Tieu luan mon Dieu khien chuyen dong_xay dung cau truc dieu khien cho Robot docx

Phơng pháp điều khiển động lực học ngợc là chọn luật điều khiển sao cho khử đợc các thành phần phi tuyến của phơng trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các thanh nối t

Đề Tiểu luận Điều khiển chuyển động

Cho một robot hai khâu có cấu trúc động học như hình vẽ, thông số như bảng

kê và phương trình trạng thái mô tả hệ như sau:

hiệu Giá trị

Đơn vị tính

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 J1 0,1213 kg.m 2

Mô men quán tính của khâu thứ hai J2 0,1213 kg.m 2

2

2

2

22 2 2

( )

m c

+

&& & &&

&& &

2

1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12

t t

G m g c C m g l C c C m g l C l C

G m g c C m gl C C cos S sin

Yêu cầu: Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot nói trên (giả thiết không tải)

M ỤC L ỤC

Phần 2 Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot hai khâu 9

Lời nói đầu

Điều khiển chuyển động là môn mới xuất hiện gần đây tập hợp các tri thức thuộc

lĩnh vực điều khiểu (VD: Lý thuyết điều khỉên tuyến tính, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Tay máy và tự động san xuất linh hoạt,…) phối hợp nhiều động cơ tạo thành các chuyển động đã định để các đại lượng như vận tốc, gia tốc, mô men, quĩ đạo thành các đại lượng có hướng.

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các máy móc thiết bị công nghiệp càng ngày càng phải đáp ứng những yêu cầu phức tạp hơn, đạt năng suất cao hơn và làm việc một cách chính xác hơn Trong thế kỷ 20 và bước sang thế kỷ 21, sự phát triển công nghệ chế tạo, điều khiển Robot là một trong những bước tiến mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật Robot là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện được những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con người.

Ngày này Robot đã trở thành một trong những công cụ không thể thiếu trong các nhà máy, xí nghiệp có mức độ tự động hoá cao Robot đảm nhận các công việc khó khăn thay thế con người như làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, các môi trường phóng xạ hay nhiệt độ cao Hơn nữa, Robot còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học như y tế, sinh học, thăm dò địa chất, thám hiểm ngoài không gian… và ngay cả trong đời sống như bán hàng, làm việc nhà…

Trong quá trình học tập môn Điều khiển chuyển động, dưới sự hướng dẫn của thầy

PGS.TS Nguyễn Như Hiển em được giao đề tài “Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot hai khâu” (với cấu trúc và các số liệu cho trước) Do trình độ nhận thức

và thời gian học tập, nghiên cứu có hạn chế nên bài tiểu luận của em không tránh khỏi những thiếu sót cần được bổ xung và hoàn chỉnh Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô giáo để bài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn sự giảng dạy nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn

Như Hiển và sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công

nghiệp Thái Nguyên, các bạn trong nhóm đã giúp đỡ em hoàn thiện bài tiểu luận này.

Thái Nguyên, ngày 17 tháng 5 năm 2011

Học viên

Nguyễn Thị Dương

PHẦN 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.1 Điều khiển chuyển động

Điều khiển chuyển động (ĐKCĐ) là mụn học mới xuất hiện gần đõy, tập hợp

cỏc tri thức thuộc lĩnh vực điều khiển phối hợp nhiều động cơ, tạo thành cỏc

chuyển động đó định

 Nhiệm vụ của Điều khiển chuyển động:

• Sử dụng thiết bị điện - từ (đụi khi: thủy lực, khớ nộn) để tạo mụmen, tạo lực cho cỏc CĐ

• ĐK mụmen, lực thụng qua ĐK dũng, ỏp nhờ thiết bị điện tử cụng suất

• ĐK từng nhỏnh truyền động (TĐ) riờng rẽ

• ĐK từng nhúm TĐ dưới cỏc điều kiện đồng bộ, đồng tốc

1.2 Điều khiển Robot

Rôbôt là một hệ thống phức tạp, tính phi tuyến rất cao Ngay từ khi ra đời hệ

điều khiển rôbôt đã ứng dụng những kỹ thuật mới nhất để tạo ra đợc khả năng thao tác chính xác nhất có thể Lịch sử phát triển rôbốt đã ứng dụng rất nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau đáp ứng đợc khả năng thay đổi tham số, tính phi tuyến cao chỉ có kỹ thuật điều khiển thích nghi Trong đó kỹ thuật điều khiển thích nghi cũng đợc ứng dụng theo các thuật toán khác nhau: Kỹ thuật điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn; điều khiền thích nghi động lực học ngợc;

điều khiển thích nghi theo sai lệch,

Phơng pháp điều khiển động lực học ngợc là chọn luật điều khiển sao cho khử đợc các thành phần phi tuyến của phơng trình động lực học và phân ly

đặc tính động lực học của các thanh nối tiếp đó chọn các tham số bộ điều chỉnh

PI theo điều kiện ổn định Lyapunov để khử sai số giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn và quỹ đạo chuyển động thực Phơng pháp này có thể cho phép các đặc tính tĩnh và đặc tính động cao, tuy nhiên khối lợng tính toán lớn thời gian tính toán lâu do vậy nó bị hạn chế ứng dụng trong thực tế với những hệ yêu cầu độ tác động nhanh

Sơ đồ Hình 1.1 là sơ đồ điển hình của hệ thống điều khiển vị trí, trên sơ đồ thể hiện các vị trí và tốc độ của khớp thờng đợc đo bởi các sensor nh chiết áp, máy phát tốc, các thiết bị mã hoá Các tín hiệu ra đợc đa đến khối điều khiển và khối

điều khiển này tạo ra tín hiệu điều khiển, điều khiển các khớp các cơ cấu dẫn

động làm cho tay máy chuyển động theo quỹ đạo mong muốn

Sơ đồ tổ chức kỹ thuật của Robot.

Tổ chức kỹ thuật của Rôbôt đợc chia thành 4 khối chức năng chính đợc ninh hoạ nh Hình 1.2

Khối A:

Gồm hai thành phần :

 Teach pendant : Có nhiệm vụ thực hiện các quá trình dạy học cho Rôbốt

 Record buttum: Lu trữ và chuyển giao các dữ liệu cảm nhận vật lý trong quá

trình học gọi là “Bộ cảm nhận vật lý” thông qua khối này tín hiệu đặc trng cho

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí

Quỹ đạo đặt

Bộ điều khiển

Hệ thống đo (Các sensor)

Robot

Vị trí tay tại thời điểm t

Tốc độ của khớp

Tín hiệu điều khiển

Σ

Teach Pendent

Record buttum

Forward Kinematic

Inverts Kinematic

Cartesianpo nt storage

Trajectory Phaner

Control

Motor Dymanic

Rôbốt Dynamic

Physical Postion Computer

Block A

Block B

Block D Block C

Hì nh 3.3 Sơ đồ tổ chức kỹ thuật củRôbốt

Hỡnh 1.2

độ dài và toạ độ góc của vị trí đầu và vị trí cuối của quỹ đạo chuyển động đợc cảm nhận

Ví dụ :Giá trị [(θ0,h0);(θf,hf)]

Khối B:

Là khối xử lý của Rôbốt gồm các cụm vi xử lý để giải quyết các vấn đề sau :

 Nhóm Forword Kinematic :Thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở thông số vào (θs,hs) Tức là giải quyết “Bài toán động học thuận”

 Nhóm Cartesian Point Storage: Lu trữ và chuyển giao các kết quả của quá trình giải “Bài toán động học thuận”

 Nhóm Trajectory Planer:Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm đã hoặc cha

“Dạy” để hình thành bộ quỹ đạo chuyển động cần có [Xd(t);Yd(t)] của cơ cấu chấp hành cuối

 Nhóm Invers Kinematic: Giải bài toán động học ngợc tìm ra các thông số

điều khiển [θđ(t),hđ(t)]

Khối C :

Là khối điều khiển bao gồm bộ so sánh cặp giá trị “Đặt –Thực” qua các bộ biến

đổi, khuyếch đại và tín hiệu đầu ra là tín hiệu điều khiển (Theo nguyên tắc NC) Khối D:

Là cơ cấu chấp hành, bao gồm khối nguồn động lực (Mortor Dymanic) các cơ cấu chấp hành (Rôbốt Dymanic) và khối cảm nhận vật lý vị trí trên chúng (Physical position)

Thông qua sự chia ra từng khối theo tổ chức kỹ thuật cho thấy có ba bộ thông số chủ yếu sau :

 Bộ thông số cảm nhận vị trí

 Bộ thông số hình học

 Bộ thông số điều khiển

Nó đợc biến đổi và chuyển liên tục từ nhóm chức năng này sang nhóm chức năng khác (Đợc thể hiện bằng ký hiệu trên hệ thống ) Do đó nhiệm vụ chủ yếu của quá trình thiết kế động học Rôbốt là thiết lập giải bài toán động học thuận và bài toán động học ngợc Kết quả tìm đợc sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đa

ra tín hiệu điều khiển chính xác theo mong muốn

 Phơng trình động lực học.

Để giải quyết bài toán quan hệ giữa lực và vị trí thì cần giải quyết bài toán

động lực học, nói chung bài toán động lực học là rất phức tạp Mọi phơng trình

động học đợc xuất phát từ hai phơng trình cơ sở sau:

Phơng trình động lực học

Đối với biến khớp quay

i i i

L L t

M

θ

∂

∂

− θ

∂

∂

∂

∂

Đố với biến khớp tịnh tiến

i i

L r

L t

∂

∂

∂

∂

L :Là hàm Lagrange của hệ thống

L=K-P K: Là tổng động năng của hệ P: Là tổng thế năng của hệ Xuất phát từ phơng trình Lagrange đối với từng loại khớp ta có một phơng trình trạng thái cho biến khớp riêng, về tổng quát ta gọi biến chung là q, thì khi

đó ta có véc tơ mô men lực là

( )q q h( )qq g( )q H

 Hệ thống thống điều khiển Robot.

Bài toán điều khiển trong Robot.

Bài bài toán điều khiển Rôbốt trong thực tế gặp hai loại bài toán chính là bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh

a) Bài toán điều khiển thô: Là bài toán điều khiển Rôbốt lắp giáp chi tiết trong giai đoạn Rôbốt chuyển động tự do trong không gian, thời kỳ Rôbốt không tiếp xúc động lực

b) Bài toán điều khiển tinh : Là bài toán điều khiển trong giai đoạn lắp ghép Đây là bài toán điều khiển đồng thời vị trí và lực

Trong điều khiển qũy đạo tay Rôbốt thì có hai phơng pháp chính là điều khiển quỹ đạo khớp và điều khiển quỹ đạo tay hai phơng pháp này có những u nhợc điểm sau:

a) Phơng pháp điều khiển quỹ đạo khớp có u điểm là điều khiển trực tiếp

đợc hệ truyền động của khớp, nh điều khiển ω, u…do vậy có thể đảm bảo đợc các giới hạn của hệ thống truyền động Ngoài ra còn có liên quan đến giải bài toán động lực học ngợc đơn giản Nhợc điểm chính của phơng pháp này là vì

điều khiển gián tiếp vị trí của tay lên điều khiển có độ chính xác không cao

b) Điều khiển quỹ đạo tay: Có u điểm nổi bật là cho phép điều khiển chính xác quỹ đạo tay nhng có nhợc điểm là khối lợng tính toán lớn, đôi khi khó

đảm bảo một số điềm kiện nh về gia tốc mômen…

Mô hình toán học của Robot.

1 Mô hình toán học của Robot.

Để giải bài toán điều khiển rôbốt cần phải xây dựng mô hình toán học của Rôbốt Mô hình toán học dạng tổng quát của Robot có dạng sau:

( )θ θ

θ θ θ

D









 +













= 1, 2 . • •1,•2

Trong đó :M :Véc tơ mô men của lực khớp

[M1 M2 Mn]

q :Véc tơ biến khớp

[θ θ θn]

θ = 1 2 .









 •

θ

θ

θ , H ,

( )θ

G :Ma trận mô men trọng lực

2 Mô hình toán học của hệ thống truyền động.

Hệ thống truyền động của Robot phổ biến hiện nay gồm hai dạng chính sau:

Hệ truyền động thuỷ lực ,khí nén

Hệ truyền động điện (Dùng động cơ xoay chiều hoặc động cơ một chiều làm nguồn động lực )

Sơ đồ cấu trúc của một khớp Rôbốt đợc mô tả dạng đơn giản nh hình 3.5

Trong đó :

• JĐ:Mô men quán tính của động cơ

• JT:Mô men quán tính của khớp

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc của một khớp Rôbốt

θĐ

M

T , θT

J T

JĐ

MĐ

• i:Tỷ số truyền hộp tốc độ

• η:Hiệu suất bộ truyền

Bài toán điều khiển vị trí là một bài toán quan trọng điều khiển Rôbốt để giải quyết bài toán này thì cần giải hai bài toán cơ bản là bài toán thiết kế quỹ

đạo và bài toán xác định luật điều khiển sẽ dùng trong đó Trong điều khiển Rôbốt thờng sử dụng các luật điều khiển (bộ điều khiển có phản hồi P, PI, PID,…

và luật điều khiển theo mô men tính toán

PHẦN 2

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

CHO ROBOT HAI KHÂU

2.1 Động lực học robot hai khâu

Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng

nh tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động Việc nghiên cứu động lục học rôbôt thờng giảI quyết hai nhiệm vụ sau đây:

1 Xác định mô men và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động khi

đó quy luật biến đổi của biến khớp coi nh đã biết

2 Xác định các sai số động tức là sai lệch so với quy luật chuyển động theo chơng trình Lúc này cần khảo sát phơng trình chuyển động của rôbôt có tính đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu

đối với các khâu khớp của rôbôt, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt chúng ta phảI kể đến các hiệu ứng trọng trờng, hiệu ứng quán tính, hiệu ứng tơng hỗ, hiệu ứng ly tâm…

Vị trí robot hai khâu là đối tợng có nhiều đầu vào đầu ra (Hệ MIMO) có tính phi tuyến mạnh vì vậy cần xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí Thông thờng

điều ta biết là các vị trí và hớng mà ta muốn robot phải dịch chuyển tới và điều ta cần biết là nối quan hệ giữa các hệ t trung gian

trung gian để phối hợp tạo ra chuyển động của robot, hay nói cách khác đó chính là giá trị của các biến khớp ứng với mỗi toạ độ và h ớng− của khâu chấp hành cuối hoặc công cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, muốn vậy ta phải giải hệ

ph ơng− trình động học của robot

Sơ đồ động học robot đợc minh họa nh hình 2.1, phơng trình động học vào ra hai khâu có dạng nh sau:

2

2

2

22 2 2

( )

m c

+

&& & &&

&& &

2

1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12

t t

G m g c C m g l C c C m g l C l C

G m g c C m gl C C cos S sin

Hình 2.1 sơ đồ động học robot hai khâu

Trong đó : là vị trí của khâu thứ nhất và khâu thứ hai; G1,G2 là mômen điều khiển khâu thứ nhất và khâu thứ hai; Jt,mt mô men quán tính và khối lợng của phụ tải nhng yêu cầu không tải nên Jt= 0,mt= 0 Do đó:

•Bảng thông số DH của tay máy này như sau:























=

1 0 0 0

0 1 0 0

cos 0

cos sin

cos 0

sin cos

)

1 1 1

1 1

1

θ θ

θ

θ θ

θ

l A























=

1 0

0 0

0 1

0 0

cos 0

cos sin

cos 0

sin cos

)

2 2 2

2

2

2

θ θ

θ

θ θ

θ

l A

























=

=

1 0 0 0

) ( ) ( 1 2 2

1

2

x z z z

y y y y

x x x x

p a o n

p a o n

p a o n A

A

























+ +

+ +

+ +

+

− +

=

1 0

0 0

0 1

0 0

) sin(

sin 0

) cos(

) sin(

) cos(

cos 0

) sin(

) cos(

2 1 2 1 1 2

1 2

1

2 1 2 1 1 2

1 2

1

2

θ θ θ

θ θ θ

θ

θ θ θ

θ θ θ

θ

l l

l l

T

2.2 M« pháng trªn matlab/simulink

Thực hiện mô phỏng với các giátrị ban đầu của các thông số robot hai khâu trên Matlab matlab/simulink: m1= 6,5225Kg, m2=2,0458Kg, l1= 0,26m, lc1= 0,0983m, l2= 0,26m, J1= 0,1213Kg.m2, J2= 0,1213Kg.m2, lc2= 0,0983m,

g=9,81m/s

Sơ đồ mô phỏng G1, G2, D11, D22, D12, H nh sau:

 Mụ phỏng

Hình 2.2 Sơ đồ mô phỏng G1 trên matlab/simulink

 Mụ phỏng

Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng G2 trên matlab/simulink

Hình 2.4 sơ đồ mô phỏng H trên matlab/simulink

 Mụ phỏng

Hình 2.5 sơ đồ mô phỏng D11 trên matlab/simulink

 Mô phỏng

 Mô phỏng

Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Dương Lớp K12-TĐH 16

PHẦN 3

KẾT LUẬN

Hình 2.7 sơ đồ mô phỏng D12 trên matlab/simulink

Trên đây em đã trình bày khái quát về điều khiển chuyển động như khái niệm về điều khiển chuyển động, nhiệm vụ của điều khiển chuyển động, và giới thiệu tổng quan về điều khiển robot

Trong phần hai em đã xây dựng được bảng thông số D-H và các ma trận T1,T2 cho cấu trúc điều khiển vị trí của Robot Trên cơ sở sử dụng phần mềm Matlab-Similink em đã mô phỏng các phương trình động học của Robot

Do trình độ nhận thức của em còn những hạn chế nhất định nên bài viết không tránh khỏi những thiếu sót cần được bổ xung và hoàn chỉnh Em rất mong nhận được

sự hướng dẫn, đóng góp ý kiến chỉ bảo của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển để

em tiếp tục nâng cao nhận thức về đề tài này.

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, Ngày 17 tháng 05 năm 2011.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Như Hiển - Bài giảng điều khiển chuyển động - Đại học kỹ thuật

công nghiệp Thái Nguyên

[2] Phạm Đăng Phước – Robot công nghiêp Đại học Bách khoa TP Hồ Chí

Minh

[3] Nguyễn Doãn Phước – Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB Khoa học kỹ

thuật Hà Nội (2003)

[4] Nguyễn Phùng Quang – Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự

động

[5] Hoàng Minh Sơn- [2] Bela G Liptak: Instrument Engineer’s Handbook:

Process Control

[6] Michael L Luyben, William L Luyben - Essentials of Process Control

[7] Và một số trang web: - http://www.tailieu.vn

- http://www.cdtvn.net

- http://www.scribd.com/