Nghiên cứu thiết kế cánh tay robot di động tự động làm sạch bình ngưng

TÓM TẮT NÔI DUNG ĐÈ TÀITÓM TẤT Đề tài này đưa ra một hệ thong điều khiển tự tổ chức dựa trên bộ điều khiển liên kết mô hình tiểu não wavelet WCMAC cho một cánh tay robot làm sạch bình ng

Bộ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỚ HÒ CHÍ MINH

ĐÈ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT DI ĐỘNG Tự

ĐỘNG LÀM SẠCH BÌNH NGƯNG

Mã số: 09012013

TRƯÒNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

TP HỒ CHÍ MINH, 09/2014

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN cứu ĐỀ

TÀI

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN cứu

ĐÈ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

(dùng cho Báo cáo tổng kết đềtài)

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế cánh tay robot di động tự động làm sạch bình ngưng

- Mã số:

- Chủ nhiệm đề tài: TS Ngô Thanh Quyền Điện thoại: 0908869898

Email: thanhquyenngo2000@yahoo.com

- Đơn vị quản lý về chuyên môn (Khoa, Tổ bộ môn): Khoa Công Nghệ Điện

- Thời gian thực hiện: 30/08/2013 đến 30/08/2014

2 Mục tiêu:

Nghiên cứu thiết kế cánh tay robotdiđộng tự động làm sạch bình ngưng bềmặtđượclàmmát bằng nướccho đối tượng nhà máynhiệtđiện, nó lànguồnlạnhcủa chu kỳ nhiệt động lực học củatuabin hơi nướclớn

3 Nội dung chính:

Nội dung 1: Tổng quan về bình ngưng và các phương pháp làm sạch

Tồng quan về bình ngưng

- ứng dụngcủa bình ngừng

Các phương pháp làm sạch bình ngưng tại Việt Nam

Nội dung 2: Thiết kế cánh tay robot di động làm sạch bình ngưng

- Tìm hiểu chung về robot

Chọn lựacác khâu khớp sử dụng cho cánh tay robot di động làmsạch bình ngưng

- Thiết lập mô hình đông học, động lực họccho cánh tay robot đề xuất làm sạchbìnhngưng

Nội dung 3: Điều khiển thông minh cho cánh tay robot làm sạch bình.ngưng

- Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thông minhđể điều khiểncánhtayrobotlàm sạch bình ngưng

- Thiết kếbộ điều khiển thông minhchocánhtay robot

- Kiểmđịnh kết quả bằng phươngphápmôphỏng

4 Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tế-xã hội, ứng dụng, )

- Thông qua quá trình thực hiện đê tài, các cán bộ tham gia có điêu kiện nâng cao kiến thức và kinh nghiệm trong công tác nghiêncứu khoa học trong lĩnhthiết kế và ứng

dụng lýthuyếtđiều khiển thông minhchocánh tay robot đềxuất

- Là một đom vị đào tạo và nghiện cứu, thông qua kết quả nghiên cứu củađề tài chúng

tôi có thể nâng vị thế trong lãnh vựcnghiêncứukhoa học

- Dự kiếnđề tài có thể đào tạo được2 sinh viênđại học

- Dựatrên hướng nghiên cứucơ bản sẽ được triển khai áp dụng trong nhà máy nhiệt

điện, máy móchóa chất và các ngành công nghiệp khác trongtương lai

TÓM TẮT NÔI DUNG ĐÈ TÀI

TÓM TẤT

Đề tài này đưa ra một hệ thong điều khiển tự tổ chức dựa trên bộ điều khiển liên kết mô

hình tiểu não wavelet (WCMAC) cho một cánh tay robot làm sạch bình ngưng Hệ thong

điều khiển được đề xuất kết hợp một WCMAC và điều khiền mô hình trượt (SMC), vì vậy

kích thước không gian đầu vào của WCMAC có thể được đơn giản, cấu trúc của WCMAC

sẽ tự tổ chức; đó là, các lớp của WCMAC tăng hoặc giảm một cách tự động và các chức

năng tiếp thu sẽ được điều chỉnh một cách tự động Hệ thẳng điều khiển bao gồm một

WCMAC tự tổ chức (SOWCM) và một bộ điều khiển bền vững SOWCM bao gồm một bộ quạn sát thành phần không chắc chắn WCMAC được sử dung như một bộ điều khiển

chính và bộ điều khiển bền vững được thiết kế để làm giảm bớt ảnh hưởng của sai số bộ xấp xỉ Phương pháp giảm độ dốc được sử dụng để điều chỉnh trực tuyến các tham sé của WCMAC và hàm Lyapunov được sử dụng để đảm bảo ổn định của hệ thong Cuoi cùng, thông qua kết quả mô phỏng số chứng minh rằng hiệu quả của sơ đồ điều khiển được đề xuất cho cánh tay robot mởi làm sạch bình ngưng được đề xuất có thể đạt được.

SUMMARY

This subject presents a self-organizing control system based on wavelet cerebellar model

articulation controller (WCMAC) for a condenser ciearning robot manipulator The proposed control system merges a WCMAC and sliding-mode control (SMC), so the input

space dimension of WCMAC can be simplified The structure of WCMAC will be self­

organized; that is, the layers of WCMAC will grow or prune systematically and their receptive functions can be automatically adjusted The control system consists of a self ­ organizing WCMAC (SOWCM) and a robust controller SOWCM containing a WCMAC

uncertainty observer is used as the principal controller and the robust controller is

designed to dispel the effect of approximation error The gradient-descent method is used

to online tune the parameters of WCMAC and the Lyapunov function is applied to guarantee the stability of the system Finally, through the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control system for novel condenser ciearning robot manipulator can be achieved.

rye 1 ai v.ap 1 rương

Mục lục

Chương 1: Tổng quan về bình ngưng và các phương pháp ỉàm sạch

1.1 Tổng quan về bình ngưng

1.2 ứng dụng của bình ngừng

1.3 Các phương pháp làm sạch bình ngưng tại Việt Nam

Chương 2: Thiết kế cánh tay robot di động ỉàm sạch bình ngưng

2.1 Tìm hiểu chung về robot

2.2 Chọn lựa các khâu khớp sử dụng cho cánh tay robot di động làm sạch bình ngưng

2.3 Thiết lập mô hình đông học, động lực học cho cánh tay robot đề xuất làm sạch bình ngưng

Chương 3: Điều khiển thông minh cho cánh tay robot làm sạch bình ngưng

3.1 Giới thiệu chung

3.2 Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thông minh để điều khiển cánh tay robot làm sạch bình ngưng

3.3 Thiết kế bộ điều khiển thông minh cho cánh tay robot,,

3.4 Kiểm định kết quả bằng phương pháp mô phỏng

Bảng 1: Thiệt hại kinh tế do bụi bẩn của bình ngưng gây ra 5

Bảng 2: Tham số D-Hcủa cánh tayrobot làm sạch bình ngưng 11

Bảng 3: Các tham số phương trình chuyển động (1.8) được tìm thấy như sau 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÌNH NGƯNG VÀ

1.1 Tổng quan về bình ngưng

Bình ngưng là một thiết bị truyền nhiệt, hoặc thiết bị được sử dụng để ngưng tụ

một chất nào đó từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng hoặc ngược lại, thông thường bằng cách làm lạnh nó Khi làm như vậy, ẩn nhiệt (Ẳn nhiệt là nhiệt độ nóng chảy, hhiệt độ kết tinh, nhiệt độ hóa hơi và nhiệt kết tinh, nhiệt hóa hơi và nhiệthóa lỏng)

được đưa ra bởi một loại vật chất nào đó và sẽ chuyển sang làm mát bình ngưng

1.2 ứng dụng của bình ngưng

Bình ngưng thường là thiết bị trao đổi nhiệt có mẫu mã đa dạng và kích cỡ khác

nhau, từ khá nhỏ (cầm tay) cho đến các thiết bị công nghiệp quy mô rất lớn được sửdụng trong các quá trình nhà máy Ví dụ, một tủ lạnh sử dụng một bình ngưng để lấynhiệt chiết xuất từ bên trong của các đơn vị để thảy ra không khí bên ngoài Bìnhngưng tụ được sử dụng trong điều hòa không khí, các quá trình hóa học công nghiệp như chưng cất hơi nước, nhà máy điện hơi nước, xử lý hóa chất, nhà máy lọc dầu, HVAC, hàng hải và hệ thống trao đổi nhiệt khác Sử dụng nước làm mát hoặc không

khí làm lạnh xung quanh là phổ biến trong nhiều thiết bị ngưng tụ Một số hình ảnhtiêu biểu ứng dụng bình ngưng

Thiết Kế Cánh Tay Robot Làm Sạch Bình Ngưng

Hình 2: ứngdụng của bìnhngưng trong lĩnhvực nhà máy nhiệt điện

1.3 Các phương pháp làm sạch bình ngưng tại Việt Nam.

Bình ngưng là một thiết bị truyền nhiệt lớn trong nhà máy nhiệt điện, máy móc hóa chất và cácngành công nghiệp khác Nó là nguồn lạnh của chu kỳ nhiệt động lực học của tuabin hơi nước lớn Đặc tính làm việc của nó tốt hay xấu sẽ trực tiếp ảnh

hưởng đến kinh tế và sự an toàn của toàn bộ tuabin hơi nước Các phản ứng hóa học

và nước làm mát không sạch trong quá trình trao đổi nhiệt khi bình ngưng đang làm việc sẽ không thuận lợi cho truyền nhiệt và chất bẩn sẽ tích lũy bên trong thành của

ống tuabin Các tắc nghẽn này đã gây một số tác hại như: làm giảm hiệu suất của

tuabin hơi nước, làm tăng chi phí điện, thậm chí dẫn đến tai nạn vì sự tắc nghẽn và

thủng ống tuabin do sự ăn mòn

Dựa trên thống kê của các công trình đã nghiên cứu [1], thiệt hại về mặt kinh tế

do bụi bẩn của bình ngưng gây ra ước tínhđược liệt kê ở bảng 1:

Năm Tổng công suất lắp

đặt cả nước (100 Triệu KW)

Tổng công suất lắp đặt nhà máy nhiệt điện (100 Triệu KW)

Tổn thất trực tiếp của các nhà máy nhiệt điện tiêu thụ hàng năm (USD)

Thiết Kê Cánh Tay Robot Làm Sạch Binh Ngưng X

và khớp dịch Một đầu của chuỗi được ràng buộc bởinền, trong khi đó một đàu còn lại

được gắn kết với cổ tay Kết quả là sự chuyển động của cơ cấu thu được bởi thành phần của chuyển động cơ bản của mỗi liên kết liên quan đến chuyển động trước đó Vì vậy, để tính toán một đối tượng trong không gian, nó là cần thiết để mô tả vị trí và

định hướngcủa cổtay Chương này là dành riêng để tìm phương trình động học thuận

X thông qua một cách tiếp cận có hệ thống, cách tiếp cận dựa trên đại số tuyến tính.Điều này cho phép vị trí và hướng của cổ tay (tư thế) được thể hiện như là một hàmcủa các biến chung của các kết cấu cơ khí đối với một hệ quy tham chiếu Cả hai cấu trúc động học dây chuyền mở và đóng được xemxét Liên quan tới biểu diễn tối thiểu

về hướng, khái niệm về không gian hoạt động được giới thiệuvà mối quan hệ của nó

với không gian khớp được thiết lập Hơn nữa, một kỹ thuật hiệu chỉnh các thông số động học tay máy đượctrình bày Chương này kết thúc với nguồn gốc củanhững giảipháp cho vấn đề động học ngược, trongđó bao gồmviệc xác định các biến khớp tương

ứng với mục tiêu cổ tay được cho

2.3.1.2 Động học thuận

Vấn đề động học thuận cho mộttay máy liên kết nối tiếp là tìm ra vị trí vàhướngcủacổ tay liên quan đến vịtrícủa tất cảcác khớp và các giá trị của tất cả các thông số

liên kết hình học so với khung nền Thông thường, một khung cố định trong ở cổ tay

được gọi là khung công cụ, và cố định ở khung cuối cùngN, nói chung nó có một giátrị ràng buộc cả về vị trí và hướng từ khung N Tương tự như vậy, một khung trạm

thường được đặt tai vị trí nền để thiết lập vị trí của công việc thực hiện Khung này

thường có giá trị ràng buộc liên quan đến tư thế của nó đối với khung 0, khung này

cũng được cố định tại nền

Mộtcách biểu diễn khá tổng quát về vấn đề động học thuận là tìm mối quan hệ vị

' trí hướng của hai thành phần được chỉ định đã cho trong cấu trúc hình học của cánh

tay và các giá trị của vị trí các khớp bàng với số bậc tự do cúa cơ cấu vấn đề động học thuận là rất quan trọng cho việc phát triển các thuật toán điều phối tay máy bởi vì

vị trí khớp thường được đo bởi các cảm biến gắn trên các khớp và nó là cần thiết đểtính toán vị trí của các trục khớp liên quan đến hệ quy chiếu cố định

Trong thực tế, vấn đề động học thuận đã được tìm thấy bằng cách tính toán chuyển đổi giữa một hệ quy chiếu gắn với cổ tay và một hệ quy chiếu cố địnhgắn với

nền,tức làgiữa các công cụvà trạm nền Cáchnày sẽ tính lần lượt cho dâychuyền nốitiếp cuối cùng sẽ thu được một sự biến đổi chuyển dịch vị trí từ cổ tay liến quan đến nền Thông thường để biểu diễn hình học của một tay máy được trình bày trong [2]

Đề Tài Cấp Trường

X

' (mục 1.4), nghĩa là chúng ta phải tìm một một ma trận biến đổi đồng nhất 4x4 liên

quan đến sự dịch chuyển từng phần của hệ quy chiếu cuối cổ tay hệ quy chiếu nền.Theo [14], ma trận chuyển đổi đồng nhất 4x4 được biểu diễn dưới dạng như sau:

' cos(ỚJ -sin(ớt) 0 a { _ỵ

sin(ớ;)cos(<7/_1 cos(ớj)cos(«/_1 -sin#,-! -sm(aw)4

sin^ộsinO^) cos^Jsin^-j) cos^.-ị) cos(a/_1X

(2.1)

Trong mục này, các tham số hình học cho cánh tay robot làm sạch bình ngưng

được miêu ta trong hình 5(a) được liệt kê trong bảng 2 Các khớp của cánh tay này là

‘hai khớp quay và một khớp dịch Khớp 1 có hướng thẳng đứng, khớp 2 vuông góc và

giao nhauvới khớp 1 Khớp 3 là song song với khớp 1 và chiều của khớp 1, 2 là Z1, Ỉ2.

Hình 5: cấu trúc củacánh tay robot làm sạch bình ngưng3-DOF

Bảng 2: Tham số D-H của cánh tay robot làm sạch bình ngưng

Thiết Kê Cánh Tay Robot Làm Sạch Bình Ngưng

I Sử dụng bảng 2 và (2.1), động học thuận của cánhtay robot làm sạch bình ngưng

được tìm thấy và các phần tử của ma trận chuyển đổi đồng nhất được tính toán nhưsau:

'cos^ị) -sin(ớj) 0 0' ố cos(ớ 2) -sin(ớ2) 0 q

z = sin(^) cos(ớị) 0 0 9 t 2 = "0 0 -1 0ỉ

Đê Tài Cấp Trường

rl3 r23

,2 , ^2

(CjC2 + CỵS2 )Z3 + CỵC2 ỉ 2 + Cỵlỵ (sxcị + 3^2 )Z3+ s x c2 l2 + s ỵl x

c R M

(2.3)

Với chữ viết tắt Cị = cos(^) and Sị =sin(ớ()

Từ (2.3), vị trí và hướng của cổ tay cóthể được biểu diễn dạng véc tơ như sau:

5

13 23

A

C1

05

Bằng cách lấy vi phân phương trình(2.4) tương ứng với thời gian động học thuận

có thểtìm thấy như sau:

Thiết Kế Cánh Tay Robot Làm Sạch Bình Ngưng

Trong đó jp, X R là vận tốc dài và vận tốc góc của cổ tay, q là véc tơ N chiều và

Jỵ Jx K(<r) là ma trậnjacobian mà các thành phần được miêu tả trong (2.6) và(2.7)

' Đề Tài cấp Trường

\

với mô phỏng chuyển động, phân tích cấu trúc tay máy, và thiết kế các thuật toán điều khiển Mô phỏng chuyển động taymáy cho phép chiến lược điều khiển và các kỹ thuật

kế hoạch chuyển động để được kiểm tra mà không cần phải sử dụng một hệ thống vật

lý có sẵn Cácphân tích của mô hình động lực học có thể hữu ích cho thiết kế cơkhí

của cánh tay nguyên mẫu Tính toán của các lực và mômen xoắn cần thiết cho việc

\ thực hiệncác chuyển động điển hình cung cấp thông tin hữu ích cho việc thiết kế các

khớp, truyênvàthiêt bịtruyên động Mục tiêucủa chương này là trình bàyhai phương

pháp cho nguồn gốc của các phương trình chuyển động của mộttay máy trong khônggian khớp Phương pháp đầu tiên được dựa trên công thức Lagrange và là khái niệmđơn giản và cóhệ thống Phương pháp thứ hai được dựa trên công thứcNewton-Euler

và kết quảmột mô hình ở dạng đệ quy; nó tính toán hiệu quả hơn vì nó khai thác cấu

trúc mở củadây chuyền động học tay máy

2.3.2.1 Phương trình chính trắc

Phương trình chuyển động của một robot luôn luôn được biển diễn dạng tổng

quát nhưnhau:

M(0)q + C(ợ, q)q + G(q) = T (2.8)

Trong đó q, q, q và T kí hiệuvéc tơ n chiều của các biến vị trí, vận tốc, gia tốc

và lực của khớp tương ứng, trong đó n là số bận tự do của robot, là véc tơ

nx« đối xứng, xác định dương, ma trận quán tính C(q, q) là ma trận nxn trong

đó C(q, q)q là véc tơ của các thành phần ly tâm và tương hỗ và G(q) là véc tơ các

2.3.2.3 Lagrange Formulation

Nhiều phương pháp tồn tại để tìm ra các thành phần trong (2.8) Hai phương

pháp thường được sừ dụng trong robot là công thức Newton-Euler và Lagrange công thức Trong phần này, mô hình động lực học của cánh tay robot làm sạch bình ngưng được cho ở hình 5(a) được tìm thấy dựa trêncông thức Lagrange ở [2]

Côngthức Lagrange tìm thấy thông qua Lagrange của cơ cấurobot

Trong đó T và ư là tổng động năng và thếnăng tương ứng cùa cơcấu

Phương trình động lực học của chuyển động có thể được phát triễn sử dụng

phương trình Lagrange cho mỗi tọađộ tổng quát:

ddLdL

Z— = T, í= l, 2, •••,« (2.10)

dtdq, dqt

Thiết Kế Cánh Tay Robot Làm Sạch Bình Ngưng

X

i

Trong đó riị là tồng số khâu, để thiết lập phương trình động lực học cánh tay

robot, chúng ta xác định động năng và thế năng của cánh tay sau đó thế vào phương

trình Lagrange (2.10) đề tìm ra kết quả cuối cùng

• Động năng

Xem xét một điểm trên khâu thứ íth với tọa độ của điểm đó với hệ tọa độ được

gắn thứ i là 'r chúng đượcmiêu tả ở hình 5(a) Vì vậy tọa độ có thểđược tìm thấy ở

hệ tọa độnền có dạng

Trong đó Tị là ma trận chuyển đổi đống nhất 4x4 được địnhnghĩa ở (2.3)

‘Vận tốc của một điểm trong tọa độ nền được miêu tảnhư sau:

Khi đó dTjdqj =0, j >i, chúng ta có thể thay thế các giới hạn tổng kết trên bằng số

khâu n. Các matrận dTjdqj=0 có thể được tính khi các matrận Tị được biết đến.Động năng của một khối lượng vô cùng nhỏ dm ở tọa độ 'r có vận

Cáctích phân đượcthực hiện trên thể tích của khâu Đây là một ma trận cố định

mà phụ thuộc vào hình dạng và phân bố khối lượng được tính toán một lần cho mỗi khâu Trong thựctế,mỗi thành phần của khâu thức ith , mô men quántính được mô tả.như sau:

Với m là tông khôi lượng của khâu thứ zth và 'r =[X, ỹ, z, 1]

Các tọa độ trong khung íth của trung tâm của khân thứ ith có thể được viết lại nhưsau:

Thiết Kế Cánh Tay Robot Làm Sạch Bình Ngưng

Bây gió chúng ta sẽ tiếp tục tính toán động năng cánh tay chúng có thể viết lại

Giả sử rằng chúng ta biết khối lượng củakhâu thứ z’th và trọng tâm của trọng lực

'r được miêu tả ở tọa độ của khung thứ zth , thế năng của khâu cánh tay được tínhnhư sau:

Phần còn lại của mục này là thiết lập mô hình động lực học của cánh tay robot

làm sạch bình ngưng ba khớp như trong hình 5(a) dựa trên phương pháp giới thiệu ở

trên Thứ nhất, động học của cánh tay robot làm sạch bình ngưng ba khớp được tìm

thấy trong (2.3) Sau đó, để xác định động lực học tay máy, chúng ta phải tính toánđộng năng và thế năng được yêu cầu trong phương trình Lagrange Trong hình 5(a)

cho thấy rằng vecc tơ các biến vị trí và vận tốc khớp là q =[ợpq 2 , óZ3]r

íỹ = 1/71, #2’ 4j]r, và giả sử rằng mô men quántính bằng không, chon tâm của trong lực

và tâm của khối lượng của mỗi khâu trùng với tâm của hệ Dựà vào phương trình

(2.22), (2.28) và (2.31), chúng ta có thể tính toán các ma trận động năng, thế năng vàtrọng lực tương ứng

Cuối cùng, mô hình động lực học của cánh tay robot làm sạch bình ngưng được

tìm thấy nhưtrong bảng 3

Bảng 3 Các tham số phương trình chuyển động (1.8) được tìm thấy như sau: