trình chiếu nâng cao chất lượng điều khiển robot scara

Các phương pháp điều khiển robot: Điều khiển động lực học ngược.. Động học robot Scara Serpent: Động học thuận: xác định vị trí của điểm tác động cuối khi biết góc quay các khớp.. Độn

Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara

Vai trò của robot công nghiệp

- Con người hóa cho công việc

- Tăng năng suất và chất lượng sản phẩm

- Kéo dài thời gian chạy máy

Yêu cầu hệ điều khiển robot

- Độ tin cậy và độ chính xác cao

- Giá thành hạ và tiết kiệm năng lượng

Lựa chọn phương pháp điều khiển

phù hợp

Mục đích của đề tài:

 Xây dựng mô hình toán học cho robot Scara Serpent 3 bậc tự do

 Xây dựng hệ thống điều khiển quỹ đạo đạt độ chính xác cao

 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng

 Xây dựng cấu trúc và thuật toán

điều khiển robot Scara

Các vấn đề cần giải quyết:

Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp:

 Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường

 Ngày nay, trên thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp

 Nhu cầu rất lớn

 Sử dụng nhiều trong nghành

cơ khí đóng tàu, lắp ráp, nhựa, sản xuất ô tô, chế biến thực phẩm

 Nghiên cứu và chế tạo nhỏ lẻ, chưa xác định độ chính xác cao

Thực trạng sử dụng và chế tạo robot công nghiệp ở Việt Nam:

Các phương pháp điều khiển robot:

 Điều khiển động lực học ngược

Sơ đồ khối cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược.

Trong đó:

là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp.

là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp.

U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID:

Luật điều khiển:

    

qd,q

qd,q  

e,e

 Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.

Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của điều khiển phân ly cho hệ thống phi tuyến bằng phản hồi tuyến tính hoá tín hiệu ra.

 Các phương pháp điều khiển thích nghi:

 Điều khiển thích nghi theo sai lệch

 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)

 Điều khiển động lực học ngược thích nghi

 Điều khiển trượt

Sơ đồ khối tổng quát hệ thích nghi.

Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển thích nghi:

 Cấu trúc động học là hệ phỏng

sinh

 Có các trục quay, các khớp

thẳng đứng

 Nhiều loại robot Scara:

Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent:

 Cấu hình của robot Scara Serpent

 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent

Các biến khớp có các giới hạn góc quay như sau :

1 = -96 0  960 ( so với trục Ox )

2 = -115 0  1150 (so với trục thanh 1)

Giới hạn góc quay của 2 khớp Giới hạn không gian làm việc của

robot Scara Serpent.

Động học robot Scara Serpent:

 Động học thuận: xác định vị trí của điểm tác động cuối khi biết

góc quay các khớp

Hệ phương trình xác định vị trí của điểm tác động cuối như

sau:

Trong đó:

a1, a2, d3 là chiều dài thanh nối giữa các khớp

C1 = cosθ1, S1 = sinθ1, C12 = cos(θ1 + θ2), S12 = sin(θ1 + θ2)

1 2 2

p p (a a C ).p a S p S

p p atan2 S ,C

p p a a cosθ

2.a a sinθ (1 cos θ )

(px, py, pz) là vị trí của tay máy

 Động học ngược: xác định các biến khớp khi biết vị trí tay.

(4.2)

Động lực học robot Scara Serpent:

 Mô tả mối quan hệ giữa lực, mômen với vị trí, vận tốc và gia tốc của đối tượng robot

1 , 2 , 4 lần lượt là mômen động tại các khớp quay 1, 2 và 4.

l1 = a1, l2 = a2 : chiều dài thanh nối khớp

Mô tả đối tượng bằng hệ phương trình trạng thái:

(4.8)

Hệ phương trình vi phân trạng thái của các khớp được viết như sau:

D 1

D 1

D 1

D 1

D 1

D 1

D 1

X h

X h H

3 2

1 1

Cấu trúc hệ thống điều khiển robot:

Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn:

 Quỹ đạo chuẩn đó là một hàm phụ thuộc thời gian

 Có hai bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot:

 Yêu cầu điều khiển sao cho khớp robot chuyển động từ vị trí q0đến vị trí qc trong thời gian td

Thiết kế quỹ đạo cho tay robot: xác định xd(t), yd(t), zd(t)

Thiết kế quỹ đạo cho khớp robot: xác định qid(t)

 Quỹ đạo chuyển động có ba giai đoạn:

Giai đoạn tăng tốc: q(t) là hàm bậc 4 theo t

Giai đoạn chuyển động đều: q(t) là hàm nhất theo t

Giai đoạn giảm tốc: q(t) là hàm bậc 4 theo t

Dạng quỹ đạo 4 – 1 – 4:

Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID:

 Phương pháp điều khiển được lựa chọn là phương pháp điều khiển động lực học ngược

Sơ đồ bộ điều khiển PID

 Việc mô hình hóa và nghiên cứu mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động được thực hiện trên nền Matlab-Simulink, giao diện GUI.

Sơ đồ khối mạch điều khiển robot Scara Serpent

Sơ đồ khối khâu tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn.

Sơ đồ khối khâu điều chỉnh.

Sơ đồ khâu robot Scara Serpent.

Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink:

 Các thông số của tay máy

 Các tham số đặt

Tham số Khâu l (m) l g (m) m (kg) J (kg.m 2 )

 Robot được thiết kế chuyển động theo một quỹ đạo ban đầu có tọa độ (x0, y0) đến vị trí cuối (xc, yc) trong thời gian chuyển động tdvới ta là thời gian gia tốc (hoặc giảm tốc).

 Tải định mức: m t = 2(kg ) và mômen quán tính của tải Jt = 0.0004 (kg.m2)

Khảo sát hệ thống trong trường hợp thời gian đặt t d nhỏ, đáp ứng nhanh (t d = 1.2(s), t a = 0.15(s))

 Đặc tính của hệ thống khi làm việc không tải.

 Đặc tính của hệ thống khi làm việc với 1/2 tải định mức.

 Đặc tính của hệ thống khi làm việc với tải định mức.

Đặc tính của hệ thống khi làm việc không tải

( m t = 0; J t = 0; t d = 1.2(s); t a =0.15(s))

Quỹ đạo đặt các khớp Quỹ đạo thực các khớp Sai số về góc quay các khớp

Vận tốc góc đặt các khớp Vận tốc góc thực các khớp Sai số về vận tốc góc các khớp.

Đặc tính của hệ thống khi làm việc với 1/2 tải định mức ( m t = 1(kg); J t = 0.0002(kg/m2); t d = 1.2(s); t a =0.15(s))

Quỹ đạo đặt các khớp Quỹ đạo thực các khớp Sai số về góc quay các khớp.

Vận tốc góc đặt các khớp Vận tốc góc thực các khớp Sai số về vận tốc góc các khớp.

Đặc tính của hệ thống khi làm việc với tải định mức ( m t = 2(kg); J t = 0.0004(kg/m2); t d = 1.2(s); t a =0.15(s))

Quỹ đạo đặt các khớp Quỹ đạo thực các khớp Sai số về góc quay các khớp

Vận tốc góc đặt các khớp Vận tốc góc thực các khớp Sai số về vận tốc góc các khớp

Đánh giá sai số của hệ thống

 Đánh giá sai số góc lớn nhất các khớp của robot

 Đánh giá sai số vận tốc góc lớn nhất các khớp của robot

2

3.74 10   5

6.6 10   2

2.67 10  

2 3.0 10  

3 4.71 10  

3 5.71 10  

5 8.1 10  

5 9.32 10  

1 1.46 10  

1 1.63 10  

1 1.79 10  

2

2 2.95 10  

2 3.6 10  

3 4.0 10  

3 5.0 10  

3 5.5 10  

 Sai số góc quay trong giai đoạn tốc độ không đổi, gia tốc và giảm tốc đủ nhỏ ở giới hạn cho phép.

 Các mức tải khác nhau kết quả mô phỏng cho thấy sai số góc và vận tốc góc tăng lên khi tải thay đổi

 Khi đáp ứng chậm sai số hệ thống nhỏ hơn khi đáp ứng nhanh

 Xây dựng thuật toán điều khiển robot theo phương pháp động lực học ngược sử dụng bộ điều khiển PID cho robot Scara Serpent với

ba khớp động đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra, sai số của hệ thống nằm ở giới hạn cho phép

Nhận xét:

Chương trình mô phỏng.

Khi chạy chương trình mô phỏng ta

đánh lệnh >> RBSCARA_SP trên cửa

sổ chính của chương trình Matlab,

trên màn hình hiện ra bảng làm việc

chính như hình bên:

Thông số của mô hình robot Scara Serpent.

Động học thuận robot Scara Serpent

Động học ngược robot Scara Serpent.

Bảng thông số của robot Scara Serpent

 Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển robot theo phương pháp động lực học ngược sử dụng bộ điều khiển PID cho robot Scara Serpent với ba khớp động.

 Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng trên phần mềm Simulink

Matlab- Kết quả thu được cho thấy hệ thống tác động nhanh với các tín hiệu đặt và sai số quỹ đạo nằm trong giới hạn cho phép

Kết quả đề tài:

 Nghiên cứu về động học, động lực học robot Scara Serpent để từ

đó xây dựng các hệ phương trình trạng thái các khớp robot

Tồn tại:

 Chưa đánh giá được tác động của nhiễu lên hệ thống

 Vì thời gian có hạn lên chỉ dừng ở khảo sát hệ thống theo phương pháp điều khiển động lực học ngược sử dụng bộ điều khiển PID

Hướng phát triển đề tài:

 Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển, từ đó xây dựng thuật toán điều khiển robot theo phương pháp động lực học ngược sử dụng bộ điều khiển PID tự chỉnh (thích nghi, mờ )