tiểu luận môn học robot công nghiệp

Trong thực tế bản thân động cơ servo không phải đượcđiều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay, xe hơi.Động cơ Servo nhận tín hiệu từ máy thu này.. Trục của đ

ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN

Cho tay máy như hình sau :

1. Vẽ sơ đồ nguyên lý của tay máy, xây dựng hệ trục và bảng động học

2. Giải bài toán vận tốc tay gắp

3. Giải bài toán động lực học

I XÂY DỰNG HỆ TRỤC VÀ BẢNG DH

1 Xây dựng hệ trục:

Trong đó

1 2 3

q d

βββ

1 2

x y z x y z

v v v

d

ββω

ωω

s

ββ

ββ

(

c s r

000

c s

s s c J

.

III PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO TAY MÁY:

1 Xác định vector vị trí tâm khối lượng C i :

3 3

3 Tính vận tốc khối tâm của từng khâu:

3.1.Tính ma trận Jacobi của từng khối tâm:

ββ

1 0 1 0 1 0

c

c c

c

c

V V V

2 0 2 0 2

2 0 2 0 2 0

3 0 3 0 3 0

z x y

z

c c c c c c c

V V V

4 0 4 0 4 0

1 2 3

c

c

V V V

J d

ββ

ωω

4.Tính ma trận quán tính cơ cấu chấp hành:

n

jk k

ij

q

M q

1(

ij 1

τττ

IV CHỌN ĐỘNG CƠ CHO ROBOT:

Do yêu cầu điều khiển chính xác điểm tác động cuối của robot ta chọn động cơ cho các khớp quay là động cơ servo

Để phù hợp với tay máy ta chọn động cơ servo có momen xoắn 130 oz-in, thời gian vận chuyển (vận tốc) 0.21s/60o

1. Giới thiệu về động cơ servo:

Động cơ servo đươc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tính hiệu

ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay vị trí và vận tốc

sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất cứ lý do gì cản trở chuyển độngquay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơservo R/C (radio-controlled) Trong thực tế bản thân động cơ servo không phải đượcđiều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay, xe hơi.Động cơ Servo nhận tín hiệu từ máy thu này Như vậy có nghĩa là ta không cần phảiđiều khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừkhi ta muốn thế Ta có thể điều khiển động cơ servo bằng máy tính, một mạch vi xử

lý hay thậm chí một mạch điện tử cơ bản dùng IC555

Mô hình động cơ Servo

Bên trong của một động cơ servo R/C bao gồm một động cơ, một chuỗi cácbánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển và một vôn kế

Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển, tạo thành mạch hồi tiếp kín Cảmạch điều khiển và động cơ đều được cấp nguồn DC (thường từ 4,8 – 7,2V)

Để quay động cơ, tín hiệu đó được gởi tới mạch điều khiển Tín hiệu này khởiđộng động cơ thông qua chuỗi bánh răng, nối với trục vôn kế Vị trí của trục vôn kếcho biết vị trí trục ra của servo.Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn mạch điềukhiển sẽ tắt động cơ

Động cơ servo được thiết kế quay có giới hạn chứ không phải quay liên tụcnhư động cơ DC hay động cơ bước Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo quay liêntục nhưng công dụng chính của động cơ servo là quay đạt một góc chính xác trongkhoảng từ 90o – 180o Việc điều khiển này được ứng dụng để lái robot, di chuyển cáctay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng

Trục của động cơ servo R/C được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độxung (PWM).Trong hệ thống này, Servo là đáp ứng của một dãy các xung ổnđịnh.Cụ thể hơn mạch điều khiển là đáp ứng cũa một tín hiệu số có các xung biến đổi

từ 1 – 2ms.Các xung này được gửi đi 50 lần/giây.Chú ý là không phải số xung trongmột giây điều khiển servo mà là chiều dài các xung.Servo đòi hỏi khoảng từ 30 – 60xung/giây.Nếu số này quá thấp, độ chính xác và công suất duy trì servo sẽ giảm

Với độ dài xung 1ms, servo được điều chỉnh quay theo một chiều:

Với độ dài xung 2ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này còn đượcgọi là tỷ lệ số - chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển

Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỹ lệ với độ lệch giữa vịtrí hiện tại của trục ra với vị trí nó cần tới.Nếu servo ở gần vị trí đích, động cơ đượcchuyển động với tốc độ thấp.Điều này đảm bảo động cơ không vượt quá điểm cầnđến.Nhưng nếu servo ở xa vị trí đích nó sẽ được chuyền động với vận tốc tối đa đểđến đích nhanh.Khi trục ra đến vị trí mong muốn, động cơ giảm tốc.Quá trình phứctạp này diễn ra trong một thời gian ngắn – một servo trung bình có thể quay 60o trongvòng ¼ - ½ giây

Vì độ dài xung có thể thay đổi tuỳ theo hãng chế tạo nên ta phải trọn servo vàmáy thu vô tuyến thuộc cùng một hãng đẻ đảm bảo độ tương thích Đối với robot taphải làm một vài thí nghiệm để xác định xung tối ưu

3. Vai trò của vôn kế:

Vôn kế trong Servo giữ vai trò chính trong việc định vị trí của các trục ra Vôn

kế được gắn vào trục ra (trong một vài servo,Vôn kế chính là trục ra).Bằng cách này,

vị trí của vôn kế phản ánh chính xác vị trí của truc ra của servo.Vôn kế hoạt độngnhờ cung cấp một điện áp biến thiên cho mach điều khiển.Khi cần chạy bên trongVôn kế điều khiển, điện thế sẽ thay đổi

Mạch điều khiển trong servo so sánh này với độ dài các xung số đưa vào vàphát “tín hiệu sai số” nếu điện thế không đúng.Tín hiệu sai số này tỷ lệ với độ chênhlệch giữa vị trí của vôn kế và độ dài tín hiệu vào.Mạch điều khiển sẽ kết hợp tín hiệusai số này để quay động cơ.Khi điện thế của vôn kế và độ dài các xung số bằng nhau,tín hiệu sai số được loại bỏ và động cơ ngừng

4. Các giới hạn quay:

Các servo khác nhau ở góc qua được với cùng tín hiệu 1 – 2ms (hoặcbất kỳ) được cung cấp.Các servo chuẩn được thiết kế quay tới và lui từ 90o-180o khiđược cung cấp toàn bộ chiều dài xung

Nếu ta cố điều khiển các servo vượt quá giới hạn cơ học của nó, trục racủa động cơ sẽ đụng vật cản bên trong, dẫn đến các bánh răng bị mài mòn hay bị rơ.Hiên tượng này kéo dài hơn 10 giây sẽ làm cho bánh răng của động cơ bị phá huỷ

5. Hệ thống truyền động bánh răng và truyền công suất:

Động cơ bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng /phút Tốc

độ này quá nhanh để có thể dùng trực tiếp trên mô hình máy bay, xe hơi hay robot.Tất cả các servo đều có một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động cơ còn

khoảng 50-100 vòng/phút Các bánh răng của servo có thể làm plastic, nylon hay kimloại (thường là đồng thau hay nhôm).

Bánh răng kim loại có tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao Các bánhrăng thay thế luôn có sẵn.Khi một hoặc vài bánh răng bị hư servo không khớp và taphải thay bánh răng Trong một vài trường hợp ta có thể nâng cấp bánh răng plasticthành bánh răng kim loại

Bên cạch các bánh răng dẫn động trục ra của động cơ cũng thường bịmòn và xước, trong các servo rẻ nhất trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic.Miếng đệm này rất dễ mất tác dụng nếu động cơ chạy nhiều.Servo sử dụng vòng bi

có tuổi thọ cao

6. Mạch điều khiển servo:

Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ DC đòi hỏimột mạch điện tử chính xác để quay trục của nó Có thể một mạch điện tử sẽ làmviệc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tửnày rất đơn giản Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hoặc bằng bộvi xử lýthỉ chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ

Một động cơ DC điển hình cần các transitor công suất, mosfet hay replay nếumuốn kết hợp với máy tính, còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hoặc bộ vi xử

lý mà không cần một linh kiện điện tử nào cả Tất cả yếu tố cần thiết để điều khiểncông suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối.Đây là lợi ích chủyếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính

Ta có thể không cần đến máy tính để điều khiển servo Một IC555 có thể cungcấp các xung cần thiết cho servo

Một phương pháp phổ biến dùng IC555 để điều khiền servo

Khi hoạt động, IC555 sinh ra một tín hiệu xung có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau

để điều khiển hoạt động của servo Chỉnh Vôn kế để định vị servo.Vì IC555 có thể

dễ dàng tạo xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vị trí biênthông thường Khi servo gặp vật cản ta phải ngắt nguồn lập tức, nếu không các bánhrăng bên trong động cơ bị trờn

Các máy thu R/C được thiết kế tối đa với 8 servo Máy thu nhận xung

số từ máy phát, bắt đầu bằng một xung dài đồng bộ, sau đó là các xung của 8 servo,mỗi xung dành cho một servo 8 xung cộng với xung đồng bộ mất khoảng 20 ms.Điều này có nghĩa là dãy xung có thể lập lại 50 lần/giây.Ta gọi đó là tỷ lệ lặp lại(refresh rate) Khi tỉ lệ này giảm các servo cập nhật không đủ nhanh và sẽ bị mất vịtrí

Trừ khi mạch điện tử ta dung có thể cung cấp xung đồng thời cho nhiều servo(đa nhiệm vụ - multi tasking), mạch điều khiển không thể cung cấp xung lập lại đủnhanh Vì vậy ta có thể dùng bộ xử lý servo chuyên nghiệp Bộ này có thể điều khiển

5, 8 động cơ hay nhiều hơn một cách độc lập, sẽ làm giảm bớt chương trình tổngcộng của máy tính hay bộ vi xử lý mà ta đang dùng

Ưu điểm của bộ vi xử lý servo chuyên nghiệp là ta có thể điều khiển đồng thờinhiều servo ngay cả khi máy tính, bộ vi xử lý không đa nhiệm vụ

Ví dụ: giả sử robot cần 24 servo, có thể là một robot dùng nhện 8 chân, mỗi

chân có 3 servo, mỗi servo điều khiể một bậc tự do của chân Phương pháp ta sửdụng là phân chia công việc cho 3 bộ xử lý servo, mỗi bộ có thể điểu khiển 8 servo.Mỗi bộ chịu trách nhiệm xử lý cho một loại bậc tự do: một cho hoạt động quay của 8chân, một cho “độ linh hoạt” của các chân và một cho độ quay đốt cuối của chân

Các bộ xử lý servo chuyên nghiệp phải được dung với máy tính hoặc bộ vi xử

lý vì chúng cần được cung cấp dữ liệu từ thời gian thực để điều khiển servo Dữ liệunày thường được gởi trong một công thức dữ liệu chuỗi Một dãy các byte gởi từ máytính hay bộ vi xử lý được bộ vi xử lý servo giải mã, mà mỗi byte tương ứng với mộtservo Mỗi bộ xử lý servo điển hình có ghi chú các ứng dụng và các chương trìnhmẫu của các máy tính và bộ vi xử lý thông dụng nhưng để đảm đảm bảo ta cần cókiến thức về lập trình và truyền chuỗi

Servo được thiết kế sử dụng với bộ pin R/C recharge, có điện thế từ 4,8 –7,2V, phụ thuộc vào số pin sử dụng Các servo cho phép khoảng điện thế vào khárộng, và bộ 4 pin AA 6V đã cung cấp đủ điện Tuy nhiên khi pin hết điện thế giảm,servo không còn nhanh như lúc đầu Khi điện thế xuống 4 -4,5V servo thậm chíkhông chạy

Nhiều servo có thể chạy ở mức điện thế cao khoảng 12V mà ít gây hậu quả.Tuy nhiên đa số các servo đều nóng lên ở mức điện thế 9-10V, chúng sẽ không hoạtđộng lâu nếu chúng không đươc nghỉ hoặc làm nguội

Trừ khi ta cần tăng momen xoắn hay tốc độ, tốt hơn là cung cấp mức điện thếcho servo dưới 9V, tốt nhất là trong khoảng 4,8-7,2V Ta cũng cần tham khảo thêmbảng dữ kiệu của servo để xác định các yêu cầu điện thế đặc biệt khác

Tất cả servo đều có dải chết Dải chết của servo là thời gian sai lệch lớn nhấtgiữa các tín hiệu điều khiển ngõ vào và tín hiệu tham chiếu nội sinh ra bởi vị trí củaVôn kế Nếu thời gian sai lệch nhỏ hơn dải chết 5-6ms, servo không cần phải điềuchỉnh động cơ để sửa sai lệch

Nếu không có dải chết servo phải liên tục dò tới lui để tìm điểm tương thíchgiữa tín hiệu vào và tín hiệu chiếu nội của nó Dải chết cho phép servo giảm thiểu sự

dò tìm này và sẽ lấy lân cận điểm cần tìm mặc dù không chính xác lắm

Dải chết được thay đổi tùy theo servo và được coi như một thông số củaservo Dải chết điển hình dài 5s Nếu servo quay 180o trong khoảng 1000s thì dảichết 5 chỉ chiếm 1/200 Ta không cần lưu ý tới ảnh hưởng của dải chết nếu mạchđiều khiển có độ phân giải thấp hơn dải chết.

Tuy nhiên nếu mạch điều khiển có đọ phân giải cao hơn dải chết, một sự thayđổi nhỏ về giá trị độ rộng xung có thể không ảnh hưởng Ví dụ nếu bộ vi xử lý có độphân giải là 2s và nếu servo có dải chết 5s thì sự thay đổi một trong hai giá trị- Tức là2-4s trong bề rộng xung sẽ không ảnh hưởng lên servo

Như vậy ta lên chọn servo có dải chết hẹp nếu ta cần độ chính xác và mạchđiều khiển hay môi trường lập trình có độ phân giải đủ lớn Ngược lại ta cần lưu ý tớidải chết

Servo điển hình có tín hiệu đáp ứng từ 1-2s Trong thực tế nhiều servo có thểđược cung cấp bởi xung ngắn hay dài hơn để tối đa hóa giới hạn quay Dải 1-2s thật

ra có thể quay servo theo hai hướng nhưng không thể quay toàn bộ theo cả haihướng Tuy nhiên ta không biết rõ giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của servo cho đến khi tachạy thử

Nếu ta chỉ cần quay servo đến giá trị max, hãy chọn lực mạch điều khiển Bắtđầu bằng cách thay đồi một lượng nhỏ bề rộng xung hơn 1s, có thể là 10s Sau mỗilần thay đổi, dung chương trình điều khiển đẩy servo trở lại vị trí giữa (vị trí trunghòa) Khi nghe thấy servo gặp vật cản bên trong ( tiếng lạch cạch), lúc đó ta đã tìmđược giá trị biên dưới của servo, lập lại quá trình để tìm giá trị biên trên Có nhữngservo có cận dưới là 250s, cận trện là 2200s Tuy nhiên các servo khác bị hạn chế đếnnỗi thậm chí chúng không thể hoạt động trong dải 1-2ms Các giá trị biên này cũngkhác nhau đối với từng loại và từng nhãn hiệu khác nhau

V HÀM TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỖI KHỚP

Nội dung phần này là trình bày phương pháp xây dựng với trường hợp chuyểnđộng 1 bậc tự do, mỗi khớp thường được điều khiển bằng một hệ truyền động

Xét sơ đồ chuyển động của động cơ điện một chiều với tín hiệu vào là phầnđiện áp Ua đặt vào phần ứng ,tín hiệu ra là góc quay θm của động cơ,động cơ kiểukích thích từ độc lập.

Sơ đồ động cơ điện 1 chiều

Trục động cơ được nối với hộp giảm tốc rồi tới trục phụ tải , gọi n là tỉ số truyền, θL

Momen trên trục động cơ bằng tổng Momen để động cơ quay, cộng với momen phụ Tải quy về trục động cơ.

Khi đó ta có phương trình M(t)=Mm(t)+ ML*(t)

Kí hiệu: Jm: Momen quán tính của động cơ

JL: Momen quán tính phụ tải

Trong đó fm và fL hệ số cản của động cơ và của phụ tải

Công do phụ tải sinh ra tính trên trục phụ tải MLθL phải quy về trục động cơ ML* Từ

Monen trên trục động cơ phụ thuộc vào tuyến tính với cường độ dòng điện phần ứng

và không phụ thuộc vào góc quay và vận tốc góc ,ta có:

( ) a a( )

M t =K i t

Với: ia: cường độ dòng điện phần ứng

Kb: hệ số tỉ lệ của suất phản điện động

Sử dụng phép biến đổi laplace, từ (1) ta có:

Đây là hàm truyền cần xác định , nó là tỉ số giữa tín hiệu ra (góc quay θm) và tín hiệu vào của hệ thống (điện áp Ua) Vì hệ thống gồm có động cơ và phụ tải nên tín hiệu ra thực tế là góc quay của trục phụ tải θL , do dó hàm truyền chuyển động 1 bậc tự do của tay máy là :

(4)

Và ta có sơ đồ khối tương ứng với hàm truyền:

Trong công thức (4) có thể bỏ qua thành phần điện cảm phần ứng La ,vì nó thường quá nhỏ so với các nhân tố ảnh hướng cơ khí khác nên :

VI ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Các tiêu chuẩn chất lượng:

• Sai số xác lập

• Đáp ứng quá độ

• Các tiêu chuẩn hóa đáp ứng quá độ

• Quan hệ giữa chất lượng trong miền tần số và chất lượng trong miền thời gian

7.1 Tính ổn định của hệ thống:

Tính ổn định của hệ thống phụ thuộc vào vị trí các cực

Hệ thống có tất cả các phần thực âm (có tất cả các cực nằm bên trái mặt phẳng phức) thì hệ thống ổn định

Hệ thống có ít nhất 1 phần cực dương (nằm bên phải mặt phẳng phức) thì hệ thống

7.1.1 Tiêu chuẩn ổn định tần số:

Tiêu chuẩn BODE

Hệ thống kín của hệ thống trên ổn định nếu hệ thống hở G(s) có độ dữ trữ biên (GM)

7.1.2 Sai số xác lập:

Sai số là sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp:

e (t) = r(t) – c(t) E(s) = R(s) – C(s)Sai số xác lập của hệ thống khi thời gian tiến đến vô cùng:

exl =exl =

Hiện tượng vọt lố là hiện tượng đáp ứng của hệ thống vượt quá xác lập của nó

Độ vọt lố là đại lượng đánh giá mức độ vọt lố của hệ thống được tính bằng công thức:

Thời gian quá độ là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và giá trị xác lập của nó không vượt quá Và thường được chọn là 20% hoặc 5%

Thời gian đáp ứng là thời gian để đáp ứng của hệ thống tăng từ 10%-90% giá trị xác lập của nó