượt và hướng đến  với tốc độ hàm

mũ, với hằng số thời gian là 1/

Tóm lại từ PT chọn một hàm , sau đó chọn luật điều khiển  trong phươngtrình sao cho 2 duy trì một hàm Lyapunov của hệ kín, bất chấp sự thiếuchính xác của mô hình và sự có mặt của nhiễu loạn Trình tự thiết kế do đó sẽgồm 2 bước:

- Bước một, chọn luật điều khiển  thảo mãn điều kiện trượt PT

- Bước hai, luật điều khiển không liên tục  đã được chọn trong bước mộtđược làm nhẵn một cách thích hợp để có sự dung hòa tối ưu giữa dải thôngđiều khiển và tính chính xác của quỹ đạo, đồng thời khắc phục hiện tượngchattering (hiện tượng dao động khi tiến về gốc cân bằng)

3.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho cánh tay robot hai bậc tự do

Xét một đối tượng phi tuyến bậc n được mô tả bởi phương trình:

x(n)=f(x,t)+u(t)

Trong đó : X là biến trạng thái, u là tín hiệu điều khiển

Đặt e là sai lệch: e= xset-x với xset là giá trị mong muốn, x là giá trị đáp ứng.Đặt s=e(n-1)+ λ1 e(n-2)+….+ λn-2 + λn-1.e (3)

Phương trình s=0 được gọi là mặt trượt, đạo hàm (3) ta có:

=e(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1

=xset(n)-x(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 (4)

Thay x(n)=f(x,t)+u(t) vào (4) ta có:

= xset(n)-f(x,t)-u(t)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1

Chọn tín hiệu điều khiển u để =-K.sign(s) với (K>0), ta có:

u=-f(x,t)+ xset(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 + K.sign(s) (6)

đạo hàm Lyapunov function V=S2 Nếu u được thiết kế bởi luật điều khiển (6) thì =-K.sign(s).

Ta có =s.=-K.|s|<0 với mọi s

Do đó, hệ sẽ tiệm cận đứng tại điểm cân bằng s = 0, nghĩa là e và tất cả dẫn xuất n của e sẽ bằng không Áp dụng điều khiển chế độ trượt cho cánh tay rô bốt hai liên kết là một đối tượng phi tuyến hai thứ tự:

Với λ= là hệ số của mặt trượt

Áp dụng biểu thức số 6, qui tắc điều khiển cánh tay robot như sau:

U=-f(x,t)+ θset+λ +K.sign(s) (8)

Với K= là hệ số của bộ điều khiển

Chương IV:Mô phỏng

4.1 Xây dựng mô hình và hàm mô phỏng bằng Simmulink

17

Dựa trên mô hình Figure 1 ta xây dựng mô hình cánh tay robot hai liên kết trên Matlab-Simulink như trong Figure 2

-Thông số cài đặt robot như sau:

l1=1(m);l2=0.8(m);m1=m2=0.5kg

(0)= ;(0)=

-Với quĩ đạo đặt vào mỗi khớp:

Khớp 1 : (t)=.sin(;hệ số điều khiển K1=50; hệ số mặt trượt λ1=4

Khớp 2: (t)= sin(; hệ số điều khiển K2=50; hệ số mặt trượt λ2=4

Ta thiết kế mô hình bộ điều khiển trên Matlab-Simulink

Hình 4.1 Mô phỏng khối điều khiển bằng Simulink

4.2 CODE mô phỏng

Khối điều khiển trượt SMC

function SMC_Signal=smc_signal(e, d_e, K, lambda, delay)

Khối động lực học robot

function [y1,y2]=Control(theta1, D_theta1, DD_theta1, theta2, D_theta2, DD_theta2, lambda1, de1, lambda2, de2) l1=1;

Momen xoắn của mỗi khớp

Hình 4.6 Momen xoắn khớp 1 (N.M)

*Nhận xét:

- Hình 4.2 , 4.3 , 4.4, 4.5 cho thấy đặc điểm thời gian của các góc mongmuốn θ1_ set và θ2_ set, các góc phản hồi (θ1, θ2), và các lỗi (1, 2) Kết quả môphỏng cho thấy: Ban đầu, các góc mong muốn và các góc phản ứng không

Hình 4.7 Momen xoắn khớp 2 (N.M)

góc mong muốn, khi đó góc phản hồi luôn khớp với góc mong muốn, sai số(1, 2) bằng số không Do đó, có thể khẳng định rằng chất lượng của hệthống kiểm soát là rất tốt Mômen điều khiển của mỗi khớp được thể hiệntrong Hình 4.6 và 4.7

- Các kết quả mô phỏng cho thấy hiện tượng chệch mô-men xoắn cao, ảnhhưởng tiêu cực đến hệ thống, làm cho tuổi thọ của cơ cấu chấp hành và thiết

bị giảm Để khắc phục hạn chế này, chúng tôi thêm độ trễ thành hàm (), vì vậy

hàm () được chuyển đổi thành như sau:

i=Ki.sat(si)

Trong đó d là độ trễ, đặt d = 0,005 Trong trường hợp i =Ki.sat(si) kết quả

mô phỏng được hiển thị trong Hình 4.8-4.13 Hình 4.8-4.11 cho thấy các quỹđạo trạng thái pha của mỗi khớp Ta thấy rằng quỹ đạo trạng thái pha đithẳng về gốc tọa độ mà không có dao động Do đó, chất lượng hệ thống đãđược cải thiện Đặc điểm thời gian của các góc mong muốn θ1_ set và θ2_ set, cácgóc phản hồi, và các lỗi (1, 2) Kết quả mô phỏng cho thấy mặc dù chúng tathêm độ trễ nhưng chất lượng của hệ thống vẫn rất tốt, các góc phản hồi luônbằng các góc mong muốn với sai số bằng không Hình 4.12-4.13 cho thấy rằnghiện tượng kêu răng rắc của mỗi mômen khớp được giảm đáng kể, điều nàyrất cần thiết cho hệ thống để đảm bảo các cơ cấu chấp hành và các thiết bịhoạt động bền vững

*Kết quả mô phỏng ứng với i=Ki.sat(si)

25