Nghiên cứu động học, động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho robot hai khâu

Vì thế việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong c

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO

ROBOT HAI KHÂU

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 605260 Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƯƠNG Người HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: 12

TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 12

1.1 Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 12

1.1.1 Robot và robotic: 12

1.1.2 Robot công nghiệp: 13

1.1.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 14

1.1.3.1 Cấu trúc chung: 14

1.1.3.2 Kết cấu tay máy: 15

1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot 16

1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot 16

1.1.4.2.Truyền động điện 17

1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực 17

1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 18

1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 18

1.1.6.1 Khái quát 18

1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 19

1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng 22

1.2.1.Bài toán động học thuận: 22

1.2.2.Bài toán động học ngược 23

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ 25

1.2.3.1 Giới thiệu 25

1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian 27

1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ 27

1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu 28

1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot 31

1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD 32

1.4.2 Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 33

1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 33

1.4.4 Nhận xét chung 34

CHƯƠNG 2: 35

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU 35

2.1 Khái quát 35

2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều 36

2.2.1 Các thông số ban đầu 36

2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều 36

2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều 38

2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều 39

2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 39

2.2.1.3 Biến dòng: 40

2.2.1.4 Máy phát tốc: 40

2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 41

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 41

2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R): 44

2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R) 47

2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 51

2.3.1 Mô hình simulink 51

2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 53

2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2 khâu 56

2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 56

2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 57

2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 59

2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 60

2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 62

2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 63

2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển 65

2.4.3.5 Luật hợp thành 68

2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả 69

2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 69

2.4.4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí Robot dùng bộ chỉnh định mờ 70

2.5 Kết luận Chương 2 72

CHƯƠNG 3: 73

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 73

3.1 Mô hình các khối chức năng 73

3.1.1 Bộ điều khiển 73

3.1.2 Động cơ 74

3.2 Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ và bộ điều khiển PID 74

3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID 75

3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 75

3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 75

3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot 77

3.3.1.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu 78

3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 79

3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 79

3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu 81

3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 81

3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 81

3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot 82

3.3.3.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu 83

3.4 Nhận xét chương 3 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85

1 Kết luận 85

2 Kiến nghị 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot 13

Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot 20

Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu 22

Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 38

Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp 66

Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd 67

Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp 14

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển 15

Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy 16

Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu 19

Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 21

Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 23

Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 26

Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu 28

Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín 31

Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 32

Hình 1.11: Điều khiển PD 32

Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 33

Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 33

Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 34

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 36

Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 39

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển 39

Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 41

Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện rút gọn 42

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 44

Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 45

Hình 2 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí 47

Hình 2 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 50

Hình 2.11: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 51

Hình 2.12 : Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 51

Hình 2.13: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 52

Hình 2.15: Mô hình khối subsystem2 52

Hình 2.16: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 52

Hình 2.17: Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 52

Hình 2.18: Mô hình Robot 2 khâu 53

Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 54

Hình 2.21: Đồ thị góc quay 54

Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc 55

Hình 2.23: Dòng điện của động cơ 1,2 55

Hình 2.24: Tốc độ của động cơ 1,2 56

Hình 2.25 Quan hệ giữa  và  57

Hình 226: Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 59

Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP 61

Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD 61

Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI 62

Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 64

Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki 64

Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et 64

Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det 65

Hình 2.35: Đặc tính quá độ thường gặp của hệ điều khiển dùng PID 65

Hình 2.36: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển 69

Hình 2.37: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D 69

Hình 2.38: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD 70

Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo Robot dùng Fuzzy 70

Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 70

Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy 71

Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy 71

Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy 71

Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động cơ dùng Fuzzy 72

Hình 3.1: Các khối chức năng 73

Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D 73

Hình 3.3: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD 73

Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển động cơ DC 74

Hình 3.5: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định mờ 74

Hình 3.6: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 75

Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu 76

Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 76

Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77

Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77

Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 77

Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78

Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 78

Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78

Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 79

Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 79

Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 80

Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 80

Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 80

Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 81

Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 81

Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 82

Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 82

Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 82

Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 83

Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 83

Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 83

Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ………… 84

MỞ ĐẦU

Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Từ khi con người biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tưởng điều khiển tự động đã được đặt lên hàng đầu

Con người đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot Ngày nay Robot đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng như trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động Robot ngày càng thông minh và linh hoạt, chính vì thế robot được xem là sản phẩm điển hình của nền khoa học kỹ thuật

Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số: TTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một trong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ Vì thế việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của

82/2001/QĐ-hệ thống

Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG

HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot 2 khâu

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống

Các kết luận và kiến nghị

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Nguyễn

Như Hiển – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ

này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cám ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Thế Phương

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 1.1 Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:

1.1.1 Robot và robotic:

Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:

Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:

Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang

bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:

Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với

sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người

Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau:

Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội

Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics)

1.1.2 Robot công nghiệp:

Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm, song theo thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp, vì vậy khi nhắc đến robot người ta thường liên tưởng đến robot công nghiệp

Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trưng riêng:

- Là thiết bị vạn năng được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại

để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường

Do có hai đặc trưng trên nên robot công nghiệp có thể định nghĩa như sau: Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:

RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác

Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau:

RBCN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

1.1.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:

1.1.3.1 Cấu trúc chung:

Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp

Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khâu Chúng hình

thành cánh tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo

léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc điểm tác động cuối (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác Các

robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động

lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số

có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển

1.1.3.2 Kết cấu tay máy:

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot Đó là phần

cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc

để chỉ các bộ phận của tay máy như vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist),

Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay

- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới

- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc

Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần công tác

Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay tuỳ theo số lượng

và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian), toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay người

(Anthropomorphic)

1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot

1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot

Robot có thể được điều khiển bằng các hệ truyền động như: truyền đồng điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí,

1.1.4.2.Truyền động điện

Với nhiều ưu điểm như: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ, không gây ô nhiễm môi trường đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ truyền động điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật robot

Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhược điểm như thường cần hộp giảm tốc, công suất thấp,

Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn động (điều khiển) robot Nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật, động cơ điện một chiều (DCM) và động cơ bước được sử dụng nhiều hơn cả Cùng với sự tiến bộ của khoa học điều khiển, ngày nay người ta cũng đang có xu hướng sử dụng động cơ điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị bộ nguồn một chiều, ) và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM – Direct Current Brushless Motor)

Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ưu điểm là khả năng vận hành với tải trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động Nhược điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều như thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, các van điều chỉnh, đường ống, làm cho hệ truyền động-robot khá cồng kềnh so với các hệ truyền động khác

1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot

Nhiệm vụ quan trọng hàng đầu khi thiết kế hệ điều khiển robot là đảm bảo cho điểm tác động cuối của tay máy dịch chuyển bám theo một quĩ đạo định trước, đảm báo vị trí mong muốn Ngoài ra, phải đảm bảo hướng di chuyển và tối ưu về năng lượng

Để hoàn thành tốt nhiệm vụ nêu trên, khi tính toán thiết kế bộ điều khiển ta phải thiết lập được phương trình năng lượng và giải bài toán động học ngược Tuy nhiên, việc tính toán theo lý thuyết thường không xét đầy đủ được các yếu tố vật lý thực tế như mô men ma sát của các khớp, ảnh hưởng của điều kiện môi trường,

Do vậy, tuỳ thuộc yêu cầu chất lượng điều khiển, điều kiện sử dụng để xét đến các yếu tố ảnh hưởng, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp Sau đây là một số phương pháp điều khiển được sử dụng trong điều khiển robot, như:

Các phương pháp điều khiển bằng bộ điều chỉnh kinh điển PID (Propotional Integral Derivative);

Các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển thích nghi, điều khiển

mờ, điều khiển nơ-ron, điều khiển mờ-nơ-ron,

1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

cứng và khớp nối mềm Trong thiết kế và sử dụng cánh tay robot, ta cần quan tâm đến số bậc tự do (DOF), trường công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải,

Mô hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu như Hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu

Mỗi khớp của cánh tay robot thường được điều khiển độc lập thông qua các

bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, ) có thể được gắn trực tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp

Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích hợp nào đó nhằm đạt được mục tiêu thiết kế và sử dụng Các cảm biến đo lường gắn trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển được về hệ thống điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều khiển cánh tay robot, ta cần quan tâm đến véc-tơ dịch chuyển q = [q1, q2, ., qn]T(q Rn)

1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay robot nhằm thực hiện một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phương thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu Bảng 1.6 minh hoạ đặc điểm của hai

CP PTP

Sự dịch

chuyển

Vị trí bắt đầu và kết thúc và đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc rất quan trọng

Vị trí bắt đầu và kết thúc là quan trọng nhưng đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc là không

Ví dụ ứng

dụng

Robot làm việc có đòi hỏi về độ chính xác bề mặt như: mạ, mài,

Robot làm việc tại các công đoạn lắp ráp, nâng hạ,

Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot

Điều khiển robot nói chung và cánh tay robot nói riêng, đó là việc điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators) Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc

mô men để làm dịch chuyển các khâu tương ứng Ta gọi lực hoặc mô ment cần tạo

ra để điều khiển robot là véc-tơ  = [1 , 2, .n]

Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay robot với những giới hạn sau:

- Điều khiển cánh tay robot hai khâu (Hình 1.5) với thông số cho ở Bảng 1.3

- Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo ra mô men quay cho hai khâu của robot;

- Phương thức dịch chuyển theo quỹ đạo

Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 l c1 0,0983 m

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 l c2 0,0229 m

Mô men quán tính của khâu thứ nhất I 1 0,1213 kg.m 2

Mô men quán tính của khâu thứ nhất I 1 0,1213 kg.m 2

Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu

1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng

1.2.1.Bài toán động học thuận:

Động học là hình học của sự chuyển động Đó là một trong những thành phần cơ bản nhất của robot, cung cấp những công cụ mô tả cấu trúc và hoạt động của robot Bất kỳ một robot cũng có thể coi là tập hợp các khâu (links) gắn liền với các khớp (joints)

Nhiệm vụ của bài toán thuận là khi cho trước các biến khớp phải xác định vị trí và định hướng của tất cả các khâu trên cánh tay, thông thường nếu không khống chế quỹ đạo của các khâu trên cánh tay nhằm tránh va chạm với các đổi tượng khác trong vùng làm việc, người ta thường chỉ xác định vị trí và định hướng của điểm tác động cuối

Trên cánh tay có các khâu và các khớp tổ hợp với nhau mà tạo thành, cánh tay có hai hình thức cơ bản, có thể chuỗi động hình thành nên nó là kín, hoặc hở

Các khâu và các khớp được mô tả qua các thông số được chia ra hai loại, các thông số không thay đổi (chiều dài khâu) gọi là tham số Các thông số thay đổi (góc quay của khâu, lượng di chuyển dài của khâu tịnh tiến) gọi là biến khớp

Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểm tác động cuối là x e

và y e Tức là xác định [x e

,y e

] thông qua [1,2] Giả sử quan

hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

1.2.2.Bài toán động học ngược

Mô hình động học ngược của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều khiển Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trước hoặc mong muốn Đối với robot 2 khâu đã nêu, ta có:

Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ x y e, eT, khi đó

từ phương trình động học ngược, ta xác định được góc quay của trục khớp

Với điều kiện quỹ đạo cánh tay Robot thoả mãn: 2 2 2 2

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ

1.2.3.1 Giới thiệu

Tính toán về động học robot khi di chuyển nhỏ sẽ nhận được những quan hệ

vi phân Chúng có tầm quan trọng nhất định trong một số trường hợp, ví dụ như khi lắp ráp cần vi chỉnh các giá trị di chuyển của các khớp để đáp ứng yêu cầu có những thay đổi nhỏ về vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối của cánh tay robot Các quan hệ vi phân này còn dùng để tính toán độ chính xác cơ cấu

về sự biến thiên của lực tác động lên các khâu và về sự ổn định tốc độ di chuyển

Từ phương trình (1.1), bằng cách lấy vi phân ta được:

,

e

e

dx x dy

Ma trận J là các thành phần đạo hàm của x e 1, 2và y e 1, 2với sự thay đổi của 1và 2 Ma trận J đƣợc gọi là ma trận Jacobian, mô tả mối quan hệ sai lệch giữa sự di chuyển giữa các khớp và điểm tác động cuối của cánh tay robot Vì hầu hết các robot đều có nhiều khớp động, vì vậy ma trận J cần đƣợc sử dụng để mô tả biểu đồ của vectơ chuyển động của khớp với vectơ của điểm tác động cuối

Với robot hai khâu nhƣ trong đề tài này, ta có ma trận J nhƣ sau:

(1.8)

Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

Để công thức đƣợc gọn hơn, ta gọi . 

1, 2 T

q   là vận tốc di chuyển của các

khớp cánh tay robot và

.

1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian

Ma trận Jacobian đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích, thiết kế và điều khiển hệ thống robot Bằng cách chia ma trận J thành 2 cột vectơ ta có:J (J1, J2)

tơ Vectơ J2 vuông góc với khâu 2, trong khi vectơ J1 vuông góc với đường bắt đầu

từ điểm tác động cuối khi khớp 2 được giữ cố định

1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ

Khi có cơ sở thuộc tính của ma trận Jacobian, chúng ta có công thức tính toán động học ngược mô tả vận tốc của các khớp theo vận tốc của điểm tác động cuối

1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu

Động lực học tay máy nghiên cứu mối quan hệ giữa lực, mômen, năng lượng… với các thông số chuyển động của nó Nghiên cứu động lực học tay máy nhằm các mục đích sau:

- Mô phỏng hoạt động của tay máy, để khảo sát, thử nghiệm quá trình làm việc của nó mà không phải dùng tay máy thật

- Phân tích tính toán kết cấu của tay máy

- Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển của tay máy

Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu

Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot mang tải với khối lượng mt và môn ment quán tính Jt

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa: L=K-P

Trong đó: K là tổng động năng của hệ thống

cos l l 2 ) (

l l

y x

12 1 2

12 1 2

1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot

Điều khiển vị trí robot là một nhiệm vụ trọng yếu trong lĩnh vực công nghệ robot Nó bao gồm việc làm thế nào để cánh tay robot thực hiện những gì được yêu cầu một cách tự động, chính xác Để làm được điều đó, khâu thiết kế hệ điều khiển đóng vai trò hết sức quan trọng

Các bộ điều khiển vị trí đơn giản và thường dùng trước đây (và cả bây giờ) là

bộ điều khiển tỉ lệ - đạo hàm – tích phân (PID) Ngày nay, với những yêu cầu tác nghiệp cao hơn, phức tạp hơn, cùng với sự phát triển của công nghệ điều khiển, các bộ điều khiển đã được thay đổi, cải tiến nhiều nhưng vẫn dựa trên luật điều khiển chung là:

(1.36) Tuy nhiên, với những mục đích cụ thể trong thực tế, bộ điều khiển không phụ thuộc vào gia tốc của trục khớp ( ) vì việc đo lường gia tốc và rất khó và các phương tiện đo gia tốc rất nhạy với nhiễu

Cấu trúc điều khiển vòng kín có dạng sau:

Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín

1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD

Luật điều khiển có dạng:

trong đó, Kp, Kv  Rnxn là những ma trận xác định dương được lựa chọn dựa trên véc-tơ vị trí và vận tốc của robot; qd  R là vị trí mong muốn và

là sai số vi trí Sơ đồ mô tả như hình sau:

Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ

Bộ điều khiển tỉ lệ-đạo hàm (PD) là một dạng mở rộng của cấu trúc trên Luật điều khiển có dạng:

(1.38)

Hình 1.11: Điều khiển PD

1.4.2 Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường

Luật điều khiển:

Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường

1.4.3.Thuật toán điều khiển PID

Luật điều khiển:

(1.40)

Sơ đồ cấu trúc trình bày như Hình 1.13 dưới đây

- Xác định hệ dẫn động, mô hình toán học của bộ dẫn động và thiết kế bộ điều khiển (P, PI, PD, PID, ) cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển robot (quĩ đạo, vị trí, ), xem robot nhƣ là đối tƣợng chấp hành, sau đó mô phỏng hệ thống (gồm robot + hệ dẫn động) và tiến hành hiệu chỉnh các bộ điều khiển để đạt đƣợc yêu cầu đặt ra Đây cũng chính là nhiệm vụ trong tâm của đề tài nghiên cứu này

CHƯƠNG 2:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN

ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU 2.1 Khái quát

Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị trí động cơ theo ba vòng kín sau:

- Vòng trong cùng điều chỉnh dòng điện,

- Vòng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ,

- Vòng ngoài cùng điều chỉnh vị trí

Khi tổng hợp các vòng điều chỉnh để xác định các thông số của bộ điều chỉnh, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp thiết kế như: phương pháp tối ưu Modul, phương pháp tối ưu đối xứng, phương pháp Zieger-Nichols,

Nhằm thực hiện hoàn thành nhiệm vụ của đề tài đã đặt ra, tác giả thực hiện trình tự các bước sau:

- Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ, mạch vòng điều chỉnh vị trí bằng các bộ điều chỉnh PID theo phương pháp tối ưu đối xứng và tối ưu Modun

- Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí cho hai trường hợp: bộ điều khiển

mờ

- So sánh kết quả để đánh giá và kết luận

Tất cả các quá trình tổng hợp ban đầu đều được thực hiện cho hai động cơ điện một chiều sử dụng cho hai trục khớp của robot Dể đơn giản hoá việc tính toán,

chúng ta giả sử tỉ số truyền r = 1, hay nói cách khác, xem trục động cơ chính là trục

khớp của cánh tay (động cơ có thể được xem là gắn trực tiếp tại khớp quay của robot)

Một điều cần chú ý nữa là, trong các vòng điều chỉnh đều có phản hồi Để có

dòng), máy phát tốc (cho phản hồi tốc độ) và cảm biến vị trí có thể dùng encoder, Tất cả các bộ cảm biến để có tín hiệu phản hồi đều được đặc trưng bởi hàm truyền quán tính bậc nhất với các hằng số thời gian trễ cho trước

Ngoài ra, khi tổng hợp vòng điều khiển tốc độ và vị trí cho động cơ điện một chiều, tín hiệu phản hồi được lấy từ đầu ra vận tốc và vị trí của động cơ, nhưng khi đưa mô hình robot 2 khâu vào hệ thống, các tín hiệu này được lấy từ tốc độ và vị trí góc quay của cánh tay robot

2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều

2.2.1 Các thông số ban đầu

2.2.1.1 Động cơ điện một chiều

2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều đã và đang được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống truyền động điện vì có nhiều ưu điểm Ngoài ra, đây là loại động cơ đa dụng

và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu mômen, tốc độ và vị trí Sơ đồ mạch điện thay thế như (Hình 2.1)

Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 : vận tốc góc của trục động cơ (rad/s)

 gia tốc góc của trục động cơ (rad/s2)

Hệ số ma sát F m 0,055 Nm

Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u kt nào đó sẽ tạo ra trong dây quấn

kích từ dòng điện i kt và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ Tiếp đó, đặt một

giá trị điện áp u a lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện i a

chạy qua Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ

Các phương trình toán học mô tả động cơ điện một chiều như sau:

dt

di L i R

q K

K

I R u

Phương trình chuyển động của động cơ là:

q J dt

q J

L    



Trong tính toán, ta giả thiết L  0 (L là tổng mô men tải và mô men ma sát)

và biến đổi Laplace , ta được:

a a

    , ở đây p là toán tử Laplace

Từ các công thức trên sau khi biến đổi Laplace, ta có:

K K

 ; u

u u

L T R

 gọi là hằng số thời gian cơ và hằng số thời

gian điện của động cơ Hesokd = 1/K b là hằng số của động cơ

2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

Từ các kết quả trên, động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông không đổi và bỏ qua mô men ma sát trên trục động cơ có sơ đồ cấu trúc nhƣ sau:

Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi

Đây là sơ đồ cơ bản để làm cơ sở thiết kế các bộ điều chỉnh nhƣ: điều chỉnh dòng điện, điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh vị trí của động cơ điện một chiều

Để điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều (qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ) chúng ta cần có bộ biến đổi Ở đây, ta sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu điều khiển đối xứng với các tham số sau:

Uđk: Điện áp điều khiển đầu vào

Ud: Điện áp một chiều ở đầu ra để đưa vào phần ứng của động cơ (Ua)

Uđk có nhiệm vụ thay đổi góc mở  của các van tiristo và có giá trị rất bé so với Ud, nên bộ chỉnh lưu chính là bộ khuếch đại với hệ số khuếch đại Kcl. Chọn

10

dm dk

f = 50Hz là tần số điện áp lưới; P là số xung đập mạch)

Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có dạng:

I

K W

T p



 (2.9) Chọn KI = Idm/10 = 0.6; TI = 0.001 (s)

2.2.1.4 Máy phát tốc:

Hàm truyền của máy phát tốc có dạng:

K

W   (2.10)