Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động tay máy hai bậc tự do

Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu năm 1921 để chỉ một nhân vật viễn tưởng có khả năng làm việc mềm dẻo nhưng khỏe gấp nhiều lần con người.Nhân vật đó đã thực hiện vào năm 1960 và năm 1961. Robot công nghiệp đã được ứng dụng trong công nghiệp, trong dây chuyền sản xuất với mức độ tự động hóa cao. Robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng trong việc giảm cường độ lao động cho người lao động, tăng năng xuất và độ chính xác gia công, góp phần tăng chất lượng, số lượng, giảm giá thành sản phẩm. Luận văn với đề tài: “ Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động tay máy hai bậc tự do” có nội dung phân tích, thiết lập mô hình toán học, phân tích cấu trúc điều khiển mờ, mô phỏng hệ thống tay máy hai bậc tự do trên Matlab – Simulink. Luận văn được trình bày thành 4 chương được xắp xếp theo trình tự hợp lý, có nội dung cơ bản trong lĩnh vực robot công nghiệp. Trình tự như sau: Chương I – Robot và các ứng dụng của robot trong công nghiệp: Trình bày một cách tổng quan về lịch sử phát triển, các đặc tính của robot và ứng dụng của robot trong công nghiệp. Chương II – Phương trình động lực học robot : Trình bày phương trình động học thuận robot, phương trình động học ngược robot, phương trình động lực học robot Chương III – Một số phương pháp điều khiển robot : Trình bày về các phương pháp điều khiển robot truyền thống và điều khiển thông minh. Trình bày tổng quan về điều khiển mờ và ứng dụng trong điều khiển. Chương IV – Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động của tay máy hai bậc tự do và mô phỏng Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về những hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn Ths.Nguyễn Đức Dương. Em xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp bạn bè và gia đình đã đóng góp động viên em hoàn thành luận văn này. Tuy đã dành rất nhiều thời gian để thực hiện, nhưng do kiến thức còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn và mong nhận được sự góp ý của các thầy cô

1

LỜI NÓI ĐẦU

Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu năm 1921 để chỉ một nhân vật viễn tưởng có khả năng làm việc mềm dẻo nhưng khỏe gấp nhiều lần con người.Nhân vật đó đã thực hiện vào năm 1960 và năm 1961 Robot công nghiệp đã được ứng dụng trong công nghiệp, trong dây chuyền sản xuất với mức độ tự động hóa cao Robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng trong việc giảm cường độ lao động cho người lao động, tăng năng xuất và độ chính xác gia công, góp phần tăng chất lượng, số lượng, giảm giá thành sản phẩm

Luận văn với đề tài: “ Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động tay máy hai bậc tự do” có nội dung phân tích, thiết lập mô

hình toán học, phân tích cấu trúc điều khiển mờ, mô phỏng hệ thống tay máy hai bậc tự do trên Matlab – Simulink

Luận văn được trình bày thành 4 chương được xắp xếp theo trình tự hợp

lý, có nội dung cơ bản trong lĩnh vực robot công nghiệp Trình tự như sau: Chương I – Robot và các ứng dụng của robot trong công nghiệp: Trình bày một cách tổng quan về lịch sử phát triển, các đặc tính của robot và ứng dụng của robot trong công nghiệp

Chương II – Phương trình động lực học robot : Trình bày phương trình động học thuận robot, phương trình động học ngược robot, phương trình động lực học robot

Chương III – Một số phương pháp điều khiển robot : Trình bày về các phương pháp điều khiển robot truyền thống và điều khiển thông minh Trình bày tổng quan về điều khiển mờ và ứng dụng trong điều khiển

Chương IV – Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động của tay máy hai bậc tự do và mô phỏng

2

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về những hướng dẫn tận tình của

thầy giáo hướng dẫn Ths.Nguyễn Đức Dương Em xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử - Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp

bạn bè và gia đình đã đóng góp động viên em hoàn thành luận văn này

Tuy đã dành rất nhiều thời gian để thực hiện, nhưng do kiến thức còn hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn và mong nhận được sự góp ý của các thầy cô

Hà Nội, ngày 16 tháng 06 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Tuyển

3

CHƯƠNG I: ROBOT VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA

ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 ROBOT CÔNG NGHIỆP

Do nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất.Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ, và về tính năng v.v…Điều này dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek.Trong đó ông đã mô tả một nhân vật có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người Sự phát triển phát triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó

Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa

là hai công nghệ quan trọng trong sự phát triển của robot Điều khiển được phát triển cho máy công cụ vào cuối năm 1940, đầu năm 1950 Năm 1952, Viện Massachusetts (MIT, Mỹ) đã trình diễn máy phay ba trục điều khiển số Lĩnh vực điều khiển từ xa lien quan đến việc sử dụng cơ cấu điều khiển xa (Teleoperator) Đó là một cơ cấu cơ khí thực hiện chuyển động ở khoảng cách

xa dưới sự điều khiển của con người Các cơ cấu tự động này được chế tạo và

sử dụng để mang vác các vật chất độc hại như chất phóng xạ vào những năm

1940

Robot được định nghĩa các khía cạnh khác nhau Robot được coi là một tay máy có một vài bậc tự do, có thể được điều khiển bằng máy tính Một định nghĩa khác về robot công nghiệp hiện nay được chấp nhận là: Robot

4

công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp từ con người Hiệp hội những nhà chế tạo – nhà sử dụng đưa ra định nghĩa robot như sau: Robot là một thiết bị có thể thực hiện các chức năng bình thường như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh để có được trí tuệ như con người Trong Bách khoa toàn thư mới (phiên bản 7.0 1995) viết:

“ Robot có thể định nghĩa là một thiết bị điều khiển hoàn toàn bao gồm các bộ phận điện tử, cơ khí…”

Các xu thế phát triển Robot công nghiệp

- Trong giai đoạn đầu phát triển người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị nhiều loại cảm biến (sensor) để có thể thực hiện được những công việc phức tạp

- Khi tìm được các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp thì đơn giản hóa kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tư lại là những yêu cầu thực tế đối với thì trường hàng hóa cạnh tranh Ngày càng có nhiều cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của thiết

bị điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình

- Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp nhằm thay thế lao động nhiều loại công việc ngày càng rõ nét về xu thế tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc, các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ thuật xử lý ảnh…

- Cùng với các xu thế trên, robot công nghiệp luôn luôn được định hướng tăng cường xử lý công việc để trở thành các robot tinh khôn nhờ các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển Nơ ron, điều khiển mờ và trí khôn nhân tạo… Robot hiện đại là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển số và cơ cấu tự động điều khiển từ xa Thực vậy, robot là một cơ cấu cơ khí với chuyển động được điều khiển bằng lập trình tương tự như đã sử dụng trong các máy điều khiển số Cyril Walter Kenward (Anh) là một nhà phát minh đầu tiên đã dăng

5

ký bản quyền cho thiết bị robot vào tháng 3/1954 và phát minh của ông được thực hiện vào những năm 1957 Người thứ hai là nhà phát minh George C.Devol (Mỹ) đã có hai phát minh góp phần vào sự phát triển của robot hiện đại ngày nay Đó là một thiết bị ghi các tín hiệu điện bằng từ hóa và sử dụng cho điều khiển các máy Thiết bị này được chế tạo và công bố vào những năm

1952 Phát minh thứ hai là “ Thiết bị truyền bài báo được lập trình” được công bố vào năm 1961 Với sự hợp tác nghiên cứu của Joseph Engelberger là chủ tịch Công ty Unimate và G.C.Devol, robot Unimate là robot công nghiệp đầu tiên được sản xuất trên thị trường năm 1962 ở Mỹ

Những năm sau đó, nhiều đóng góp giá trị về ngôn ngữ lập trình cho robot đã dánh dấu những bước phát triển quan trọng của robot hiện đại Đó là công trình nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng cho robot của viện nghiên cứu robot Stanford: Ngôn ngữ thực nghiệm WAVE (1973) và ngôn ngữ AL (1974) Ngôn ngữ VAL của công ty Unimate là ngôn ngữ lập trình robot thương mại đầu tiên

1.2 CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH ROBOT CÔNG NGHIỆP

- Cánh tay robot

- Khớp robot

Vì thế, tay máy có thể là một cơ cấu phẳng hay không gian Tay máy có nhiều bậc tự do có khả năng thực hiện các thao tác trong mặt phẳng hoặc không gian với một phạm vi nhất định Không gian hoạt động của tay máy còn được gọi là trường hoạt động của tay máy

Tùy thuộc vào yêu cầu từng loại robot mà người ta thường đưa ra các thông số kỹ thuật để đánh giá khả năng hoạt động của robot Một số thông số

cơ bản thường gặp của robot:

- Tải trọng: khả năng mang tải của robot

- Trường hoạt động của robot: là phạm vi không gian mà khả năng robot

Bộ phận dẫn động của robot thông thường là các động cơ:

- Động cơ điện một chiều

- Động cơ điện xoay chiều

- Động cơ bước

Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ cung cấp một chuỗi logic cho chương trình vận hành tay máy Ngoài ra bộ điều khiển còn có nhiệm vụ giải quyết các bài toán lý thuyết cần cho mỗi bước của chương trình và lien tục đo đạc,

xử lý sai số giữa vị trí thực của robot và các tọa độ tính toán trong quá trình chuyển động dưới dạng: điểm – điểm, hoặc theo một quỹ đạo liên tục

- Động học thuận: có chức năng thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở tham số đầu vào bao gồm góc quay và độ dịc chuyển tịnh tiến của các biến khớp

Lưu trữ và chuyển giao: có chức năng tiếp nhận và chuyển giao các kết quả vừa giải ra động học thuận robot Cụm lập trình có chức năng lập trình để sao cho quỹ đạo của robot đi qua các điểm đã định trước hay thực hiện trọn vẹn quỹ đạo do yêu cầu đặt ra

1.2.4 Cảm biến

Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: cảm biến trạng thái bên

8

trong và cảm biến trạng thái bên ngoài Cảm biến trạng thái bên trong có chức năng đo lường các biến, tham số như: vị trí hay tốc độ khớp được sử dụng cho các mạch trong hệ thống điều khiển robot Cảm biến trạng thái bên ngoài sẽ

đo lường các biến khoảng cách, mức, tiếp xúc

Sử dụng cảm biến bên ngoài cho phép robot tiếp xúc với môi trường một cách mềm dẻo và thông minh hơn Với các cảm biến bên ngoài, các robot có thể nhìn và cảm giác để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong khi cần ít các

cơ cấu điều khiển hơn các robot được lập trình sẵn Đồng thời robot cũng có khả năng thích nghi với các công việc khác nhau, đạt được độ vạn năng cao hơn

1.3 ĐẶC TÍNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.3.1 Tải trọng

Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng đinh mức nhiều, nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức Tải trọng cảu robot thông thường rất nhỏ so với trọng lượng của robot Ví dụ: Robot LR mate của hãng Fanuc có trọng lượng 40kg chỉ mang được tải trọng 3kg, robot M-16i c0s trọng lượng 269kg mang được tải trọng 18.5 kg

1.3.2 Độ phân giải không gian

Độ phân giải không gian là gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi

di chuyển trong không gian Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và độ chính xác cơ khí Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển robot:

Số bước di chuyển = 2n

Với n là số bít bộ nhớ

Độ chính xác sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay robot Phạm vi di chuyển càng xa bệ robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác cơ khí càng lớn Độ chính xác của robot sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robot được giới hạn trong phạm vi cho phép Tải trọng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm

độ chính xác di chuyển

Độ lặp lại

Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động ( Ví dụ: 100 lần ) Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan tronhj hơn độ chính xác Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định

có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình Nhưng sai số ngẫu nhiên khó có thể khử được Độ lặp lại cần phải được xác định bằng thực nghiệm với tải trọng và các hướng di chuyển khác nhau( phương thẳng đứng

độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc có tải

1.4 PHÂN LOẠI ROBOT

1.4.1 Phân loại theo không gian hoạt động của tay máy

Không gian hoạt động của tay máy là không gian mà bàn tay của tay máy có thể với tới được Để tìm không gian hoạt động của tay máy trước hết phải gắn tay máy với một hệ trục tọa độ và lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn bao gồm:

Không gian làm việc của tay máy là một mặt cầu với cấu trúc RR

Không gian làm việc của tay máy là một khối cầu với cấu trúc RRR hay RRP

Không gian làm việc của tay máy là một khối trụ với cấu trúc RPP

Không gian làm việc của tay máy là một khối lăng trụ với cấu trúc PPP Trên đây chỉ là giới thiệu một số cấu trúc đơn giản và không gian hoạt động của tay máy Ngoài ra với những cấu trúc khác nhau của tay máy ta sẽ nhận được những không gian hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của từng tay máy

Ngày nay người ta còn chế tạo các laoij robot với trường công tác của nó rộng hơn, để đáp ứng các thoa tác ngày càng khéo léo, tinh vi

Trong không gian hoạt động của tay máy nhiều trường hợp đòi hỏi bàn tay máy phải thực hiện tại các điểm nhất định hoặc di chuyển theo một quỹ đạo nhất định Vì vậy, việc điều khiển robot hoạt động trong trường công tác của nó cũng được tiến hành dựa trên nguyên tắc: điều khiển điểm và điều khiển theo quỹ đạo liê tục

Hiện nay người ta còn đặt nhiều hệ tọa độ trung gian cũng như các hệ tọa

độ mở rộng khác để số bậc tự do không bị hạn chế trong khuôn khổ cá khớp

đã nêu ở trên như: PPP, PPR, RRR

Khi số bậc tự do của robot tăng lên, độ linh hoạt của robot cũng cao hơn

và thỏa mãn tốt hơn các yêu cầu đề ra, tuy nhiên các giải pháp kỹ thuật kèm theo cũng sẽ phức tạp hơn, giá thành chế tạo robot cao hơn

Hệ thống điều khiển hở có các ưu điểm:

- Cấu tạo đơn giản

- Giá thành thấp

- Độ bền và độ tin cậy cao

Nhược điểm của bộ điều khiển hở là thiếu chính xác, tín hiệu đầu ra có nhiều khả năng bị sai lẹch so với yêu cầu Hệ thống điều khiển hở không có khả năng tự động phát hiện và điều chỉnh sai số của cơ cấu chấp hành Vì thế điều khiển hở chỉ dung trong trường hợp yêu cầu độ chính xác thấp

13

Trên cơ sở của hai hệ thống điều khiển hở và kín người ta kết hợp lại thành hệ thống điều khiển hỗn hợp Qua sơ đồ nguyên lý cho thấy từ hệ thống

dữ liệu, tín hiệu được truyền qua khối điều khiển, khối điều khiển điều khiển

bộ phận động lực hoạt động, thông qua bộ chương trình làm cho tay máy và

bộ phận chấp hành hoạt động

Thế hệ điều khiển hỗn hợp được sử dụng rộng rãi để điều khiển Ngoài

ra còn có bộ phận kiểm tra nhờ vào hệ thống cảm biến để phát hiện sai số của các thông số điều khiển Trong trường hợp xuất hiện những sai lệch thì hệ thống điều khiển có chức năng điều chỉnh để sao cho thỏa mãn thông số yêu cầu đối với robot hiện nay

Có ba nguyên tắc điều khiển cơ bản:

- Điều khiển tự do và điều khiển tương tác với đối tượng

- Điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian làm việc

- Điều khiển phân tán và điều khiển tập trung

Cách phân loại trên đây chủ yếu dựa vào tính chất đặc trưng của quỹ đạo điều khiển Về mặt kỹ thuật điều khiển đối với robot người ta vẫn áp dụng điều khiển theo chương trình số NC Ngoài ra do tính năng kỹ thuật đặc biệt của robot, vấn đề điều khiển thường gắn với kỹ thuật đều cảm nhận thông qua

bộ cảm biến

Trong điều khiển robot người ta thường quan tâm đến việc điều khiển tọa độ điểm cuối của khâu chấp hành Tọa độ điểm cuối có thể phải di chuyển theo một quỹ đạo định trước gọi là điều khiển theo quỹ đạo Trường hợp thứ hai yêu cầu tọa độ điểm cuối của bộ phận chấp hành phải di chuyển lần lượt theo các điểm định trước gọi là điều khiển điểm

1.4.3 Phân loại theo hệ thống truyền động

1.4.3.1 Hệ thống truyền động gián tiếp

14

Khi các khâu của robot truyền động khi được dẫn động từ một động cơ rồi truyền qua một hệ thống bao gồm một hoặc một số các bộ truyền thường dung trong kỹ thuật

Hệ thống truyền động gián tiếp trong các robot thường sử dụng các bộ truyền như: bộ truyền bánh răng, bộ truyền trục vít, bộ truyền xích, bộ truyền đai, bộ truyền vít - đai ốc…

rộng

1.5 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.5.1 Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp

Mục tiêu ứng dụng của robot công gnhieepj là để thay thế từng phần hoặc toàn bộ lao động nặng nhọc của con người hoặc thay thế con người khi phải làm việc trong những điều kiện kỹ thuật, môi trường đặc biệt, đồng thời góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm của robot:

- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế, robot góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

- Khả năng giảm giá thành của sản phẩm do ứng dụng robot

15

- Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ

- Ứng dụng của robot cải thiện môi trường lao động

1.5.2 Tình hình ứng dụng của robot công nghiệp trên thế giới

Nhìn chung việc sử dụng robot ở các nước công nghiệp phát triển như Nhật, Mỹ, Đức… rất phổ biến và tốc độ phát triển hàng năm rất nhanh.Theo thống kê chưa đầy đủ, tỷ lệ phân bố phạm vi ứng dụng robot công nghiệp trong ccs lĩnh vực như sau: oto 31%, thiết bị điện 16%, dầu khí và thực phẩm 16%, hóa thực phẩm 12%, thiết bị viễn thông 8%, máy công cụ 6%, kim khí 4% và các nghành khác chiếm khoảng 20%

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thuộc các nghành tạo

ra bước nhảy vọt về các loại hình robot trên thế giới Hiện nay, có nhiều loauij robot thông minh, loại robot này có các giác quan nhận thức như con người Ngoài ra, ngày càng có nhiều robot siêu nhỏ dung trong y học để quan sát chụp các bộ phận bên trong cơ thể con người Trong tương lai không xa sẽ xuất hiện nhiều loại robot có khả năng phục vụ gia đình

1.5.3 Ứng dụng của robot công nghiêp

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống của con người, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác

Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải

có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn Ngày nay ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để

16

phục vụ các máy đúc áp lực Robot có thể làm được nhiều việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên

Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công nghiệp Trong phân xưởng rèn, robot có thể thực hiện những công việc: đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng xuất lao động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn

Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp

Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn Nhiệm

vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng

hệ thống có liên hệ phản hồi Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và điều chỉnh Ngoài robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong môi trường đặc biệt

Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp giáp Thường

17

thường người ta sử dụng robot vào các việc thóa lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…

Nói chung ứng dụng của robot chủ yếu trong các lĩnh vực sau:

- Phục vụ máy NC và các hệ thống tự động linh hoạt

18

CHƯƠNG II : PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC

HỌC ROBOT 2.1 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT

Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hướng tay của robot.Ta sẽ xây dựng hệ phương trình mô tả động học cấu hình robot và sử dụng hệ phương trình này sẽ tính toán được vị trí và hướng của tay robot

Hình 2.1 Cấu trúc động học của tay máy hai khâu hai bậc tự do

Trong đó: 1, 2 : Góc quay của từng khâu

l1, l2 : Chiều dài của hai khâu

lg1, lg2 : Chiều dài từ trục quay đến trọng tâm của từng khâu

m1, m2 : Khối lượng toàn bộ của mỗi khâu

J1 , J2 : Mômen quán tính của mỗi khâu

mt , Jt : Khối lượng tải và mômen quán tính của tải

g1, g2: trọng tâm của mỗi khâu

19

Hệ tọa độ {O1 } là hệ tọa độ { O0} sau phép quay góc θ1 quanh trục Z0

và tịnh tiến đoạn l1 trên trục X0

Hệ tọa độ { O2} là hệ tọa độ {O1 } sau phép quay góc θ2 quanh trục Z1 và tịnh tiến đoạn l2 trên trục X1 Đây là hệ tọa độ gắn với tay kẹp – khâu tác động cuối cùng

Hình 2.2 Hệ trục tọa độ

2.1.2 Bảng thông số D – H ( Denavit – Hartenberg) :

Thực hiện phép biến đổi đồng nhất dựa trên hệ tọa độ thanh nối (Denavit - Hartenberg) mối quan hệ giữa hệ toạ độ tay Robot (End effector)

và hệ toạ độ các khớp (Joints) đƣợc xác định nhƣ sau

d1

00

sθacθ

cθsθ

cθasθ

sθcθ

Ai

i

i i i

i i

i i i

i i i

1

i

s c

s c

0100

sθl0cθsθ

cθl0sθcθ

1 1 1

0100

sθl0cθsθ

cθl0sθcθ

2 2 2

00

01

00

θθslsθl0θ

θcθ

θs

θθclcθl0θθsθ

θc

2 1 2 1 1 2

1 2

1 E

paon

paon

paon

z z z z

y y y y

x

· x x x

(2-2)

Với : cθ1θ2cosθ1θ2 ; sθ1θ2sinθ1θ2 ;

P là điểm thuộc hệ toạ độ gắn với tay robot, có vị trí được xác định bằng vectơ cột thứ tư của 0TE

Từ (2-2) ta được phương trình động học thuận biểu diễn mối quan hệ giữa hệ tọa độ tay Robot và hệ tọa độ các khớp :

)θcos(θl

cosθlx

T

2 1 2 1 1 T

2 1 2

1 1 T

(2-3)

2.2 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT

Bài toán động học ngược sẽ tính toán các góc quay của các khớp hoặc độ

dịch chuyển của khớp tịnh tiến tương ứng với vị trí và hướng của tay

robot.Nghĩa là sẽ tính toán các giá trị biến khớp cần thiết để đặt tay robot ở vị

paon

paon

paonT

z z z z

y y y y

x

· x x x

E 0

0100

sl0c

s

cl0sc

1000

0fff

0fff

0fff

2 2 2

2

2 2 2

2

33 32 31

23 22 21

13 12 11

θθ

θ

θθ

paon

paon

paon

*1000

0100

00cθsθ-

l-0sθcθ

1000

ffff

ffff

ffffT

*

A

z z z z

y y y y

x

· x x x 1

1

1 1

1

34 33 32 31

24 23 22 21

14 13 12 11

E 0

00

pa

on

cpspc

asac

osoc

nsn

lspcpsacas

ocos

ncn

z z

z z

1 y 1 x 1

y 1 x 1 y 1 x 1 y 1 x

1 y 1 x y

1 x y

1 x 1

y 1 x

θθ

θθ

θθ

θθ

θθ

θθ

θθ

θθ

2 2 14

sθlf

cθlf

2 2 1 1 y 1 x

sθlcθpsθp

cθllsθpcθ

; p x

1 θ s θ c

y x

2

2 2 2

Bình phương hai vế của hai phương trình trong (2-6) và cộng vế ta có:

)l(l)y(x

)l(l)y(x2)lly(xtgθl

2l

)l(l)y(x

2

2 1 2 2

4 2

4 1 2 2 2 2 2 2

2 1 2 2 2 2

1

2 2

2 1 2 2

)l(l)y(x2)lly(xk

2 2

2 1 2 2 2

4 2

4 1 2 2 2 2

2 2

2 1 2 2 1

Ta có :

θ2atan2(k1,k2) (2-8) Thay (2-7) vào (2-6) ta được:

1

2 2

2 1 2 2 1 1

2l

llxyysθ

Giải ra ta có:

)k,atan2(kx)

atan2(y,

Trong đó:

) l (l ) y (x

2

2 1 2

2

Vậy phương trình động học ngược của hệ đã cho được biểu diễn dưới dạng

,(2tan

2 1 2

3 1 1

k k a

k k a

x y a

) l (l ) y (x k

) l (l ) y (x 2 ) l l y (x k

2 2

2 1 2

2 3

2 2

2 1 2

2 2

4 2

4 1 2 2 2 2

2 2

2 1 2 2 1

2.3 XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC

2.3.1 Bài toán động lực học

Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc với môi trường sẽ sinh ra một lực cần thiết để di chuyển vật và thực hiện công việc, ví dụ: robot lắp ráp mang một chi tiết đến vị trí định trước lắp ráp vào một chi tiết máy khác

Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể theo quan hệ sau: Fm a

Tương tự mômen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thể là:

a J



 M

Để làm khớp robot di chuyển tịnh tiến hoặc quay, cơ cấu chấp hành cần sinh ra một lực hoặc mômen đủ lớn Mối quan hệ giữa lực, mômen của các khớp với vị trí, tốc độ và gia tốc được biểu diễn trong phương trình chuyển động, còn gọi là phương trình động lực học Trong phương trình động lực học, sẽ tính được lực, mômen cần thiết để khớp robot có thể chuyển động được với tốc độ và gia tốc mong muốn Phương trình động lực học cũng được

sử dụng cho đánh giá ảnh hưởng của khối lượng tải đối với các chuyển động của robot Giải phương trình động lực học sẽ nhận được các chuyển động của robot với các đầu vào là lực và mômen của các khớp, là cơ sở cho thiết kế hệ

24

thống điều khiển robot Ta sẽ sử dụng phương pháp Lagrange để xây dựng phương trình động lực học

2.3.2.Phương trình Lagrange

Trong phương trình Lagrange, các biến tọa độ tổng quát sẽ được sử dụng

để xác định duy nhất vị trí của vật Phương trình Lagrange sẽ nhận được từ phương trình Niutơn

Giả sử hệ thống gốm n phần tử vật chất với n bậc tự do mô tả bởi các biến tọa độ tổng quát q1, q2,…,qn( đối với chuyển động khớp quay, tọa độ tổng quát là góc quay của khớp qi = θi ; đối với khớp chuyển động tịnh tiến, tọa độ tổng quát là độ di chuyển qi = di ) Một véctơ vị trí trong không gian 3 chiều X  đối với mỗi phần tử vật chất Pµ được ký hiệu là:

X Xq1,q2, ,q n,t (2-11) Khối lượng của mỗi phần tử vật chất Pµ là mµ và lực đặt lên Pµ là Fµ, phương trình chuyển động Niutơn có dạng:

F X X , qi = 1, 2, …, n (2-13) Mặt khác từ phương trình (2-11) ta có:

t i n

t i

q

K q

K d

d Q

q F Q

Sử dụng các biểu thức (2-16) và (2-18), sau một phép biến đổi, phương trình chuyển động Lagrange được viết như sau:

26

i i

t ib

q

L q

K d

d Q

2

12

27

Đối với thanh nối 1, động năng đƣợc tính nhƣ sau:

2 1 1

2 1

2 1 1 1

2

12

sin(

1 2

cos(

1 2

2

v

)(

cos2

)

2 2

2 1

2 1

2 2 2

2

12

28

2 2 1 2 2

1

2 1 2 2 1

2 2 1

2 2

2 1

2 1

2

1)(

cos2

)(

12

1

2 1

2 1 2 2

1

2 2 1

2 2

2 1

2 1 2

2 1 1

2 1

2 1

m L

sin(

2

1

2 1 2 1 1 2 1 1 1 2 1

1

2 2 2

1 2 2 2

1

2 2

2 1 2 1

2 1 1 1

2sincos

cos2

g

g g

g

l l m J

l l l m

J l

l l

l m J l m

L dt

29

 2 22 1 2 2 2 1 2 22 2 2 21 2 2 1 2 2

sin)

()

d

(2-34)

2

2 1 2 1 2 1 2 2 1 2

2 2

sin)

m

L

(2-35) Momen của khớp 1 và 2 đƣợc tính theo công thức:

i i

ib

q

L q

L dt

d Q

2 1 2 2

1

m l l g  m gl g (2-36)

Momen của khớp 1 và 2 đƣợc viết ở dạng rút gọn nhƣ sau:

1 2 1 112

2 2 112 2 12 1 11

M           (2-37)

2

2 1 211 2 22 1 21

1

2 2

2 1 2 1

2 1 1

11 m l g J m l l g 2l l g cos l g

2 2 2 21

12 H m l l l cos J

2

2 2 2

22 m l J

2 2 1 2 211

112

122 h h -m l l g sin

g2 m2gl g2 12 (2-38f) Biểu thức (2.27) và (2.28) là các phương trình động lực học của cơ cấu robot 2 thanh nối Phương trình động lực học robot 2 thanh nối có thể viết ở dạng phương trình ma trận sau:

1 211

2 1 122

2 2 122 22

21

12 11

;

;

g

g G h

h h

V H H

H H H

211

2 122 2 112 1 122

h C

Để phân tích ý nghĩa của các thành phần momen của phương trình động lực học ta viết phương trình (2-27) và (2-28) ở dạng đầy đủ như sau:

H là momen ở khớp 1 gây ra bởi gia tốc của khớp 1

với H11 là momen quán tính có hiệu quả của khớp 1

3.1.ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THỐNG

Các phương pháp điều khiển truyền thống được chia ra làm hai phần lớn

là điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian làm việc Điều khiển trong không gian khớp thì quỹ đạo chuyển động không gian khớp mô tả diễn biến theo thời gian của các biến khớpi Khi xây dựng một

hệ thống điều khiển phải đảm bảo điều khiển Robot chuyển động chính xác bám theo đúng quỹ đạo đặt ra Tín hiệu đặt là quỹ đạo chuyển động biểu diễn

vị trí khớp theo thời gian, và sai lệch điều khiển là sai lệch vị trí khớp

Điều khiển chuyển động trong không gian làm việc dựa vào sự so sánh quỹ đạo yêu cầu của khâu tác động cuối với quỹ đạo thực, được xác định từ các giá trị thực của các biến khớp Như vậy trong sơ đồ điều khiển cần có các khâu chuyển đổi sai số quỹ đạo trong không gian làm việc thành giá trị của các biến khớp

Ưu điểm chung: Các phương pháp điều khiển truyền thống đều khử được các thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của thanh nối, đảm bảo được độ chính xác, triệt tiêu sai lệch, vẫn đảm bảo được yêu cầu chuyển động của robot

33

Nhược điểm chung: Các phương pháp điều khiển truyền thống có những nhược điểm lớn là phải biết được chính xác các thông số động lực học, phụ thuộc vào những giá trị tính toán của các bộ tham số tính toán k ,k ,k Hơn p d inữa, luật điều khiển này liên quan đến các phép toán trung gian, nên phải thực hiện các phép nhân vectơ và ma trận phụ, khối lượng tính toán lớn dẫn đến thời gian tính toán lớn đồng thời khả năng chống nhiễu của phương pháp này còn hạn chế

Hình3.1: Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp

3.1.1 Phương pháp mômen tính toán

Phương pháp momen tính toán rất phổ biến trong kỹ thuật điều khiển robot hiện đại Mục đích của phương pháp là lựa chọn điều khiển có khả năng loại trừ hoàn toàn các tác động phi tuyến của robot đưa hệ thống thành hệ

34

tuyến tính dạng tích phân kép Do vậy, các thành phần tạo nên phi tuyến của

hệ thống như: trọng trường, ma sát, momen…hoàn toàn được loại bỏ Sau đó, một bộ điều khiển phản hồi thông thường dạng PD hay PDI được áp dụng để đưa robot đến vị trí mong muốn.Xuất phát từ phương trình động lực học robot dạng:

e   : là véc tơ sai lệch giữa giá vị trí thực và giá vị trí đặt khớp

3.1.2 Bộ điều khiển PD

Bộ điều khiển PD có chất lƣợng tốt khi các thông số đã biết và không có nhiễu tác động

e K e K

u   D  P

 dk  M   q q d  KDe   KPe   N   q , q  (3.7)

36

Trong đó:

q q

e  d  - sai số vị trí của khớp Robot

q q

e   d   - sai số tốc độ của khớp Robot

KD= diag(KD1, KD2, ., KDn)ma trận đường chéo các hệ số vi phân

KP = diag(KP1, KP2, ,KPn) ma trận đường chéo các hệ số khuếch đại

Phương trình động học sai số có dạng:

w e K e K

Hoặc ở phương trình trạng thái có dạng:

w I e

e K K

I e

e dt

d

n

n D

P

n n

3.1.3 Bộ điều khiển PID

Khi có nhiễu tác động, để giảm sai lệch tĩnh rất nhỏ sử dụng bộ điều khiển

PID



i P

D e K e K K

37

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID

3.1.4 Bộ điều khiển PID bù trọng trường

Đây là luật điều khiển có tính tới bù thành phần trọng trường Được sử dụng phổ biến với các đối tượng là hệ Robot gồm nhiều trục Trong cấu trúc

bộ điều khiển (hình 3.3) gồm 2 thành phần: thành phần 1 là trọng lực sẽ có tác dụng bù trọng lực của robot, thành phần 2 là cấu trúc PD (tỷ lệ - đạo hàm) có tác dụng khi xác định cấu trúc bộ điều khiển PD đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt đối xung quanh điểm cân bằng (q = qđ), không phụ thuộc vào khối lượng của các thanh nối và tải, luật điều khiển được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov trực tiếp

Luật điều khiển PD bù trọng trường như sau:

)(

K e

38

Hình 3.3 Luật điều khiển PID có bù trọng trường

3.2 ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

Để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động robot công nghiệp của các phương pháp điều khiển truyền thống và đạt được chất lượng điều khiển mong muốn thì các phương pháp điều khiển hiện đại được nghiên cứu và áp dụng vào hệ thống điều khiển của robot rất nhiều, đó đều là các phương pháp điều khiển thông minh Như hình 1.5 ở trên thì cũng có nhiều phương điều khiển hiện đại đã được nghiên cứu như các phương pháp điều khiển trong không gian khớp được nghiên cứu nhiều như điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển trượt, và có thể là kết hợp các phương pháp đó lại Các phương pháp điều khiển trong không gian làm việc cũng có nhưng chưa được nghiên cứu nhiều như điều khiển Jacobi đảo và Jacobi chuyển vị

Ưu điểm chung: Các phương pháp điều khiển thông minh có một ưu điểm lớn nhất đó là không cần biết mô hình chính xác của robot mà đảm bảo triệt tiêu sai lệch, điều khiển bám chính xác quỹ đạo, tác động nhanh, chất lượng điều khiển tốt

Nhược điểm chung: Các phương pháp điều khiển thông minh có nhược điểm là khối lượng tính toán là bộ điều khiển là lớn.Và mỗi bộ điều khiển