tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ĐỘNG học, ĐỘNG lực học và xây DỰNG bộ điều KHIỂN ĐỘNG học NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU Ngành

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO

ROBOT HAI KHÂU

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 605260Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƯƠNGNgười HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp TháiNguyên.

Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1 : TS Phạm Hữu Đức Dục

Phản biện 2 : PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: 7

TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 7

1.1 Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 7

1.1.1 Robot và robotic: 7

1.1.2 Robot công nghiệp: 7

1.1.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 7

1.1.3.1 Cấu trúc chung: 7

1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot 7

1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot 7

1.1.4.2.Truyền động điện 7

1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực 7

1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 7

1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 7

1.1.6.1 Khái quát 7

1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 7

1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng 8

1.2.1.Bài toán động học thuận: 8

1.2.2.Bài toán động học ngược 9

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ 10

1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian 10

1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ 10

1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu 10

1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot 11

1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD 11

1.4.2 Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 11

1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 11

1.4.4 Nhận xét chung 11

CHƯƠNG 2: 13

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU 13

2.1 Khái quát 13

2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều 13

2.2.1 Các thông số ban đầu 13

2.2.1.1 Động cơ điện một chiều 13

2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều 13

2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều 14

2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều 14

2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 14

2.2.1.3 Biến dòng: 14

2.2.1.4 Máy phát tốc: 14

2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 14

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 14

2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R): 15

2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ) 16

2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 16

2.3.1 Mô hình simulink 16

2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 16

2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2 khâu 17

2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 17

2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 17

2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 17

2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 18

2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 20

2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 21

2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển 23

2.4.3.5 Luật hợp thành 25

2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả 26

2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 26

2.5 Kết luận Chương 2 26

CHƯƠNG 3: 27

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 27

3.1 Mô hình các khối chức năng 27

3.1.1 Bộ điều khiển 27

3.1.2 Động cơ 27

3.2 Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ và bộ điều khiển PID 27

3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID 27

3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 27

3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 27

3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 28

3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 28

3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 28

3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 28

3.4 Nhận xét chương 3 29

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 30

1 Kết luận 30

2 Kiến nghị 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

MỞ ĐẦU

Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Từ khi conngười biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tưởng điều khiển tự động đã được đặtlên hàng đầu

Con người đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot Ngày nayRobot đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớntrong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũngnhư trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thốngsản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động Robot ngày càng thôngminh và linh hoạt, chính vì thế robot được xem là sản phẩm điển hình của nền khoahọc kỹ thuật

Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số: TTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là mộttrong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ Vì thế việc nghiên cứu cácphương pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất được nhiều nhàkhoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trongcông nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của

82/2001/QĐ-hệ thống

Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot 2 khâu

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn BanGiám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuậnlợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cám ơn!

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010

Người thực hiện

Nguyễn Thế Phương

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 1.1 Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:

1.1.1 Robot và robotic:

1.1.2 Robot công nghiệp:

1.1.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:

1.1.3.1 Cấu trúc chung:

1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot

1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot

1.1.4.2.Truyền động điện

1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực

1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot

1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

1.1.6.1 Khái quát

1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

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 I 1 0,1213 kg.m 2

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

Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu

1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng

1.2.1.Bài toán động học thuận:

Động học là hình học của sự chuyển động Đó là một trong những thànhphần cơ bản nhất của robot, cung cấp những công cụ mô tả cấu trúc và hoạt độngcủa robot Bất kỳ một robot cũng có thể coi là tập hợp các khâu (links) gắn liền vớicác khớp (joints)

Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểmtác động cuối là x e và y e Tức là xác định [x e,y e] thông qua [1,2] Giả sử quan

hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

sin( ) sin( )cos cos( )

1.2.2.Bài toán động học ngược

Mô hình động học ngược của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điềukhiển Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trướchoặc mong muốn Đối với robot 2 khâu đã nêu, ta có:

Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ x y e, eT, khi đó

từ phương trình động học ngược, ta xác định được góc quay của trục khớp

l x

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ

1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian

1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ

1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu

Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot mang tải với khối lượng mt vàmôn ment quán tính Jt

1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot

1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD

1.4.2 Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường

1.4.3.Thuật toán điều khiển PID

- Xác định hệ dẫn động, mô hình toán học của bộ dẫn động và thiết kế bộđiều khiển (P, PI, PD, PID, ) cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển robot (quĩđạo, vị trí, ), xem robot như là đối tượng chấp hành, sau đó mô phỏng hệ thống(gồm robot + hệ dẫn động) và tiến hành hiệu chỉnh các bộ điều khiển để đạt đượcyêu cầu đặt ra Đây cũng chính là nhiệm vụ trong tâm của đề tài nghiên cứu này

CHƯƠNG 2:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN

ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU 2.1 Khái quát

Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vịtrí động cơ theo ba vòng kín sau:

- Vòng trong cùng điều chỉnh dòng điện,

- Vòng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ,

- Vòng ngoài cùng điều chỉnh vị trí

2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều.

2.2.1 Các thông số ban đầu.

2.2.1.1 Động cơ điện một chiều.

2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều

Khả năng mang tải M 134 N

Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều

2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.

2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ():

Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ

P T 2 1

1

vt vt

K pT



(-)(-)

2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R).

Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí

2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID

2.3.1 Mô hình simulink

2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 -0.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2

R 

(-) đ (p)

jp

1

1

vt vt

K pT



Hình 2.19: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Thoi gian t

Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID.

Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,

đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:

+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời giancánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo Do Robot đáp ứng chậm vàmomen sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao độnglớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo Thời gian dao động trongkhoảng 2s Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thốngtrễ so với giá trị đầu vào Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ

+ Tại t=10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thayđổi chiều quay của động cơ hai khâu, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trướckhi xác lập Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rấtnhiều, và sai số xác lập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001

2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2 khâu.

2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.

2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ

2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

Các tham số KP, TI, TD hay KP, KI, HESOKD của bộ điều khiển PID đượcchỉnh định trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính

xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch Có nhiều phương pháp chỉnhđịnh các tham số cho bộ điều khiển PID như chỉnh định trực tiếp, song phương ánđơn giản nhưng dễ áp dụng hơn cả là phương pháp chỉnh định mờ của Zhao,Tomizuka và Isaka Với giả thiết các tham số HESOKP , HESOKD bị chặn, tức là

K K K  Zhao, Tomizuka và Isaka

đã chuẩn hoá các tham số đó như sau:

 để có 0 HesokP, Hesokd và Hesoki 1 (2.43)

Như vậy, bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), và ba đầu ra là

Hesok P , Hesokd, Hesoki, trong đó:

2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cần 2 input và 1 output

Hai input là sai lệch vị trí góc (et) và đạo hàm của sai lệch vị trí góc (det)

của khớp 1 và 2

Output là tín hiệu điều khiển Hesokp, Hesokd và Hesoki(đã chuẩn hóa) cho

bộ PID

Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP

Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD

Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI 2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó

Bộ điều chỉnh mờ vị trí gồm 2 biến trạng thái mờ đầu vào và hai biến điềukhiển mờ đầu ra Mỗi biến được chia thành nhiều giá trị mờ Việc chọn số giá trị

mờ phải đảm bảo phủ hết các khả năng cần thiết trong khi chỉ cần một số tối thiểucác luật điều khiển mờ

Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là:

et1 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)

et2 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)

Ta chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ như sau:

et = {âm nhiều, âm vừa, âm ít , không, dương ít, dương vừa, dương nhiều}

Với ký hiệu: NB = âm nhiều, NM = âm vừa, NS = âm ít, ZE = không, PS =dương ít , PM =dương vừa, PB = dương nhiều, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ của

biến sai lệch vị trị et cho hai khớp như sau:

et1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.

et2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.

Miền giá trị của biến đầu vào đạo hàm của sai lệch det được chọn là:

det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)

det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)

Ta cũng chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ như trên, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ

của biến sai lệch vị trị det cho hai khâu như sau:

det1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.

det2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.

Miền giá trị của biến đầu ra Hesokp, Hesokd và Hesoki được chuẩn hóa là:

Hesokp = Hesokd = Hesoki = {0, 1}

Ta chọn 4 tập giá trị ngôn ngữ như sau: {nhỏ , nhỏ vừa, vừa , lớn} Với kýhiệu: S = nhỏ, MS = nhỏ vừa, M = vừa, B = lớn, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ của

biến sai lệch vị trị et cho hai khâu như sau:

Hesokp = { S, MS, M, B }

Hesokd = { S, MS, M, B }.

Hesoki = { S, MS, M, B }.

Chọn hàm thuộc dạng tam giác cân, sự phân bố các giá trị mờ như sau:

* Lưu ý : Miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên có thể thay đổi cho phù hợp

với điều kiện thực tế Các miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên chỉ là giá trị phỏngđoán, không phải là giá trị chính xác

2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function).

Đây chính là một điểm cực kỳ quan trọng vì trong quá trình làm việc Bộ điềukhiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dạng và kiểu hàm liên thuộc Cần chọn các hàmliên thuộc có phần chồng lên nhau để không xuất hiện các “lỗ hổng”, điều này là rất

cần thiết Nếu không sẽ gây ra hiện tượng cháy nguyên tắc và tạo ra các vùng chết.

Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki

Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et

Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det

Rời rạc hóa các hàm liên thuộc đầu ra Hesokp , Hesokd và Hesoki :

Biến ngôn ngữ Hesokp, Hesokd và Hesoki có miền giá trị trong khoảng [0 1]

và có 4 hàm liên thuộc được rời rạc hóa như sau :

Hình 2.34: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp, Hesokd và Hesoki

2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển

Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp