Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, trải quanhững năm học ở trường, chúng em đã có những kiến thức tổng quát về Cơ khí -Điện tử - Tin học, có thể kết hợp những lĩnh vực được học đ
GIỚI THIỆU CHUNG
Lịch sử hình thành
Thuật ngữ “Robot” được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karel Capek, trong đó từ "Robot" trong tiếng Czech có nghĩa là người làm tạp dịch Trong câu chuyện, nhân vật Rosum và con trai ông đã chế tạo ra những cỗ máy giống như con người để phục vụ cho con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những 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 tại công ty Unimation.
Sau Mỹ, nhiều quốc gia khác đã bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp, bao gồm Anh (1967), Thụy Điển (1968), CHLB Đức (1971), Pháp (1972) và Ý (1973) Đặc biệt, vào năm 1967, Nhật Bản đã nhập khẩu chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ.
Từ những năm 70, nghiên cứu về việc cải thiện tính năng của robot đã tập trung vào việc lắp đặt các cảm biến ngoại tín hiệu nhằm nhận diện môi trường làm việc hiệu quả hơn.
Vào năm 1967, tại Đại học Stanford, một loại robot lắp ráp tự động đã được phát triển, sử dụng công nghệ điều khiển vi tính và xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác.
Vào năm 1976, General Motors đã phát triển thành công cánh tay robot, được ứng dụng trên tàu Viking của NASA để thu thập mẫu đất từ sao Hỏa.
Ngày nay, lĩnh vực Robotics đã phát triển mạnh mẽ, bao gồm nghiên cứu về cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu và điều khiển chuyển động.
Xu hướng phát triển
Trong hơn 50 năm qua, robot đã đạt được những tiến bộ vượt bậc Robot đầu tiên được sử dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 1960 nhằm thay thế con người trong các công việc nặng nhọc và nguy hiểm, đặc biệt là trong những môi trường độc hại.
Trong thời gian qua, một số loại robot được quan tâm bao gồm: Tay máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Đặc biệt, Robot di động được nghiên cứu nhiều với các ứng dụng như xe tự hành trên mặt đất (AGV - Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước (AUV - Autonomous Underwater Vehicles) và Máy bay không người lái (UAV - Unmanned Aerial Vehicles).
Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot trong nhiều lĩnh vực như y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang gia tăng, thúc đẩy sự phát triển của robot địa hình và robot dịch vụ.
Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam :
Các nghiên cứu khoa học về robot của các nhà khoa học Việt Nam rất phong phú, phản ánh các xu hướng nghiên cứu toàn cầu Chúng tập trung vào các vấn đề như động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot Lĩnh vực điều khiển robot bao gồm nhiều phương pháp, từ các phương pháp truyền thống như PID và điều khiển trượt đến các phương pháp thông minh như mạng nơ ron, logic mờ, thuật toán di truyền và các phương pháp tự thích nghi, cũng như các phương pháp dạy học cho robot.
Nghiên cứu về thị giác robot đang thu hút sự chú ý trong cả lĩnh vực robot công nghiệp và robot di động, đặc biệt là trong nhận dạng và điều khiển robot dựa trên thông tin hình ảnh Đồng thời, các vấn đề liên quan đến xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt cũng đang được quan tâm cho các loại robot dịch vụ.
Mặc dù Nhà nước đã hỗ trợ nghiên cứu chế tạo robot trong suốt 25 năm qua, nhưng ứng dụng thực tiễn của các robot này trong sản xuất vẫn còn hạn chế Các nhóm nghiên cứu phát triển robot chủ yếu tập trung ở các trường đại học và viện nghiên cứu, phục vụ cho mục đích nghiên cứu và đào tạo Ứng dụng robot trong sản xuất chỉ thực sự hiệu quả khi có nhu cầu tự động hóa cao, trong khi nền sản xuất của Việt Nam vẫn chủ yếu dựa vào lao động thủ công với chi phí thấp Tuy nhiên, nghiên cứu phát triển robot tại Việt Nam vẫn đang diễn ra mạnh mẽ, nhằm đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao cho sự phát triển của đất nước.
Nội dung nghiên cứu
Với đề tài được giao nhóm xác định các vấn đề phải giải quyết sau: a.Cơ khí:
- Tính toán, thiết kế robot có cấu hình phù hợp cho yêu cầu linh hoạt về công việc đặt ra.
Hệ thống cơ khí và truyền động chính xác cần được gia công với độ chuẩn xác cao theo kích thước bản vẽ, nhằm đảm bảo robot hoạt động êm ái và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật.
- Các khâu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảm bảo gắp phôi được ở vị trí mong muốn. b.Mạch điều khiển :
- Mạch điều khiển thiết kế hoạt động ổn định, hạn chế được tối đa ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu.
- Thiết kế giao diện điều khiển đơn giản, trực quan. c.Phương pháp điều khiển:
Xây dựng mô hình toán học cho robot là bước quan trọng để thiết kế giải thuật điều khiển hiệu quả Mô hình này giúp cánh tay robot bám sát quỹ đạo mong muốn và duy trì hoạt động ổn định, ngay cả khi chịu tác động từ các yếu tố nhiễu.
- Mô phỏng để đánh giá giải thuật.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Về phần lý thuyết chúng em nghiên cứu các mảng sau:
- Nghiên cứu các bài toán động học thuận (ngược), bài toán động lực học
- Thiết kế quỹ đạo cho robot và bài toán nội suy
- Một số phương pháp điều khiển robot
1.4.2 Thực nghiệm Ứng dụng những thứ đã học được trong chuyên ngành “cơ điện tử” vào nghiên cứu:
- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lập trình.
- Mô hình hóa phần cơ khí, phần điện.
- Tối ưu hóa tất cả từ phần lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sản phẩm.
Phạm vi nghiên cứu đề tài
Đề tài này có nhiều ứng dụng thực tiễn, dẫn đến sự phát triển của nhiều phương pháp và hướng giải quyết khác nhau Nhóm đã quyết định xây dựng mô hình cánh tay robot để gắp vật và di chuyển theo quỹ đạo đã được định trước.
Lý thuyết
- Giải quyết các bài toán động học ngược, động học thuận của robot.
- Giải quyết các bài toán động lực học tay máy.
- Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot.
Mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do được thiết kế để thực hiện các thao tác gắp và thả vật ở nhiều vị trí khác nhau Cánh tay robot này có khả năng di chuyển theo quỹ đạo đường thẳng và đường tròn, giúp nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng tự động hóa.
- Mạch điều khiển cánh tay robot sử dụng modul Arduino Mega 2560 làm nền tảng, cùng với module L298 điều khiển động cơ.
- Giao diện điều khiển trên máy tính thông qua cổng nối tiếp.
CƠ SỞ ROBOT CÔNG NGHIỆP
Một số định nghĩa về robot
2.1.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu, bao gồm chuyển động quay và tịnh tiến Để di chuyển một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot cần đạt được một số bậc tự do nhất định Thông thường, cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể được tính theo công thức: \( w = 6n - \sum_{i=1}^{m} f_i \).
Số khớp loại i (i = 1,2, ,5) đại diện cho số bậc tự do bị hạn chế trong các cơ cấu Đối với các cơ cấu có khâu nối bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5), số bậc tự do tương ứng với số khâu động Trong trường hợp cơ cấu hở, số bậc tự do được tính bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
2.1.2 Hệ toạ độ (Coordinate frames)
Mỗi robot bao gồm nhiều khâu (links) liên kết qua các khớp (joints), tạo thành chuỗi động học từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản được gọi là hệ tọa độ cơ bản, trong khi các hệ tọa độ trung gian gắn với các khâu động được gọi là hệ tọa độ suy rộng Các hệ tọa độ trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải.
Hình 2.1 Hệ tọa độ khớp robot
2.1.3 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác của robot là thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối trong quá trình thực hiện các chuyển động Nó bị ảnh hưởng bởi các thông số hình học và ràng buộc cơ học của các khớp, như góc quay tối đa của một khớp Để mô tả trường công tác, người ta thường sử dụng hai hình chiếu.
Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp
2.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau:
Tay máy (Manipulator) là một cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu và khớp, tạo thành cánh tay để thực hiện các chuyển động cơ bản Cổ tay của tay máy mang lại sự khéo léo và linh hoạt, trong khi bàn tay (End Effect) thực hiện các thao tác trực tiếp trên đối tượng.
Cơ cấu chấp hành là thành phần quan trọng trong việc tạo chuyển động cho các khâu của tay máy, thường sử dụng các loại động cơ như điện, thủy lực, khí nén hoặc sự kết hợp giữa chúng.
Hệ thống cảm biến bao gồm các cảm biến và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết, giúp robot nhận biết trạng thái của các cơ cấu bên trong và môi trường xung quanh Các cảm biến nội bộ cho phép robot theo dõi tình trạng của chính nó, trong khi các cảm biến bên ngoài giúp nhận diện các yếu tố môi trường.
+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.
Hình 2.3 Cấu trúc chung của hệ robot
Tay máy là thành phần quan trọng quyết định khả năng làm việc của robot Khi thiết kế và sử dụng tay máy, cần chú ý đến các thông số hình - động học như tầm với, số bậc tự do, độ cứng vững, tải trọng vật nâng và lực kẹp, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và sự linh hoạt của robot.
Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
Chuyển động tịnh tiến trong không gian Descarte theo các hướng x, y, z thường tạo ra các hình khối và được ký hiệu là T hoặc P Trong khi đó, chuyển động quay quanh các trục x, y, z được ký hiệu là R.
Tùy thuộc vào số khâu và sự kết hợp của các chuyển động (R và T), tay máy có các cấu trúc khác nhau và vùng làm việc đa dạng Các loại cấu trúc phổ biến của robot bao gồm robot kiểu tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA và kiểu tay người.
2.2.2.1 Phân loại theo dạng không gian hoạt động a Tọa độ Descarte
Tay máy kiểu tọa độ Descarte có ba chuyển động cơ bản tịnh tiến theo các trục hệ tọa độ gốc, tạo thành cấu hình T.T.T Với trường công tác hình khối chữ nhật, tay máy này có kết cấu đơn giản, mang lại độ cứng vững cao và độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo Do đó, nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như vận chuyển phôi liệu, lắp ráp và hàn trong mặt phẳng.
Hình 2.4 Robot tọa độ kiểu Descarte b Robot tọa độ trụ
Tay máy kiểu tọa độ trụ sử dụng khớp quay ở khớp đầu tiên, khác với tay máy Descartes sử dụng khớp trượt Vùng làm việc của tay máy này có hình dạng trụ rỗng, mang lại độ cứng vững tốt, phù hợp cho tải nặng Tuy nhiên, độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang sẽ giảm khi tầm với tăng.
Hình 2.5 Robot tọa độ trụ c Robot tọa độ cầu
Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ ở chỗ khớp thứ hai được thay bằng khớp quay, cho phép mô tả quỹ đạo của phần công tác trong tọa độ cầu Mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động, tạo ra một vùng làm việc hình khối cầu rỗng Mặc dù độ cứng vững của tay máy này thấp hơn so với hai loại khác, độ chính xác của nó lại phụ thuộc vào tầm với Tuy nhiên, tay máy kiểu tọa độ cầu có khả năng gắp được các vật dưới sàn.
Hình 2.6 Robot tọa độ cầu d Robot kiểu Scara
Robot SCARA, được phát triển vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski, Nhật Bản, là một loại tay máy đặc biệt với hai khớp quay và một khớp trượt, tất cả đều có trục song song Thiết kế này mang lại độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng nhưng lại kém cứng vững theo phương ngang Robot SCARA chủ yếu được sử dụng trong các công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Actuator”, phản ánh các đặc điểm nổi bật của loại robot này.
Hình 2.7 Robot kiểu SCARA e Robot kiểu tay người
Tất cả các khớp trong cơ thể đều là khớp quay, với trục thứ nhất vuông góc với hai trục còn lại Khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), trong khi khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay Mặc dù tay máy hoạt động rất khéo léo, độ chính xác trong việc định vị vẫn phụ thuộc vào vị trí của vùng làm việc.
2.2.2.2 Phân loại theo điều khiển
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. a Điều khiển hở Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy robot công nghiệp Do đó độ chính xác không cao. Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot dạng điều khiển này thường là động cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi.
Hình 2.8 Cấu trúc hệ điều khiển hở b Điều khiển kín (hay điều khiển servo)
Phương pháp điều khiển theo vòng kín, khác với điều khiển mạch hở, cung cấp phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy và môi trường tương tác, giúp tăng độ chính xác trong điều khiển tay máy và robot công nghiệp Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp hơn do yêu cầu trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái như vị trí, vận tốc, momen và các thông số môi trường làm việc.
Phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được ưa chuộng trong các tay máy robot công nghiệp nhờ vào độ chính xác cao và tính tin cậy trong quá trình làm việc.
Tay máy robot công nghiệp
Động học và động lực hoc robot
2.2.2.3 Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v
2.3 Động học và động lực học robot
Bài toán động học thuận áp dụng phương pháp Denavit – Hartenberg để mô tả mối quan hệ giữa hai khâu Phương pháp này giúp biểu diễn các yếu tố liên quan đến chuyển động của các khâu trong hệ thống.
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D-H:
Tay máy được cấu tạo từ n khâu, trong đó khâu thứ i kết nối với khớp (i+1) theo hình vẽ Hệ tọa độ được xác định dựa trên quy tắc D-H với các quy ước cụ thể.
- Trục tọa độ zi cùng hướng với hướng của trục khớp i+1.
- xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi
Gốc tọa độ của khâu được xác định tại giao điểm giữa trục z và trục x Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, trong khi trục x được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
- Hệ tọa độ gốc: x0 được chọn tùy ý vuông góc với z0.
Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg:
- Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của zi-1 chứa xi.
- Quay một góc i quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi.
- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi.
- Quay một góc αi quanh trục xi-1 (trùng với xi) để zi-1 trùng với zi.
Hình 2.10 Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg
Ma trận biến đổi thuần nhất các hệ trục tọa độ theo D-H
Các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp theo quy tắc D-H tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay là các ma trận \( H_{i}^{i-1} \).
Phương trình động học robot công nghiệp:
Các bước lập phương trình động học robot công nghiệp theo quy tắc Denavit- Hartenberg:
- Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp theo quy tắc
- Bước 2: Lập bảng thông số D-H
- Bước 3: Viết các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ theo công thức Denavit-Hartenberg
- Bước 4: Thiết lập phương trình động học robot công nghiệp
2.3.1.2 Động học ngược a Khái niệm Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị trí xác định và hướng xác định. b Mục đích của bài toán động học ngược tay máy Để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot. c Các phương pháp giải bài toán động học ngược
+ Hướng giải bài toán động học ngược:
Gọi ma trận mô tả robot ( định hướng và vị trí) đã biết là:
(2.4) Tìm một hay tất cả các nghiệm của phương trình sau:
Trong đó: là ma trận 4x4 từ phương trình động học thuận được xác định theo quy tắc Dentavit – Hartenberg:
Phương trình (2) đưa đến việc giải 12 phương trình phi tuyến với n ẩn sau: , (2.7)
Hệ phương trình (2.5) có 12 phần tử tương ứng với giá trị của và K (trừ hàng cuối của ma trận), và việc giải hệ này sẽ cho ra nghiệm là các biến khớp cần tìm.
Phương pháp giải tích có nhược điểm là tính toán phức tạp và khó áp dụng cho các robot có số bậc tự do lớn Tuy nhiên, ưu điểm của phương pháp này là khi đã tìm được kết quả, việc thay giá trị để tính toán lại trở nên đơn giản.
+ Phương pháp số: có các phương pháp điển hình sau:
Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester
Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor
Phương pháp RAGHAVAN và ROTH
2.3.2 Động lực học robot a Khái niệm
Bài toán động lực học tay máy nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động của tay máy và nguyên nhân gây ra các chuyển động đó Mục đích của nghiên cứu này là hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của tay máy và các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của nó.
- Tính toán thiết kết cấu tay máy
- Mô phỏng chuyển động của tay máy
- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp c Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy
- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II
Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:
(2.8) Trong đó : K là tổng động năng của các khâu, P là tổng thế năng
K và P là các đại lượng vô hướng, cho phép lựa chọn hệ tọa độ linh hoạt để đơn giản hóa việc giải bài toán Đối với một cánh tay robot n khâu, ta có:
P = \sum_{i=1}^{n} P_i (2.10) trong đó Ki và Pi đại diện cho động năng và thế năng của khâu thứ i trong hệ tọa độ đã chọn Mỗi đại lượng Ki và Pi là một hàm số phụ thuộc vào nhiều biến số khác nhau.
K i = K (qi, q ˙ i ) và P i = P (qi, q ˙ i ) thể hiện mối quan hệ giữa lực và mô men tại khớp thứ i, trong đó qi là tọa độ suy rộng Nếu khớp thứ i là khớp quay, qi sẽ là góc quay i; còn nếu là khớp tịnh tiến, qi sẽ là độ dài tịnh tiến di.
Lực tác dụng lên khâu thứ i (i = 1, 2, 3, , n) được định nghĩa là lực tổng quát (Generalized forces), có thể là một lực hoặc momen, tùy thuộc vào biến khớp \( q_i \) là quay hay tịnh tiến Lực này được xác định dựa trên các yếu tố liên quan đến chuyển động của hệ thống.
(2.12) được gọi là phương trình Lagrange – Euler, gọi tắt là Lagrange.
*Phương pháp Newton – Euler: Để thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Newton- Euler ta đi theo trình tự các bước sau:
- Bước 1: Xây dựng sơ đồ động học, chọn hệ tọa độ suy rộng, thiết lập bảng tham số động học, động lực học robot.
- Bước 2: Xác định các ma trận truyền D-H, từ đó xác định ma trận quay tương ứng
- Bước 3: Tách robot (hệ có nhiều vật) thành từng vật, khảo sát hệ lực trên từng vật (Theo thứ tự từ vật thứ n đến vật thứ nhất)
- Bước 4: Tìm các thuộc tính cho từng vật rắn: vị trí, vận tốc, gia tốc, Tenxo quán tính khối…
- Bước 5: Thiết lập hệ phương trình vi phân cho từng vật rắn, bắt đầu từ vật rắn thứ n
Thiết kế quỹ đạo robot
Quỹ đạo chuyển động là yếu tố quan trọng trong điều khiển robot, vì để thực hiện nhiệm vụ cụ thể, robot cần di chuyển theo quỹ đạo đã xác định Quỹ đạo không chỉ mô tả hoạt động của robot mà còn cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển, từ đó là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển hiệu quả.
Thiết kế quỹ đạo là quá trình xác định quy luật chuyển động của các biến khớp, nhằm điều khiển chuyển động của từng khớp và tổng hợp chúng thành chuyển động chung của robot theo một quỹ đạo đã được xác định.
Bài toán thiết kế quỹ đạo liên kết chặt chẽ với các vấn đề động học và động lực học Các yếu tố đầu vào bao gồm đường dịch chuyển, thời gian dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc liên quan Kết quả của bài toán là quỹ đạo của phần công tác.
Bài toán thiết kế quỹ đạo được xem xét trong cả không gian khớp và không gian công tác Các điều kiện ràng buộc của quỹ đạo, đặc biệt là đường dịch chuyển, thường được mô tả trong không gian công tác Ngược lại, lực truyền động của hệ thống xuất phát từ các khớp, do đó việc xác định quy luật theo thời gian của các biến khớp được thực hiện trong không gian khớp.
Chuyển động điểm-điểm là loại chuyển động mà chúng ta chỉ chú ý đến tọa độ của điểm đầu và điểm cuối của đường dịch chuyển, mà không quan tâm đến hình dạng của đường đi.
Quỹ đạo là đa thức bậc 3:
Quỹ đạo di chuyển của khớp robot giữa hai vị trí cần thỏa mãn bốn điều kiện: vị trí ban đầu, vị trí cuối cùng, tốc độ tại vị trí ban đầu và tốc độ tại vị trí cuối cùng Vì vậy, quỹ đạo bậc 3 là lựa chọn phù hợp cho việc điều khiển quỹ đạo của khớp robot.
+ Phương trình vị trí: q(t)=a 3 t 3 + a 2 t 2 + a 0 (2.13)+ Phương trình vận tốc: q ˙ (t )=3a 3 t 3 + 2a 2 t + a 1 (2.14)+ Gia tốc thay đổi theo quy luật bậc nhất: q ¨ (t)j 3 t + 2a 2 (2.15)
Để xác định bốn hệ số giả định a3, a2, a1, a0, cần có bốn điều kiện: vị trí đầu q_i, vị trí cuối q_f, vận tốc đầu q̇_i và vận tốc cuối q̇_f, trong đó thường chọn q̇_i = q̇_f = 0.
Quỹ đạo là đa thức bậc 5:
Trong nhiều hoạt động như hàn hồ quang, sơn, và xếp dỡ vật liệu trong không gian chật hẹp, việc điều khiển robot theo đường đi là rất quan trọng Số lượng đường đi thường lớn hơn hai, không chỉ đơn thuần là các điểm cần đi qua mà còn yêu cầu kiểm soát vận tốc và gia tốc để đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ Những điểm này được gọi là các điểm chốt, và số lượng điểm chốt phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác của quỹ đạo trong không gian làm việc.
Quỹ đạo trong không gian khớp mô tả sự thay đổi theo thời gian của các biến khớp q(t), đảm bảo rằng phần công tác di chuyển thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối hoặc đi qua các điểm trung gian.
Để đảm bảo công tác di chuyển diễn ra theo lộ trình đã định trong không gian làm việc, cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp chính Quỹ đạo này có thể được xác lập thông qua việc nội suy đường di chuyển qua các điểm chốt hoặc bằng phương pháp giải tích hàm chuyển động.
Nhiệm vụ xây dựng quỹ đạo trong không gian công tác liên quan đến quy luật biến thiên của biến khớp nhằm điều khiển động cơ Quỹ đạo của robot được xác định thông qua việc giải bài toán động học ngược, đây là yếu tố quan trọng trong việc thiết lập hệ điều khiển.
Cơ sở điều khiển robot
2.5.1 Yêu cầu điều khiển robot Định vị và định hướng tại điểm tác động cuối: khâu cuối cùng thường là bàn kẹp (gripper) hay là khâu gắn liền với dụng cụ thao tác (tool) Đây là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động của robot lên đối tượng Và chúng ta cần xác định không chỉ vị trí của điểm này trong không gian mà còn cả hướng của khâu cuối đó Vị trí điểm tác động cuối E được xác định bằng 3 tọa đô trong hệ tọa trục tọa độ cố định Còn hướng tác động của khâu cuối đó có thể được xác định bằng 3 thông số góc RPY, Euller hay Cardan. Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định n thành phần momen lực tổng quát tác động lên các khớp, momen lực tổng quát được cung cấp bởi cơ cấu chấp hành Quá trình điều khiển phải đảm bảo bộ điều khiển sẽ thực hiện sẽ khiển chuyển động của các khớp theo quỹ đạo q(t) sao cho q(t) luôn bám qd(t), với qd(t) là quỹ đạo chuyển động mong muốn Trên cơ sở đó, ta cần đưa ra các phương thức điều khiển làm cho tay máy thực hiện công việc này Quỹ đạo dự kiến đòi hỏi người lập trình điều khiển phải tìm kiếm đường đi có tính đến những vấn đề liên quan đến môi trường ứng dụng như tránh sự va chạm, các yêu cầu về tốc độ đáp ứng.
Hệ thống điều khiển robot tương tự như các hệ thống điều khiển trong tự động hóa Nguyên tắc chính là điều chỉnh hệ thống để giảm thiểu hàm sai số.
Hàm sai số được xác định bằng công thức: (2.16), trong đó vị trí mong muốn đạt được là vị trí thực tế của khớp Khi ε → 0, khớp robot được coi là đã đạt đến vị trí mong muốn Có nhiều phương pháp điều khiển để đạt được điều kiện ε → 0, trong đó mô phỏng trên Matlab thông qua hàm điều khiển giúp quan sát đường đặc tính đầu ra một cách trực quan Tuy nhiên, thực tế còn nhiều yếu tố khách quan như ma sát, điều kiện môi trường và chướng ngại vật có thể làm thay đổi thông số điều khiển Do đó, cần đưa ra hàm điều khiển phù hợp với từng trường hợp cụ thể để sát với thực tế hơn.
2.5.3 Các phương pháp điều khiển Robot
Sau khi xây dựng mô hình toán học cho cơ cấu chuyển động và truyền động của robot, mô hình tổng quát đã xem xét các ràng buộc và tính phi tuyến Mô hình độc lập được áp dụng khi tỉ số truyền lớn, trong đó momen do ràng buộc giữa các khớp được coi là nhiễu và có thể bỏ qua Dựa trên đó, hai hệ thống điều khiển chuyển động được phát triển: điều khiển tập trung và điều khiển phân tán Hệ thống điều khiển phân tán được thiết kế cho robot với các khớp độc lập, trong khi hệ thống điều khiển tập trung được áp dụng cho robot có tỉ số truyền nhỏ, nơi tính ràng buộc và phi tuyến cao.
2.5.3.1 Điều khiển độc lập các khớp Đối với các robot có tỉ số truyền của bộ truyền lớn, có thể coi hệ thống robot n bậc tự do sẽ gồm n hệ thống độc lập và là hệ thống 1 đầu vào/ 1 đầu ra (SISO) và sự ràng buộc giữa các khớp được coi là thành phần nhiễu.
Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm ba mạch vòng điều chỉnh cho gia tốc, tốc độ và vị trí khớp, với ba bộ điều khiển tương ứng Bộ điều khiển mạch vòng trong cùng được thiết kế theo dạng tỷ lệ - tích phân (PI) nhằm đạt được sai lệch tĩnh bằng không, trong khi các bộ điều khiển vòng ngoài có cấu trúc tỷ lệ (P) Các hệ số tương ứng là hệ số phản hồi cho gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.
Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi
Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển xây dựng dựa trên mô hình lý tưởng, bỏ qua các yếu tố như thời gian điện từ động cơ và hằng số thời gian bộ biến đổi Để đáp ứng yêu cầu chất lượng, hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn Tuy nhiên, trong thực tế, điều này không khả thi do chất lượng hệ thống bị suy giảm bởi đặc tính động học, chẳng hạn như sự tồn tại của khâu đàn hồi trong bộ truyền cơ.
2.5.3.2 Hệ thống điều khiển tập trung a Hệ thống điều khiển phản hồi
Khi thiết kế hệ thống điều khiển, có thể không cần xem xét động học của cơ cấu chấp hành như quán tính động cơ và bộ biến đổi Do đó, nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra momen cần thiết để điều khiển các khớp robot, đảm bảo chúng luôn theo đúng quỹ đạo đã định.
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi robot được trình bày trong hình 2.12, bao gồm vecto tín hiệu đặt vị trí của các khớp (đối với khớp quay và khớp tịnh tiến), vị trí thực của các khớp robot tương ứng, và vecto momen của các khớp quay cùng lực đối với khớp tịnh tiến Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng:
Từ cấu trúc chung ở trên ta có thể thiết kế bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD kinh điển, PD bù trọng lực hay bộ điều khiển PID.
Hình 2.12 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi
Luật điều khiển PD có dạng :
- : ma trận đường chéo các hệ số khuếch đại của n khớp động:
- : ma trận đường chéo của hệ số đạo hàm của n khớp động:
Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển cung cấp momen truyền động cho robot, được mô tả bởi mô hình động lực học trực tiếp R Đầu ra của mô hình robot R thể hiện vị trí thực tế của các khớp.
Dưới đây trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển Robot sử dụng PID:
Hình 2.13 Cấu trúc bộ điều khiển PID
: là vectơ góc quay đặt của biến khớp.
: là vectơ góc đáp ứng của biến khớp.
- Cấu trúc bộ điều khiển PID gồm các luật điều khiển tỷ lệ - đạo hàm - tích phân như sau:
- ma trận đường chéo các hệ số khuếch đại của n khớp động:
- ma trận đường chéo của hệ số đạo hàm của n khớp động:
- ma trận đường chéo của hệ số tích phân của n khớp động:
- sai số vị trí của khớp động:
Để điều chỉnh bộ điều khiển PID, có thể áp dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính và phương pháp điều khiển tách kênh Bên cạnh đó, việc chỉnh định thông số cũng có thể thực hiện thông qua mô phỏng trên Matlab – Simulink Hệ thống điều khiển momen tính toán là một phần quan trọng trong quá trình này.
Phương pháp momen và phương pháp điều khiển động lực học là những kỹ thuật quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển cho robot Nguyên lý cơ bản của các phương pháp này là lựa chọn luật điều khiển nhằm loại bỏ các thành phần phi tuyến trong phương trình động lực học, đồng thời phân tách đặc tính động lực học của các thanh nối Kết quả đạt được là một hệ thống tuyến tính, cho phép áp dụng các phương pháp thiết kế cổ điển, từ đó đảm bảo độ chính xác trong chuyển động theo yêu cầu.
Dựa trên phương trình động lực học của robot, giả thiết rằng tất cả các tham số của robot đã được xác định chính xác, phương trình mô tả bộ điều khiển mô men tính toán được lựa chọn như sau:
Cân bằng momen được mô tả bằng phương trình động lực học tổng quát, là một phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 không phụ thuộc vào các khớp Điều này cho phép thiết kế bộ điều khiển độc lập với cấu trúc PD hoặc PID cho từng khớp Luật điều khiển phụ có cấu trúc PID được trình bày như sau:
Phương pháp điều khiển momen tính toán có nhược điểm là yêu cầu thông tin đầy đủ và chính xác về các thông số và đặc tính động lực học của robot Tuy nhiên, các thông số này thường thay đổi trong quá trình làm việc, do đó cần ước lượng chính xác để khử các thành phần phi tuyến và phân ky động lực học của các khớp Hơn nữa, thuật toán điều khiển momen tính toán liên quan đến các phép toán trung gian, dẫn đến khối lượng tính toán lớn và thời gian tính toán kéo dài, điều này hạn chế khả năng áp dụng phương pháp trong robot công nghiệp.
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN
Mô hình hóa hệ thống cơ khí
3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế
Hình 3.1 Mô hình yêu cầu làm việc
Cánh tay robot công nghiệp với 4 bậc tự do được thiết kế để vận chuyển phôi hình hộp chữ nhật có núm gắp từ vị trí 1 đến vị trí 2.
3.1.2 Mô hình cánh tay robot
Cánh tay robot gồm 4 khâu, 4 khớp quay:
Khâu 1 có khả năng xoay tròn 360 độ quanh trục thẳng đứng, với trục động cơ truyền momen xoắn qua bánh răng nhỏ tới bánh răng lớn, được giữ chặt bởi đế.
Khâu 2 cho phép xoay một góc 180 độ quanh trục của động cơ thứ hai Trục động cơ truyền chuyển động qua bộ truyền đai, với pully chủ động được kết nối với trục động cơ Pully bị động được gắn chặt vào trục khớp 2 và được cố định bằng ốc với tấm đỡ của khâu 2.
Khâu 3 thực hiện quay tròn quanh trục với góc 270 độ và chuyển động song phẳng Động cơ được lắp đặt ở khâu 1, sử dụng bộ truyền đai để truyền động từ khâu 1 qua khâu 2 đến trục của khâu 3 Pully được gắn với tấm đỡ của khâu, cho phép khâu 3 quay quanh trục Các trục được trang bị vòng bi để hỗ trợ tấm đỡ quay một cách dễ dàng.
Khâu 4 có khả năng xoay quanh trục động cơ 270 độ và được trang bị cơ cấu tay kẹp gắn chặt vào thanh nhôm bằng ốc vít Tay kẹp này nhận lực từ động cơ RC servo MG996 thông qua hệ thống bánh răng và các thanh nối.
Ta có mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do (Hình 3.2) và bảng thông số chiều dài, khối lượng của các khâu ( Bảng 3.2)
Hình 3.2 Mô hình cánh tay robot
Mô hình cánh tay robot bao gồm 5 động cơ, mỗi khâu được điều khiển bởi một động cơ riêng Động cơ 1 gắn với đế và truyền chuyển động cho khâu 1, trong khi động cơ trên khâu 1 tiếp tục truyền động cho khâu 2 Khâu 2 kết nối với trục động cơ khâu 3 qua khớp nối và vòng bi, giúp truyền chuyển động cho khâu 3 Động cơ khâu 4 được giữ chặt với khâu để đảm bảo tính ổn định trong quá trình hoạt động.
3 và chuyền chuyển động cho khâu 4 Động cơ thứ 5 gắn trên hệ thống tay kẹp truyền động qua bánh răng để kẹp vật.
Bảng 1.2 Thông số kĩ thuật của robot Động cơ DC servo và RC servo mg996 Đế L = 180 mm; M0 = 2.5 kg
Khâu 1 L0 = 100 mm; M1 = 1 kg Khâu 2 L1 = 200 mm; M2 = 250 g Khâu 3 L2 = 200 mm; M3 = 220 g Khâu 4 L3 = 150 mm; M4 = 130 g
Bảng 1.1 Mô hình các khâu của cánh tay robot Đế
Tay máy thiết kế với 4 khâu và 4 khớp quay thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động, nhà máy và xưởng cơ khí Thiết bị này có khả năng cung cấp phôi cho máy gia công tự động, cũng như cấp và lấy sản phẩm từ băng tải Hình 3.3 minh họa trường công tác của tay máy 4 bậc tự do.
Hình 3.3 Không gian làm việc của robot
Phạm vi hoạt động của tay máy là nửa hình cầu với bán kính R = 650 mm, bên trong có rỗng với bán kính 250 mm Chiều cao tối đa mà tay máy có thể hoạt động là H = 830 mm.
Giải các bài toán robot 4 bậc tự do
3.2.1 Bài toán động học thuận Áp dụng quy tắc đặt hệ trục tọa độ Denavit - Hatenberg
Hình 3.4 Hệ trục tọa độ theo quy tắc Denavit – Hatenberg
Từ hệ tọa độ đã xác định, ta có bảng thông số động học của cánh tay robot 4 bậc tự do như bảng sau:
Bảng 1.3 Bảng thông số động học D-H:
Phương trình động học thuận
- Các ma trận biến đổi thuần nhất:
- Phương trình động hoc thuận:
- Để đơn giản ta sẽ ký hiệu:
C 234 =cosq 2 +cosq 3+cosq 4 ; S 234 ¿ sinq 2 + sinq 3 + sinq 4 ;
Ta có: = (3.2) r O 0 4 = [ cos sin l q q 1 1 1 +l (l (l 3 3 3 sin cos cos ( q (q (q 2 +q 2 2 + + q 3 q ) 3 + 3 )+l )+l l 2 sin 2 2 cos cos q 2 q q +l 2 2 + + 4 l l sin 4 4 cos cos ( q 2 (q (q + 2 q 2 + + 3 + q q 3 3 q + +q 4 ) q 4 4 )) )) ] = [ x y z P P P ]
Trong đó P ( x P , y P , z P ) là điểm tác động cuối là ma trận (3 x 3) mô tả hướng của khâu tác động cuối
3.2.2 Bài toán động học ngược
Để xác định giá trị các biến khớp của tay robot, cần biết ma trận T, tức là vị trí và hướng của khung tọa độ gắn với điểm tác động cuối Bằng cách nhân hai vế của phương trình (*) với ma trận nghịch đảo của ma trận H1 0, ta có được phương trình mới.
(3.4) Đồng nhất 2 ma trận ta được:
Bình phương 2 vế của hệ phương trình:
3.2.3 Bài toán động lực học
Để xác định động năng và thế năng của các khâu, trước tiên cần tìm tọa độ các khối tâm của từng khâu Gọi \( xc_1, yc_1, xc_2, yc_2, xc_3, yc_3 \) lần lượt là khoảng cách từ gốc tọa độ đến khối tâm của khâu 1, 2, 3 Đối với khâu 4, tọa độ của khối tâm tương ứng cũng cần được xác định.
Từ các vị trí trọng tâm và vận tốc góc ta tính được các ma trân Jacobi tịnh tiến và quay sau:
- Vận tốc góc tuyệt đối của các khâu:
Ma trận ten xơ quán tính của hai khâu 1, 2 và 3 được xác định với trục gắn vào khối tâm, song song với hệ trục của khâu, tương ứng với hệ quán tính chính.
- Ma trận khối lượng suy rộng có dạng:
Thế năng: Được tính theo công thức: P=m.g h (3.7) Áp dụng cho các khâu ta được thế năng tổng:
- Phương trình ứng với các khớp:
3.2.4 Bài toán thiết kế quỹ dạo
3.2.4.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp
- Quỹ đạo chuyển động là hàm đa thức bậc 3
Do có 4 điều kiện đầu nên quỹ đạo các khớp là hàm bậc 3
Giả sử thời gian robot đi từ điểm A đến điểm B là trong t(s) Từ đó ta có hệ phương trình sau:
Giả sử robot cần dịch chuyển từ vị trí A(0,15; 0,1;0,09) đến vị trí B(0,17; 0,2; 0,2) tương ứng với tọa độ khớp A(0,5580; 2,8270; 2,1189; -4,9459) và B(0,8863; 0,0175; 1,7084; -1,7258).
Ta suy ra hệ số của phương trình quỹ đạo cho khâu 1 là:
3.2.4.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian làm việc Để phục vụ cho tín hiệu vào cho bộ điều khiển trong không gian làm việc nên chỉ xét quỹ đạo di chuyển của robot giữa hai điểm A( x 0 , y 0 , z 0 ) , B( x c , y c ,z c ) là đường thẳng và đường tròn ( ta thiết kế ở đây đó là đường tròn nhận AB là đường kính).
*Quỹ đạo của điểm tác động cuối theo đường thẳng từ A đến B trong t c (s) Ta có phương trình đường thẳng trong không gian làm việc đi qua 2 điểm là
Để thiết lập quỹ đạo góc khớp, chúng ta cần thỏa mãn điều kiện về vận tốc đầu và cuối Quan hệ giữa vị trí và thời gian được mô tả bằng đa thức bậc 3: \$x(t) = a_3 t^3 + a_2 t^2 + a_1 t + a_0\$.
Cùng các điều kiện và quan hệ
Ta có các hệ số
Ta thiết kế quỹ đạo để robot đi từ điểm (0,1; 0,1; 0) đến điểm (0,2; 0,25; 0,1) trong 5(s).
Ta tìm được các hệ số như sau:
*Thiết kế quỹ đạo điểm tác động cuối di chuyển theo đường tròn từ A đến B trong t c (s) lấy AB làm đường kính
Ta có phương trình đường tròn nằm trên mặt phẳng Oxy đi qua 2 điểm A( x 0 , y 0 , 0) và B( x c , y c , 0), lấy AB làm đường kính ( x− x i ) 2 + ( y− y i ) 2 = R 2 với
Viết dưới dạng tham số sau:
Cũng để thỏa mãn điều kiện về vận tốc a(t) ta thiết kế cũng phải là bậc 3
Và phải thỏa mãn điều kiện
Từ đó ta tìm được các hệ số a 0 ,a 1 ,a 2 , a 3 như sau :
Mô hình hóa hệ thống điều khiển
Khi mô hình hóa một tay máy trong công nghiệp, cần xác định tay máy như một cơ cấu được điều khiển Các cảm biến được lắp đặt tại các khớp để giám sát trạng thái, trong khi các cơ cấu dấn động được gắn tại các khớp để tạo ra lực dẫn động cho các khâu.
Chúng ta cần điều khiển các khớp của robot theo quỹ đạo thiết kế bằng cách sử dụng các hệ điều khiển để tính toán lệnh phù hợp Các phần tử dẫn động hoạt động dựa trên lệnh và sinh lực điều khiển, nhằm đảm bảo thực hiện các quy luật chuyển động mong muốn.
Bộ điều khiển robot sử dụng các giá trị ban đầu như quy luật, vận tốc và quỹ đạo gia tốc để tính toán vector lực (momen) τ, từ đó tạo ra động lực cho hệ thống robot di chuyển theo quy luật q Nhờ vào các cảm biến, bộ điều khiển có khả năng đọc các giá trị này theo thời gian thực.
Để tính toán momen điều khiển \$\tau\$, cần áp dụng phương trình động lực học với các tham số đầu vào bao gồm giá trị góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc, được xác định trong phần thiết kế quỹ đạo.
Trong bài viết này, ma trận khối lượng suy rộng vuông cấp n được ký hiệu là \( M \) Vector n chiều của các thành phần Coriolis và ly tâm được ký hiệu là \( C \) Cuối cùng, vector n chiều các thành phần suy rộng của các lực không thế được ký hiệu là \( F \).
Để hệ chuyển động theo quỹ đạo mong muốn, τ được tính theo công thức (3.7) là rất quan trọng, đặc biệt khi mô hình động học hoàn toàn chính xác và không bị nhiễu Cách duy nhất để xây dựng hệ điều khiển hiệu năng cao là sử dụng tín hiệu phản hồi, từ đó tính toán sai lệch vị trí e và sai lệch vận tốc.
3.3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển robot được mô tả qua sơ đồ khối dưới đây, trong đó đầu vào bao gồm các giá trị đặt như góc quay và vận tốc góc của các khớp Hệ thống cũng nhận phản hồi từ các cảm biến để đo góc quay và tốc độ góc.
Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển
3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển
Trong quá trình hoạt động của cánh tay robot, việc tương tác với môi trường là rất quan trọng để đảm bảo điều khiển chính xác Do đó, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên mô hình phương trình động lực học đã được xây dựng trong phần động lực học, cụ thể là điều khiển PD.
- Luật điều khiển PD dạng:
(3.11) là các ma trận đường chéo các hệ só khuếch đại và các hệ số đạo hàm của từng khớp riêng biệt.
: giá trị góc quay, vận tốc góc đặt
: giá trị góc quay, vận tốc góc thực tế đo được từ các sensor
- Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PD:
Hình 3.6 Cấu trúc bộ điều khiển PD
Khi đó cân bằng: ta sẽ được lực (momen) điều khiển các khớp robot bám theo quỹ đạo đã thiết kế trước. b Điều khiển PID
Để giảm thiểu sai số xác lập, phương pháp điều khiển PID thường được áp dụng Phương pháp này tương tự như điều khiển PD nhưng có thêm thành phần tích phân của sai số.
- Luật điều khiển PID có dạng:
- Sơ đồ điều khiển PID
Hình 3.7 Sơ đồ hệ điều khiển PID
- Áp dụng cho tay máy 4 bậc tự do ta có: + Phương trình động lực học:
Thành phần momen quán tính:
Thành phần momen nhớt, hướng tâm:
C C q q q l l m S q q q l l m S q q q l x m S q q q l x m S q q q l l m Sq q l l m Sq q l l m Sq q l l m S q q q q l x m Sq q l x m Sq q l
Thành phần momen trọng lực:
- Các giá trị đặt của góc quay là:
Các giá trị góc quay thực tế đầu ra đo được là :
- Khi đó, momen điều khiển các khớp theo luật PID là:
Quỹ đạo của 4 khớp robot được xác định bằng đa thức bậc 3, đảm bảo rằng robot di chuyển từ vị trí ban đầu (0.25, 0.1, 0.2) đến vị trí cuối (0.15, 0.25, 0.05) trong khoảng thời gian 3 giây.
- Các hệ số khuếch đại tỉ lệ, đạo hàm và tích phân được lựa chọn:
- Với các thông số momen quán tính:
- Kết quả mô phỏng góc quay tại các khớp 1, 2, 3, 4 của mô hình robot 4 bậc tự do với bộ điều khiển phản hồi PID: a) b) c) d)
Hình 3.8 Đồ thị đáp ứng góc quay các khớp
Dựa trên kết quả mô phỏng từ đồ thị, ta thấy giá trị góc quay các khớp 1, 2 và
Bốn giá trị đã theo sát giá trị góc quay mong muốn, được tính toán từ quỹ đạo đa thức bậc ba khi điểm tác động cuối di chuyển từ tọa độ A(0.25, 0.1, 0.2) đến vị trí B(0.15, 0.25, 0.05) một cách nhanh chóng Đồng thời, giá trị góc quay thứ ba sau 2 giây cũng đã đạt được giá trị đặt.
- Kết quả mô phỏng vận tốc góc các khớp 1, 2, 3, 4 của mô hình robot 4 bậc tự do với bộ điều khiển phản hồi PID: a) b) c) d)
Hình 3.9 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc các khớp
Kết quả mô phỏng cho thấy vận tốc góc của khớp 1 đã đạt được giá trị mong muốn ngay sau khi bắt đầu điều khiển, trong khi vận tốc góc của khớp 2 vẫn chưa đạt yêu cầu.
3, 4 sau khoảng 1s có sự dao động thì đã bám theo giá trị đặt với sai số xác lập nhỏ
- Momen điều khiển các khớp 1, 2, 3, 4 của mô hình robot 4 bậc tự do với bộ điều khiển phản hồi PID:
Hình 3.10 Đồ thị momen điều khiển các khớp
Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị thực của góc quay và vận tốc góc của mô hình robot 4 bậc tự do phù hợp với giá trị đặt khi sử dụng các thông số PID đã chọn Điều này chứng tỏ bộ điều khiển PID đã đáp ứng tốt các tiêu chí chất lượng về thời gian phản hồi và sai số xác lập cho mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do được thiết kế.
Sơ đồ khối hệ thống và tính toán chọn động cơ
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên một chip, chủ yếu dùng để điều khiển thiết bị điện tử Nó bao gồm một vi xử lý hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp, kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ và các module vào/ra Khác với máy tính, các module của vi điều khiển thường được tích hợp trực tiếp trên chip Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng và xuất hiện phổ biến trong các ứng dụng như encoder.
Máy tính trong các thiết bị điện, điện tử, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động,
Mạch khuếch đại công suất được sử dụng để nâng cao công suất tín hiệu trước khi đưa ra tải, thường cho tải có điện trở thấp Hiệu suất của mạch khuếch đại công suất được đánh giá qua công thức: \$\eta = \frac{P_{out}}{P} \times 100\%\$ Động cơ Servo là hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển Nếu có bất kỳ trở ngại nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận tín hiệu và điều chỉnh để động cơ đạt được vị trí mong muốn.
Khi đĩa xoay tròn, bộ phận cảm biến quang sẽ tiếp nhận các phân khúc ánh sáng sáng và tối từ hai loại chất liệu trên đĩa, sau đó chuyển đổi chúng thành tín hiệu số hoặc các xung để truyền tải dữ liệu.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống và thi công hệ thống cơ khí
4.1.1 Thiết kế hệ thống cơ khí a) Yêu cầu thiết kế
- Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. b) Thiết kế trục và ổ bi
Lý luận: Để tạo ra 1 khớp chuyển động động linh hoạt, truyền chuyển động từ khớp này sang khớp khác. Đảm bảo khả năng vận hành trơn tru.
Giữ cho kết cấu của robot được chắc chắn.
Chúng tôi đang tìm kiếm các thanh chốt trục 5mm có sẵn để phù hợp với 3 trục gắn với 3 khớp, có chiều dài tương ứng và đường kính âm 5mm Để đảm bảo vừa vặn với vòng bi, chúng tôi sẽ cắt 2 đầu và tiện thêm 2 đầu xuống còn 4mm.
3 trục giữ các tấm đỡ góp phần chắc chắn hơn cho kết cấu cũng được chế tạo từ thanh chốt và được khoan 2 đầu, tạo lỗ ren.
Các trục đều là những tấm chốt thép Đảm bảo độ cứng, chắc chắn.
Chọn ổ bi 624ZZ gắn với các khớp 2 3 4.
- Ổ bi lăn, chịu tải mức trung bình.
Chọn ổ bi 6905 gắn với trục 1 nằm ở phần đế của robot
- Khối lượng: 68g. c) Thiết kế bộ truyền động.
Bộ truyền động bánh răng:
Khái niệm: Truyền động bánh răng thực hiện truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng hoặc thanh răng Ưu điểm:
+ Có kích thước khá nhỏ nhưng ngược lại khả năng tải lớn.
+ Tỉ số truyền không đổi do không có hiện tượng trượt trơn.
+ Hiệu suất của bánh răng: 0.97-0.99
+ Làm việc với vận tốc lớn, công suất cao.
+ Đòi hỏi độ chính xác cao.
+ Ồn khi vận tốc lớn.
+ 1 bánh răng có bề dày