nghiên cứu điều khiển cân bằng robot có sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình và ứng dụng thuât toán toán giảm bậc mô hình cho bài toán điều khiển cân bằng robot có sử dụng bá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH

NGUYẾN ĐẠI TÙNG

THÁI NGUYÊN - 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số:

Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG Người HD khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN - 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH

Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG Lớp: K12 - TĐH

Người HD khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU CÔNG

Người hướng dẫn khoa học

PGS TS NGUYỄN HỮU CÔNG

Học viên

NGUYỄN ĐẠI TÙNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả, số liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Đại Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hữu Công trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô giáo Khoa Điện tử, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám

hiệu, Khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả

Nguyễn Đại Tùng

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Mở đầu 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 1.1 Tổng quan về robot công nghiệp 3

1.1.1 Robot và Robotics 3

1.1.2 Robot công nghiệp 7

1.2 Tự động hoá và robot công nghiệp 8

1.2.1 Tải trọng 10

1.2.2 Tầm với 10

1.2.3 Độ phân giải không gian 10

1.2.4 Độ chính xác 11

1.2.5 Độ lặp lại 12

1.2.6 Độ nhún 12

1.3 Chất lượng quá trình làm việc và các bài toán điều khiển robot 13

1.3.1 Yêu cầu về chất lượng trong điều khiển robot 13

1.3.2 Các bài toán điều khiển robot 14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.4 Bài toán điều khiển cân bằng robot 15

1.4.1 Mô hình toán học của hệ Robot 16

1.4.2 Phần cơ khí của Robot 18

1.4.2.1 Thân Robot 18

1.4.2.2 Cơ cấu lái 19

1.4.2.3 Cơ cấu chuyển động .20

1.4.2.4 Cơ cấu thăng bằng 21

1.5 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH 2.1 Giới thiệu chung 25

2.2 Thuật toán điều khiển định dạng vòng H∞ 26

2.2.1 Điều khiển định dạng vòng H∞ 26

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H∞ đủ bậc 29

2.2.2.1 Lựa chọn hàm định dạng 29

2.2.2.2 Kết quả mô phỏng 29

2.3 Các phương pháp giảm bậc mô hình 32

2.3.1 Giới thiệu 32

2.3.2 Phát biểu bài toán giảm bậc mô hình 32

2.3.2.2 Phương pháp trên cơ sở trùng khớp tại các thời điểm 37

2.3.2.3 Phương pháp nhiễu xạ kỳ dị 40

2.3.2.4 Phương pháp cân bằng nội 41

2.3.2.5 Các phương pháp sử dụng phép gần đúng tối ưu 42

2.3.2.6 Phương pháp tối ưu theo trạng thái 43

2.3.4 Kết luận 45

2.4 Giảm bậc mô hình theo phương pháp cân bằng nội 46

2.5 Kết luận chương 2 48

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC CÂN BẰNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 3.1 Giảm bậc bộ điều khiển hệ thống điều khiển cân bằng theo phương pháp cân bằng 50

3.2 Chất lượng quá độ của bộ điều khiển gốc và các bộ điều khiển giảm bậc .54

3.3 Sử dụng bộ điều khiển giảm bậc cho hệ thống điều khiển cân bằng robot .56

3.3.1 Bộ điều khiển giảm bậc 3 điều khiển cân bằng robot 56

3.3.2 Sử dụng bộ điều khiển giảm bậc 1 điều khiển cân bằng robot 58

3.3.3 So sánh hệ điều khiển cân bằng robot dùng bộ điều khiển giảm bậc 1 theo phương pháp cân bằng và theo PSO 59

3.4 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.1 Số lượng Robot sản xuất ở một số nước công nghiệp phát

triển

6

3.1 Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian trạng

thái và mô hình hàm truyền

52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.1 Quan hệ số loại và số lượng sản phẩm ứng với các dạng tự

1.2 Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển 11

1.5 Sơ đồ đơn giản hệ thống cân bằng robot 16

1.7 Thân Robot được chế tạo từ xe đạp có sẵn trên thị trường 18

1.10 Cơ cấu mô men cân bằng sử dụng bánh đà 20

3.3

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 3 56

3.4

Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng

robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm

bậc 1

57

3.5

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1 57

3.6

Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng

robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm

bậc 1 theo PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng

59

3.7

Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1 theo

PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng

60

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về robot di động (mobile robot)

đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới Trong đó lĩnh vực rất khó khăn là việc nghiên cứu về đặc tính động học và điều khiển cân bằng cho robot di động hai bánh Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu Một ví dụ là robot MURATA được phát triển tại Nhật Bản năm 2005 Việc điều khiển cân bằng cho Robot hai bánh có thể được ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot ASIMO, bởi vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau

Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho robot hai bánh, đó là: cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel); cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực và cân bằng nhờ lực hướng tâm Trong các phương pháp trên, cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm

là đáp ứng nhanh và có thể cân bằng được ngay cả khi robot không di chuyển,

đề tài sẽ nghiên cứu theo hướng này

Lý thuyết điều khiển H2/H∞ là một lý thuyết điều khiển hiện đại cho việc thiết kế các bộ điều khiển tối ưu và bền vững cho các đối tượng điều khiển có thông số thay đổi hoặc chịu tác động của nhiễu bên ngoài Tuy nhiên, trong phương pháp thiết kế H2/H∞ mà McFarlane và Glover lần đầu tiên đưa ra vào năm 1992 và kể cả các nghiên cứu sau này về lý thuyết điều khiển H2/H∞, bộ điều khiển thu được thường có bậc cao (bậc của bộ điều khiển được xác định là bậc của đa thức mẫu) Bậc của bộ điều khiển cao có nhiều bất lợi khi chúng ta đem thực hiện điều khiển trên robot, vì mã chương trình phức tạp Vì vậy, việc giảm bậc bộ điều khiển mà vẫn đảm bảo chất lượng có một ý nghĩa thực tiễn

Có nhiều phương pháp khác nhau tìm mô hình giảm bậc bộ điều khiển phức tạp, bậc cao, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, hạn chế riêng và được sử dụng theo nhu cầu một cách thích hợp Trong luận văn này tác giả lựa chọn giảm bậc theo phương pháp cân bằng nội bởi phương pháp này cho kết quả giảm bậc tốt, có thể hiệu chỉnh để bảo toàn bản chất vật lý đặc trưng bởi các biến trạng thái của mô hình gốc, cung cấp giới hạn sai số toàn phần đồng thời bảo toàn tính ổn định và thụ động

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình và ứng dụng thuât toán toán giảm bậc mô hình cho bài toán điều khiển cân bằng robot có sử

dụng bánh đà, khả năng di chuyển trên hai bánh là phương tiện hiệu quả và linh động, dễ dàng xoay trở trong điều kiện không gian chật hẹp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU

KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 1.1 Tổng quan về robot công nghiệp

1.1.1 Robot và Robotics

Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot)

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Vào những năm 40 nhà viết văn viễn tưởng người Nga Issac Asimov

mô tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Pisitron, do chính con người lập trình Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản sau:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các nguyên tắc do con người đặt

ra Các nguyên tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình và không được vi phạm hai nguyên tắc trước

Các nguyên tắc này đã trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot sau này

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” ( Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công

nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool)

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác;

nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh

-1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ)

đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.1

Bảng 1.1 Số lượng Robot sản xuất ở một số nước công nghiệp phát triển

Để hoàn thành những nhiệm vụ trên thì Robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương

tự con người:

- Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí

- Chức năng cảm nhận của Robot gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến ( sensor ) và các thiết bị khác đảm nhiệm Hệ thống này gọi là hệ thống thu nhận và xử lý

số liệu hay hệ thống cảm biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên và Robot hoạt động theo đúng chức năng mong muốn của con người thì robot phải có hệ thống điều khiển

Như vậy, Robotics có thể hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học -

kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh

Robot được sử dụng để thay thế con người trong những công việc như:

- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,

- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: ngoài khoảng không

vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao: lắp ráp các cấu tử trong các vi mạch,

1.1.2 Robot công nghiệp

Ngày nay, hầu hết các robot đều được dùng trong công nghiệp Chúng

có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá và thương mại hoá rộng rãi Và được gọi là Robot công nghiệp (Industrial Robot – IR)

Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:

- Là thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ tiếp theo

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

1.2 Tự động hóa và robot công nghiệp

Thuật ngữ robot được định nghĩa dưới dạng 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 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 của 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 được các chức năng bình thường như con người và có thể hợp tác nhau một cách thông minh để có được trí tuệ như con người Trong bách khoa toàn thư mới viết:

“Robot có thể định nghĩa là một thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm các

bộ phận điện tử, điện và cơ khí, …”

Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực

có liên quan mật thiết với nhau Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và điều khiển quá trình sản xuất Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy công cụ điều khiển chương trình số và robot Như vậy, có thể coi robot là một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp

Có ba loại hệ thống tự động hóa trong công nghiệp: Tự động hóa cố định, tự động hóa lập trình và tự động hóa linh hoạt Tự động hóa cố định được sử dụng ở những dây chuyền sản xuất với số lượng sản phẩm lớn, do đó cần thiết kế các thiết bị đặc biệt để sản xuất các sản phẩm với số lượng lớn và hiệu xuất rất cao Công nghiệp sản xuất ô tô có thể coi là một ví dụ điển hình Tính kinh tế của tự động hóa cố định rất cao do giá thành thiết bị chuyên dụng được chia đều cho số lượng lớn các đơn vị sản phẩm, dẫn đến giá thành trên một đơn vị sản phẩm thấp hơn so với các phương pháp sản xuất khác Tuy nhiên vốn đầu tư của hệ thống tự động hóa cố định cao, do đó nếu số lượng sản phẩm nhỏ hơn thiết kế, giá thành sản phẩm sẽ rất cao Mặt khác, các thiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

bị chuyên dụng được thiết kế cho sản xuất một loại sản phẩm, sau khi chu kỳ sản phẩm kết thúc, các thiết bị chuyên dụng đó sẽ trở thành lạc hậu

Tự động hóa lập trình được sử dụng ở quá trình sản xuất với sản phẩm

đa dạng và số lượng sản phẩm tương đối thấp Trong hệ thống tự động hóa này, các trang thiết bị sản xuất được thiết kế để thích nghi với các dạng sản phẩm khác nhau Chương trình sẽ được lập trình và được đọc vào các thiết bị sản xuất ứng với các loại sản phẩm cụ thể Về khía cạnh kinh tế, giá thành trang thiết bị lập trình có thể phân bộ cho số lượng lớn sản phẩm, ngay cả với các loại sản phẩm khác nhau

Tự động hóa linh hoạt hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (hình1.1) Ý tưởng của dạng tự động hóa linh hoạt mới được phát triển và áp dụng vào thực tế quãng 20-25 năm cho thấy phạm

vi ứng dụng thích hợp nhất đối với quá trình sản xuất có số lượng sản phẩm trung bình Dạng tự động hóa linh hoạt sẽ bao gồm các đặc điểm của hai dạng

tự động hóa cố định và lập trình Nó cần được lập trình cho các loại sản phẩm khác nhau, nhưng số dạng sản phẩm khác nhau sẽ hạn chế hơn loại tự động hóa lập trình Hệ thống sản xuất bao gồm nhiều trạm làm việc đặt nối tiếp nhau trong một dây chuyền Máy tính trung tâm và hệ thống điều khiển trung tâm sẽ điều khiển đồng thời các trạm hoạt động

Hình 1.1: Quan hệ số loại và số lượng sản phẩm

TĐH cố định

Số loại sản phẩm

Robot có liên quan mật thiết với tự động hóa lập trình Robot là một máy

có khả năng lập trình và có một số đặc tính như con người Robot có thể được lập trình để di chuyển cánh tay thông qua các trình tự chuyển động có tính chu kỳ để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Ví dụ, các máy bốc dỡ hàng, robot hàn, sơn…robot cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống sản xuất linh hoạt hoặc thậm trí trong các hệ thống tự động hóa cố định Hệ thống này gồm một số máy, hoặc các robot làm việc cùng nhau được điều khiển bằng máy tính hoặc bộ điều khiển lập trình Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ô tô gồm nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn các bộ phận khác nhau Chương trình lưu trữ trong máy tính được nạp cho từng robot làm việc ở mỗi bộ phận của dây chuyền hàn ô tô Như vậy đây là một dây chuyền sản xuất linh hoạt với mức độ tự động hóa cao

Các đặc tính của robot công nghiệp:

1.2.1 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 định mức nhiều, nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển Tải trọng robot thông thường rất nhỏ so với trọng lượng robot Ví dụ, robot LR Mate của hãng Fanuc có trọng lương 40kg chỉ mang được tải trọng 3kg ; Robot M-16i có trọng lượng 269kg mang được tải trọng 15,8kg

1.2.2 Tầm với

Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot

1.2.3 Độ phân giải không gian

Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian Độ phân dải phụ thuộc vào độ phân dải điều khiển và độ chính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

xác cơ khí Độ phân dải điều khiển xác định bởi độ phân dải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỉ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot:

Số bước di chuyển = 2nVới n là số bit của bộ nhớ

Ví dụ: Một khớp tịnh tiến của robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển

trong phạm vi 100mm, số bước di chuyển có thể là: 212

= 4096 Độ phân dải tương ứng là:

mm

0244.04096

1.2.4 Độ chính xác

Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được Độ chính xác được định nghĩa theo độ phân dải của cơ cấu chấp hành Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao, có thểđịnh nghĩa sơ bộ

độ chính xác bằng một nửa độ phân dải điều khiển như trên hình 1.2

Hình 1.2: Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển

Độ chính xác đích

Điểm được

địa chỉ hóa Độ phân dải điều khiển

Điểm được địa chỉ hóa

Trong thực tế, độ phân dải bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố 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 sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robot được giới hạn trong một 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 Thông thường độ chính xác di chuyển của robot công nghiệp đạt 0,025 mm

1.2.5 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 muốn Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng 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 sẽ khó có thể khử được Độ lặp lại cần phải được xác định bằng kết hợp nhiều thực nghiệm với tải trọng và các hướng di chuyển khác nhau (phương thẳng đứng và phương nằm ngang,…) Độ lặp lại của các robot công nghiệp thông thường là 0,025 mm

1.2.6 Độ nhún

Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mô men tác dụng Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khi lực tác dụng nhỏ và ngược lại Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng Nếu tay robot mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch chuyển VD: Khi robot thực hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển,…Nếu robot được lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc

có tải

1.3 Chất lƣợng quá trình làm việc và các bài toán điều khiển robot

1.3.1 Yêu cầu về chất lƣợng trong điều khiển Robot

Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh hưởng theo những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số điều khiển Quá trình làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa sau:

Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính xác về mặt động học cơ cấu Sai số quỹ đạo có hai nguyên nhân chính là cơ cấu không đáp ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển không đáp ứng độ chính xác cần thiết Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp tục làm rõ do độ phân giải của thiết bị điều khiển không đủ (lí do về phần cứng), hoặc do giải thuật điều khiển không đáp ứng được (nguyên nhân do chuẩn bị điều khiển không đáp ứng yêu cầu gồm không đáp ứng được độ chính xác cần thiết hoặc không đáp ứng tốc độ tính toán cần thiết)

Hình 1.3 : Các dạng sai số lặp lại

Robot có thể thực hiện chính xác một quỹ đạo nào đó lặp đi lặp lại nhiều lần hay không, liên quan đến độ chính xác động học khi đảo chiều chuyển

động, chính xác là khả năng khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí

Chất lượng của quá trình làm việc còn đánh giá thông qua ổn định động lực học, trong những chế độ làm việc đặc trưng khác nhau, như vận tốc, gia tốc, rung động và va chạm

Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển vị trí trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở

mô hình động lực học hệ thống

1.3.2 Các bài toán điều khiển robot

Trong điều khiển robot thường gặp một số bài toán điều khiển như sau:

1.3.2.1 Bài toán điều khiển động học ngƣợc Robot

Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ

sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quỹ đạo cho trước

Nhiệm vụ của phần công tác được thiết lập trong không gian công tác, trong khi tác động điều khiển lại đặt vào khớp, nên biến khớp là đối tượng

DAC

(Trễ truyền thông giữa controller và các driver)

Cơ cấu chấp hành và đối tượng ĐK

Khối đo lường;

quan sát

Hình 1.4 : Trễ trong hệ thống điều khiển số

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

điều khiển trực tiếp Vì vậy bài toán động học ngược bao giờ cũng phải được giải, nhưng vị trí của nó khác nhau giữa trường hợp điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian công tác

Khi điều khiển trong không gian khớp, bài toán động học ngược được giải trước để chuyển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp

1.3.2.2 Bài toán điều khiển cân bằng robot

Một robot chuyển động bằng 2 bánh khi lệch khỏi vị trí cân bằng (tương ứng một góc nghiêng  theo phương thẳng đứng) thì trọng lực của robot tạo ra một mômen làm cho robot có xu hướng đổ xuống Yêu cầu đặt ra

là tìm cách để cho robot luôn giữa được ở vị trí cân bằng

Kết luận: Robot công nghiệp có rất nhiều ứng dụng trong thực tế Do đó các

bài toán đặt ra cho robot đang là vấn đề rất được quan tâm Trong đó bài toán cân bằng robot là bài toán được ứng dụng rất nhiều trong các robot thế hệ mới

vì vậy trong luận văn này tác giả quan tâm chủ yếu đến bài toán điều khiển cân bằng robot

1.4 Bài toán điều khiển cân bằng robot

Để giữ cân bằng robot chuyển động bằng 2 bánh có thể thực hiện theo các nguyên lý như sau:

- Nguyên lý cân bằng động lượng : Cho robot chuyển động tịnh tiến (phía trước hoặc phía sau) sao cho động lượng mà chuyển động tịnh tiến tạo ra thoả mãn phương trình cân bằng động lượng, tức là duy trì tổng động lượng của robot bằng không

- Nguyên lý con quay : Đặt trên robot các con quay, sao cho tốc độ quay của con quay sinh ra đảm bảo cho robot cân bằng về động lượng

- Nguyên lý con quay hổi chuyển : Theo nguyên lý này để duy trì robot

ở trạng thái cân bằng robot người ta đặt trên robot một bánh đà hoạt động dựa

trên nguyên lý “con quay hổi chuyển” Bánh đà này sẽ quay tròn xung quanh trục (với gia tốc góc là ) và tạo ra một mômen để cân bằng với mômen do trọng lực của robot tạo ra

Mỗi một nguyên lý đều có ưu điểm và nhược điểm riêng vì vậy tuỳ theo đặc điểm và yêu cầu của robot mà sử dụng một trong nguyên lý điều khiển cân bằng Trong luận văn này tác giả chọn giải bài toán cân bằng robot theo nguyên lý con quay hồi chuyển

1.4.1 Mô hình toán học của hệ Robot

Hình 1.5 chỉ ra sơ đồ giản lược của robot thể hiện nguyên tắc cân bằng cho robot Trong sơ đồ này ta có các ký hiệu như sau:

γ: góc nghiêng của robot theo phương thẳng đứng

h: chiều cao tâm trọng lực của robot so với mặt đất

m: trọng lượng toàn robot

α: gia tốc góc của bánh đà

I: mô men quán tính của bánh đà

T: mô men quay tạo ra của bánh đà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lực hấp dẫn P tạo ra một mô men làm robot có xu hướng đổ xuống, mô men này được tính theo công thức sau:

M = P.sinγ.h = m.g.h.sinγ

Gia tốc quay của bánh đà tạo ra một mô men được tính theo công thức sau:

T = I.α

Như vậy, để robot cân bằng ta phải có:

T = M hoặc m.g.h.sinγ = I.α

Với góc γ đủ nhỏ, ta có sinγ ~ γ, vì vậy để robot cân bằng cần có:

m.g.h γ = I.α

Hay

I mgh



  (1.1)

Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa gia tốc góc của bánh đà và góc nghiêng của robot Điều đó có nghĩa là ta có thể điều khiển góc nghiêng của robot bằng cách điều khiển gia tốc của bánh đà

Để điều khiển gia tốc của bánh đà, ta sử dụng một động cơ DC, sơ đồ khối

giản lược của robot được thể hiện như Hình 1.6 Trong đó U là điện áp đặt lên

động cơ DC

Hình 1.6 Sơ đồ đơn giản của robot

Với động cơ DC, ta có các phương trình động học sau:

Ki I di

Sử dụng biến đổi Laplace, ta nhận được:

Từ hàm truyền (1.3), có thể thấy rằng ta có thể điều khiển góc nghiêng của

robot γ (đầu ra) bằng cách điều khiển điện áp U (đầu vào) đặt lên động cơ

DC Hàm truyền (1.3) gọi là hàm truyền vòng hở của robot (khi chưa có bộ điều khiển) Nhiệm vụ là phải thiết kế một bộ điều khiển để giữ cho robot thăng bằng, có nghĩa là giữ cho góc γ (đầu ra) bằng không

1.4.2 Phần cơ khí của Robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.4.2.2 Cơ cấu lái

Đây là bộ phận giúp cho xe có thể rẽ trái, phải giống như khi chúng ta đi vào lối rẽ

Lựa chọn động cơ

Chọn loại động cơ có hộp giảm tốc và có kích thứơc tương đối nhỏ do không yêu cầu lực lớn Ngoài ra, cần có tốc độ chậm (tối đa 20 vòng trên phút), nếu không sẽ làm cho Robot chuyển hướng quá nhanh, rất khó điều khiển

Thiết kế

Có nhiều phương pháp để thực hiện việc truyền động tử động cơ tới tay lái Trong trường hợp này sử dụng cơ cấu hình bình hành để truyền động Cơ cấu này có đặc điểm gọn, nhẹ, dễ chế tạo

Hình 1.8 Cơ cấu trục vít bánh vít

Hình 1.9 Động cơ trục vít chạy tiến lùi

1.4.2.3 Cơ cấu chuyển động

Động cơ truyền mô men tới đĩa xe thông qua một cặp bánh răng Bánh răng trên trục có lỗ hình lục giác ăn khớp với trục của động cơ Bánh răng còn lại được hàn liền với đĩa xe Để đảm bảo không bị sát vào thân xe thì bánh răng này phải tiện lỗ có đường kính lớn hơn đường kính của ống thân lắp trục giữa của xe Để đảm bảo cho cơ cấu được nhỏ gọn thì cặp bánh răng này phải được lựa chọn nhỏ nhất có thể lắp ghép

1.4.2.4 Cơ cấu thăng bằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hệ thống tạo mô men cân bằng, lợi dụng hiện tượng mô men sinh ra tác động lên thân động cơ mang tải khi khởi động Khi khởi động động cơ, trên thân động cơ sẽ xuất hiện một mô men lực có chiểu ngược với chiểu quay của động cơ Từ ý tưởng đó tác giả thiết kế cơ cấu cân bằng bao gồm: Động cơ một chiều tạo mô men cho hệ thống, bánh đà với mô men quán tính lớn Khung đỡ động cơ và bánh đà Động cơ truyền mô men qua bánh đà thông qua một bạc nối với tỉ số chuyền i=1

Lựa chọn đông cơ

Hình 1.11 Động cơ sinh momen cân bằng

Lựa chọn động cơ DC với các thông số sau

Bảng 1.2 Thông số động cơ DC của robot

Bánh đà

Hình 1.12 Bánh đà

Bánh đà có tác dụng tạo moment để cân bằng cho xe Bánh đà được gắn với trục thông qua 2 then Để đảm bảo khi hoạt động bánh đà có độ cân bằng động ta sử dụng hai then đối xứng nhau Bánh đà lắp ghép với then, trục theo kiểu mối ghép chặt Bánh đà được thiết kế với kích thước như bản vẽ dưới đây:

Hình 1.13 Trục bánh đà

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Xây dựng phần cứng hệ thống điều khiển cân bằng robot thu được mô hình hàm truyền của hệ thống điều khiển cân bằng robot là dạng hàm truyền bậc 2

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC

MÔ HÌNH 2.1 Giới thiệu chung

Để xây dưng hệ thống điều khiển cân bằng cho robot thì có rất nhiều thuật toán điều khiển như:

- Điều khiển định dạng vòng H∞

- Điều khiển định dạng vòng H2

- Điều khiển định dạng vòng H2/H∞

- Điều khiển tối ưu

- Điều khiển thích nghi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

điều khiển có cấu trúc cố định có nhược điểm là không giữ được bản chất của

bộ điều khiển gốc Phương pháp giảm bậc bộ điều khiển thì có thể lựa chọn phương pháp giảm bậc sao cho có thể lưu giữ được bản chất của bộ điều khiển gốc trong bộ điều khiển giảm bậc Vì vậy trong luận văn này tác giả lựa chọn phương pháp giảm bậc bộ điều khiển H Do vậy để ứng dụng thuật toán điều khiển định dạng H để điều khiển cân bằng robot ta phải thực hiện 2 bước cơ bản như sau:

- Thiết kế bộ điều khiển định dạng H đủ bậc

- Thực hiện giảm bậc bộ điều khiển định dạng H đủ bậc

2.2 Thuật toán điều khiển định dạng vòng H ∞

Hai ma trận M và N trong không gian RH∞ được gọi là đồng dạng trái trong

không gian RH∞ nếu chúng có cùng số cột và nếu tồn tại các ma trận Xl và Yl trong RH∞ sao cho:

Định nghĩa 2.2: Hai ma trân M(s) và N(s) trong không gian RH∞ được gọi là

đồng dạng chuẩn trên không gian RH∞ nếu và chỉ nếu:

( ) T( ) ( ) T( )

Hình 2.1 Mô hình điều khiển bền vững với các thông số biến đổi

Xét một hệ điều khiển vòng kín như chỉ ra trên Hình 2.1 Gọi P là mô hình chuẩn, mô hình định dạng, với bộ bù trước và bù sau W1 và W2, là Ps ta có:

Theo lý thuyết độ lợi nhỏ [22], hệ với thông số biến đổi ổn định bền vững nếu

và chỉ nếu tồn tại một bộ điều khiển K∞ sao cho:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bước 1: Hệ chuẩn P trước hết được định dạng nhờ bộ bù trước W1 và bộ bù sau W2 để đạt được hình dạng vòng hở yêu cầu Sau khi chọn được W1 và W2, giá trị opt được tính toán theo công thức sau:

(A s B S D C s  s T s)T X X A( s B S D C s  s T s)T XB S B X s  s T C R C s T  s 0 (2.9)

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H ∞ đủ bậc

0.085

s W