Điều khiển hệ tay máy di động dùng bộ điều khiển trượt

http://automation.net.vn/Robot-Robotics/ABB-lap-dat-robot-han-tai-nha-may-Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack Hình 1.2 giới thiệu Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 là loại Robot sáu trục

TÓM T T

Theo đà phát triển nhanh chóng c a khoa học, Robot ngày càng đ ợc sử dụng phổ

biến hơn trong sản xuất cũng nh trong đ i sống c a con ng i Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế đ ợc, nó giúp con ng i làm việc với năng suất cao

và đặc biệt trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm đ ợc nhiều sự quan tâm c a các nhà nghiên c u và xã hội Từ thực tế

đó, việc xây dựng các bộ điều khiển cho Robot di động đã tr nên một yêu cầu thiết

yếu Những thách th c lớn đó là bộ điều khiển phải tác động nhanh khi đầu vào tham chiếu thay đổi và nếu thiết kế bộ điều khiển chỉ dựa vào mô hình động học Khi robot

thực hoạt động, chắc chắn sẽ bị tác động c a nhiễu nh ma sát, lực cản không khí, thay đổi thông số trong mô hình… gây ra sai lệch lớn so với các giá trị tham chiếu Luận văn này tập trung thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy di động theo ph ơng pháp điều khiển chuyển động phân tán dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Khi đó hệ tay máy

đ ợc xem nh hai hệ con riêng biệt là đế di động và tay máy Hai bộ điều khiển chuyển động phân tán đ ợc thiết kế để điều khiển hai hệ con này Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển, tiến hành viết ch ơng trình mô phỏng dùng phần mềm Matlab, tiến hành chạy

mô phỏng để kiểm ch ng quá trình hội tụ và tính ổn định c a các sai lệch vị trí và tốc

độ Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đ ợc trình bày cho thấy hiệu quả c a bộ điều khiển

ABSTRACT

Nowadays, Robot is widely used in industry and human life It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions The field of Moving-Robot has attracted a lot of attention of researchers and society From the fact of that, designing the controllers of Moving-Robot has became an important problem This thesis presents a decentralized motion control method of wheeled mobile manipulator based on the Lyapunov’s stability condition The wheeled mobile manipulator is consisdered as two separate subsystems such as a mobile platform and a manipulator Two decentralized motion controllers are designed to control two subsystems, respectively At the end, some simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the control algorithm developed for monile manipulator

M C L C

Trang t ựa Trang

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

L i cam đoan ii

L i cảm ơn iii

Tóm tắt luận văn iv

Mục lục vi

Danh sách các hình ix

Danh sách các bảng xi

Ch ng 1 T ng quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u, các kết quả nghiên c u trong và ngoài n ớc đã công bố 2

1.2.1 Tổng quan chung về robot 2

1.2.3 Các kết quả nghiên c u trong và ngoài n ớc đã công bố 17

1.3 M ục đích c a đề tài 25

1.4 Cách ti ếp cận và ph ơng pháp nghiên c u 25

1.5 Kết quả dự kiến đạt đ ợc 25

Ch ng 2 C s lỦ thuy t 26

2.1 Định lý ổn định th 2 c a Lyapunov: Sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển 26

2.2 Lý thuyết điều khiển tr ợt 28

2.2.1 Giới thiệu chung 28

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển tr ợt tích phân đối với hệ thống phi tuyến .31

Ch ng 3 Mô hình toán h tay máy di đ ng 34

3.1 Mô hình hình học c a hệ tay máy di động: 34

3.2 Mô hình robot di động: 35

3.2.1 Mô hình động học robot di động 35

3.2.2 Mô hình động lực học robot di động 37

3.3 Mô hình tay máy ba bậc tự do: 39

3.3.1 Mô hình động học tay máy 39

3.3.2 Mô hình động lực học tay máy 40

Ch ng 4 Thi t k b đi u khi n 43

4.1 Giới thiệu: 43

4.2 Thiết kế bộ điều khiển bám cho hệ tay máy di động: 43

4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học (KC) kết hợp với bộ điều khiển tr ợt tích phân (ISMC) cho tay máy 43

4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học cho robot di động: 47

Ch ng 5 K t qu mô ph ng 53

Ch ng 6 K t lu n vƠ h ng phát tri n đ tài 66

6.1 Những kết quả đạt đ ợc 66

6.2 Hạn chế c a đề tài 66

6.3 H ớng phát triển c a đề tài 66

Tài li u tham kh o 68

Ph l c A 71

Ph l c B 75

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.10 Robot Hector c a tr ng Đại học Bielefeld (Đ c) thiết kế 13

Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi 29

Hình 2.7 Biểu diễn hình chiếu c a quỹ đạo pha 33

Hình 3.2: Vận tốc dài c a các bánh xe và tâm quay M 36 Hình 4.1 Hình biểu diễn các thành phần vector sai số eoc a tay máy 44 Hình 4 1 Hình biểu diễn các thành phần vector sai số c a MP 48

Hình 5.1 Cấu hình c a hệ tay máy di động khi bám theo quỹ đạo 57 Hình 5.2 Quỹ đạo c a điểm tác động cuối bám theo quỹ đạo khi bắt đầu 57 Hình 5.3 Các sai số bám e1, e2, e3 trong toàn th i gian 58 Hình 5.4 Các sai số bám e1, e2, e3 khi bắt đầu 58 Hình 5.5 Các sai số bám e4, e5, e6 trong toàn th i gian 59 Hình 5.6 Các sai số bám e4, e5, e6 khi bắt đầu 59

Hình 5.9 Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay c a đế di động 61 Hình 5.10 Vận tốc bánh trái và vận tốc bánh phải 61 Hình 5.11 Vận tốc c a điểm tác động cuối và vận tốc mong muốn

Hình 5.12 Vận tốc c a điểm tác động cuối và vận tốc mong muốn

Hình 5.13 Vector ngõ vào điều khiển  cho tay máy 63 Hình 5.14 Vector mặt tr ợt Sv th i gian bắt đầu 63

Hình 5.16 Các sai số trong toàn bộ th i gian 64

Bảng 5.3 Các giá trị thông số sử dụng trong mô phỏng 55

Ch ng 1

1.1 Đặt vấn đ

Cùng với sự tiến bộ c a khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử tự động hóa

đ ợc ng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đ i sống xã hội Nh vậy, n ớc ta đã có nhiều b ớc phát triển mạnh mẽ và cuộc sống nhân dân ngày càng đ ợc nâng cao về mọi mặt Chúng ta dễ dàng nhận ra rằng, nhiều thành tựu to lớn đã đạt đ ợc đó là nh vào đ ng

lối chính sách c a Đảng và Nhà n ớc về đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất

n ớc Để thực hiện tốt nhiệm vụ này thì đòi hỏi sự tham gia đóng góp c a toàn dân,

nh ng bộ phận nòng cốt phải là giới trí th c, những ng i nghiên c u khoa học Hay nói một cách khác, xã hội đã giao một trọng trách khá lớn cho giới trí th c trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất n ớc

Để thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất n ớc, chắc chắn cần phải nghiên

c u phát triển các thiết bị tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà n ớc ta đang nghiên c u và

từng b ớc chế tạo để ng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động Việc nghiên c u và chế tạo robot nhằm đáp ng vào nhu cầu thực tế c a các dây chuyền sản xuất là hết s c cần thiết, vì Robot sử dụng đ ợc trong các môi tr ng có điều kiện khắc nghiệt nh : áp suất, nhiệt độ cao; từ tr ng mạnh … giúp tăng năng

suất và tiết kiệm s c lao động c a con ng i

1.2 T ng quan chung v lĩnh vực nghiên c u, các k t qu nghiên c u trong vƠ ngoƠi n c đã công bố

1.2.1 T ng quan v robot

Những Robot xuất hiện lần đầu tiên NewYork vào ngày 9/10/1922 trong v

kịch “Rossum’s Universal Robot” c a nhà soạn kịch ng i Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ Robot là một cách gọi khác c a từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những ng i máy có khả năng làm việc nh ng không có khả năng suy nghĩ

Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục đ ợc phát triển, đóng góp thêm b i nhiều nhà nghiên c u, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot Tr ớc những năm 1970, ng i ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt đ ợc

những thành tựu hết s c to lớn Những tay máy đ ợc đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp

lại nh hàn hoặc sơn

Hình 1.1 Giới thiệu robot hàn IRB 1410 ArcPack do Công ty ABB Việt Nam lắp đặt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất quá trình hàn các kiện lắp ráp xe gắn máy tại Nhà máy sản xuất cơ khí Hải Hà Một trong các tính năng nổi trội đó là khả năng tự khôi

phục lỗi, theo đó robot có thể tự động tìm lại vị trí hàn bị lỗi để tiếp tục hàn Điều này giúp tránh bị bỏ sót mối hàn khi hệ thống bị lỗi - điều mà chỉ có robot ABB có thể làm

đ ợc Một điểm khác đáng chú ý là tính năng AutoSave - robot tự động l u lại các

ch ơng trình đang lập trình nếu xảy ra mất điện, do vậy giúp khách hàng tiết kiệm th i gian lập trình robot trong tr ng hợp bị mất điện

(san-xuat-co-khi-Hai-Ha.html)

http://automation.net.vn/Robot-Robotics/ABB-lap-dat-robot-han-tai-nha-may-Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack

Hình 1.2 giới thiệu Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 là loại Robot sáu trục ABB điều khiển công suất hoạt động súng phun sơn, quy trình tráng men tự động c a Công ty Electrolux tại Dudley Park, Nam Úc đã đảm bảo đ ợc tính nhất quán và độ bóng lớp mạ cao cấp cho hơn 2.000 sản phẩm/ngày Robot sơn tĩnh điện ABB chính là

giải pháp mang lại thành công cho Electrolux vì khi Robot sơn tĩnh điện ABB đ ợc trang bị vào dây chuyền sản xuất đã mang lại cho quy trình sản xuất c a công ty nhiều

lợi ích, tính linh hoạt, hiệu quả và chất l ợng

(xuat-bang-robot-son-tinh-dien-ABB.html)

http://automation.net.vn/Robot-Robotics/Electrolux-nang-cao-hieu-qua-san-Trong ngành công nghiệp điện tử, các cánh tay Robot có thể đ ợc sử dụng để lắp ráp linh kiện cho điện thoại di động và máy tính xách tay với độ chính xác c a một siêu nhân

Tuy nhiên, dù đạt đ ợc nhiều thành công nh ng những Robot công nghiệp trên

vẫn còn một nh ợc điểm cơ bản đó là thiếu tính l u động Những cánh tay Robot chỉ

có thể chuyển động trong một khoảng không gian cố định phụ thuộc vào nơi nó đ ợc đặt

Ng ợc lại, những robot tự hành hay robot di động (Mobile Robot) có khả năng

tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp c a con ng i, nó có thể di chuyển khắp nơi, khả năng ng dụng linh hoạt làm cho nó có thể đ ợc sử dụng bất

c nơi đâu Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi tr ng xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, th ơng mại, y tế, các ng dụng khoa học và phục vụ đ i sống c a con ng i Với sự phát triển

c a ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi

tr ng khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau nh Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại d ơng, Robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển c a yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục

đ a ra những thách th c mới cho các nhà nghiên c u Vì vậy các nghiên c u bắt đầu

tập trung hơn vào robot di động Các robot di động có ng i điều khiển đã đ ợc dùng nhiều cho các mục đích dân sự, quân sự, các nhiệm vụ nguy hiểm nh phá mìn, thăm

dò đáy đại d ơng, hầm mỏ, kiểm tra các đ ng ống ngầm, hay thăm dò sao Hoả…

Hình 1.3: Giới thiệu iRobot Roomba - một sáng chế c a hãng Irobot (Mỹ) giúp làm sạch gầm gi ng, gầm t - nơi bụi bẩn l u cữu lâu ngày Irobot Roomba sẽ giúp

bạn có một căn phòng sạch đến bất ng mà đồ đạc chẳng cần xê dịch gì Chăm chỉ, cần mẫn và thông minh, chỉ cần bạn nhấn nút một “Clean” để ra lệnh, chú robot có hình tròn thân thiện này sẽ tự động tiến hành mọi thao tác, len lỏi vào mọi ngóc ngách, kể cả

gầm gi ng, gầm t , cho căn phòng c a bạn luôn sạch bụi bẩn (Noi/Dien-may/p500745/Robot-hut-bui-iRobot-Roomba-415.html)

http://enbac.com/Ha-Hình 1.3: Gi ới thiệu iRobot Roomba

Hình 1.4 Dragon là loại robot có kích th ớc nhỏ đ ợc phát triển nhằm phục vụ cho hải quân Mỹ với nhiệm vụ kiểm tra các vật đáng ng d ới gầm xe hoặc trinh sát trong các khu nhà khả nghi Tại Fukushima, Dragon sẽ len lỏi và nhà máy điện để xác định tình trạng thiệt hại cụ thể trong điều kiện nồng độ phóng xạ đang m c rất cao.( http://www.vietnamplus.vn/Home/My-phai-robot-quan-doi-tham-gia-tro-giup-Nhat-Ban/20114/83752.vnplus)

Hình 1.5 Robot tự hành Sojourner đ ợc sử dụng để khám phá sao Hỏa mùa hè năm 1997 Nó đ ợc điều khiển hoàn toàn từ trái đất Tuy nhiên, các bộ cảm biến cho phép nó phát hiện ra các vật cản

(http://ranier.oact.hq.nasa.gov/teleRobotics_page/teleRobotics.shtm)

Hình 1.5 Robot t ự hành Sojourner

Hình 1.6 Plustech là robot làm việc đi bằng chân đầu tiên đ ợc phát triển Nó

đ ợc thiết kế để mang gỗ ra khỏi rừng Sự phối hợp giữa các chân đ ợc thực hiện tự động, nh ng việc tìm đ ng đi thì vẫn đ ợc quyết định b i ng i điều khiển trên Robot (http://flickrhivemind.net/Tags/plustech/Interesting)

Hình 1.6 Robot Plustech

Hình 1.7 Robot quân s ự MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System)

là loại robot chiến đấu do công ty Foster-Miller (Mỹ) sản xuất trên cơ s nguyên mẫu

c a robot chiến đấu SWORDS

(http://www.bigbigtrans.com/vn/carreview/i=3297/robot-trong-chien-tranh/)

Hình 1.7 Robot MAARS được sử dụng trong quân đội

Hình 1.8 Xe tự hành (autonomous guided vehicle–AGV) mới nhất c a SWISSLOG đ ợc sử dụng để vận chuyển khối motor từ nơi này đến nơi khác Nó

đ ợc dẫn đ ng b i các dây điện đặt d ới sàn nhà Đã có hàng nghìn Robot AGV

đ ợc sản xuất để phục vụ trong công nghiệp, làm việc nhà và thậm chí là trong bệnh viện (http://www.swisslog.com/index/hcs-index/hcs-systems/hcs-agv/hcs-agv-transcar.htm)

Vấn đề c a Robot tự hành là làm thế nào để Robot tự hành có thể hoạt động, nhận biết môi tr ng và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầu tiên là di chuyển, Robot tự hành nên di chuyển nh thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt

nhất Điều h ớng là vấn đề cơ bản trong nghiên c u và chế tạo Robot tự hành.Trong

hiệp hội nghiên c u về Robot tự hành có 2 h ớng nghiên c u khác nhau:

H ớng th nhất là nghiên c u về Robot tự hành có khả năng điều h ớng tốc

độ cao nh thông tin thu đ ợc từ cảm biến, đây là loại Robot có khả năng hoạt động môi tr ng trong phòng cũng nh môi tr ng bên ngoài Loại Robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và đ ợc trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển Robot di chuyển tốc độ cao, trong những môi tr ng có địa hình ph c tạp

H ớng th hai là nhằm giải quyết các vấn đề về các loại Robot tự hành chỉ dùng

để hoạt động trong môi tr ng trong phòng Loại Robot tự hành này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Cùng với sự phát triển c a ngành cơ điện tử robot tự hành ngày càng đ ợc hoàn thiện hơn, đ ợc ng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, th ơng mại, y tế, khoa

học, …và mang lại nhiều lợi ích cho đ i sống xã hội, thay thế dần s c lao động c a con ng i trong những điều kiện môi tr ng độc hại nguy hiểm, tăng nhanh năng

suất lao động…đặc biệt là nó góp phần tích cực vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa n ớc ta nói riêng và thế giới nói chung

Tóm t t lịch sử phát tri n c a Robot

Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển c a công nghệ chế tạo Robot, và những tác động c a khoa hoc cũng nh xã hội đối với từng th i

kỳ

Các y u tố

nh h ng

1920

Khái niệm Robot

xuất hiện trong tiểu

ng dụng Robot NASA và NAVY

Máy tính dùng transitor

Nhu cầu tăng

c ng lao động

Giới thiệu về Điều khiển logic

trong sản xuất về Robot trí thông

minh nhân tạo

nên thất nghiệp

ng i

Các tiến bộ về cơ khí

xử dụng một hệ thống cảm biến để tránh ch ớng ngại

vật

Axxon Robotics mua

việc với nhau để thực hiện một bản

đồ c a một môi

tr ng không rõ

và tìm kiếm các đối t ợng trong môi tr ng đó

di chuyển khó khăn

2006

Talon-Sword, các

Robot th ơng mại

đầu tiên với súng

thực phẩm hoặc điện thoại di động vào khu vực xảy

ra thiên tai

Tình hình thiên tai, động đất xảy

ra th ng xuyên tại

Nhật

Phân lo i robot tự hành: Robot tự hành đ ợc chia làm 2 loại chính đó là loại

robot tự hành chuyển động bằng chân và robot tự hành chuyển động bằng bánh

Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot): u điểm lớn nhất c a

loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản nh hố, vết n t sâu Nh ợc điểm chính c a robot loại này chính là chế tạo quá ph c tạp

Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng

l ợng c a robot đồng th i giảm tốc độ di chuyển Các kĩ năng nh cầm, nắm hay

nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ c ng vững c a robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao Robot tự hành di chuyển bằng chân đ ợc mô

phỏng theo các loài động vật nên gồm các loại 2,4,6 chân và có thể nhiều hơn D ới đây là một số loại robot điển hình chuyển động bằng chân

Hình 1.9 Robot ASIMO c ủa hãng Honda

(http://www.vinamain.com/2011/12/robot-asimo-niem-tu-hao-cong-nghe-nhat-ban.html)

Hình 1.10 Robot Hector c ủa trường Đại học Bielefeld (Đức) thiết kế

trung.aspx)

Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheeled mobile robot): Nh giới thiệu trong các hình 1.4-1.8

Bánh xe là cơ cấu chuyển động đ ợc sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot tự hành Vấn đề cân bằng th ng không phải là vấn đề đ ợc chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu hai bánh cũng có thể cân bằng đ ợc Khi robot có số bánh nhiều hơn ba thì thông th ng ng i ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc c a tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề c a robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động.v.v D ới đây là các loại bánh xe cơ bản đ ợc sử dụng trong robot tự hành (bảng 1.2):

+ Bánh xe tiêu chuẩn: hai bậc tự do, có thể quay quanh trục bánh xe và điểm

tiếp xúc

+ Bánh lái: hai bậc tự do,có thể quay xung quanh khớp lái

+ Bánh Swedish: ba bậc tự do, có thể quay đồng th i xung quanh trục bánh xe,

trục lăn và điểm tiếp xúc

B ng 1.2 Ký hiệu c a các loại bánh xe

Ký hi u các lo i bánhxe

Bánh đa h ớng không truyền động

Bánh truyền động Swedish (đa h ớng)

Bánh quay tự do tiêu chuẩn

Bánh truyền động tiêu chuẩn

Bánh vừa truyền động vừa là bánh lái

Sơ đồ bánh xe c a Robot tự hành hai bánh, ba bánh, bốn bánh và sáu bánh đ ợc liệt kê trong bảng 1.3

Hai bánh quay tự do phía sau, bánh tr ớc vừa

là bánh truyền động vừa là bánh lái

3

Ba bánh Swedish đ ợc đặt các đỉnh c a một tam giác đều, kết cấu này cho phép Robot di chuyển theo đa h ớng

Hai bánh ch động phía sau, hai bánh lái phía tr ớc

Hai bánh phía tr ớc vừa là bánh lái vừa là bánh

ch động

Cả bốn bánh đều là bánh truyền động và lái

Hai bánh truyền động độc lập phía sau, hai bánh lái đa h ớng phía tr ớc

Bốn bánh đa h ớng

Hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc

Bốn bánh vừa là truyền động vừa là bánh lái

Hai bánh truyền động giữa, thêm bốn bánh đa

h ớng xung quanh

6

Hai bánh truyền động vi sai giữa, bốn bánh đa

h ớng bốn góc

Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi tr ng đặc biệt nh d ới

n ớc hay trên không trung thì chúng đ ợc trang bị cơ cấu di chuyển đặc tr ng Cùng

với sự phát triển c a yêu cầu trong thực tế, lĩnh vực Robot tự hành ngày càng đ ợc sự quan tâm c a xã hội Vì vậy robot tự hành tiếp tục đ a ra những thách th c mới cho các nhà nghiên c u

1.2.3 Các k t qu nghiên c u trong và ngoài n c đã công bố

Robot di động bằng bánh xe còn đ ợc gọi là WMR (wheeled mobile robot) đã

đ ợc sử dụng rộng rãi trong các ng dụng công nghiệp và dịch vụ nh vận tải, an ninh, kiểm tra, và thăm dò các hành tinh, vv, với cấu hình di động khác nhau (kiểu bánh xe

và số l ợng bánh xe, cấu trúc xe…) Để robot di động có thể tự hành, thực hiện đ ợc các nhiệm vụ nhất định c a nó thì cần phải giải quyết các bài toán lớn sau:

- Tìm đ ng đi tốt nhất từ điểm xuất phát đến đích tránh ch ớng ngại vật

- Định vị cho robot

- Điều khiển cho robot bám đ ng đi hay quỹ đạo đã tìm đ ợc

Trong bài toán trên thì việc điều khiển bám quỹ đạo là một trong những bài toán đặt ra nhiều thách th c cần phải giải quyết Quỹ đạo là một đ ng cong tùy ý đ ợc vẽ

sẵn trên mặt đ ng (đ ợc gọi quỹ đạo tham chiếu), WMR sẽ bám vào quỹ đạo tham

khảo để di chuyển, xem hình 1.11

Hình 1.11 Robot bám theo qu ỹ đạo tham chiếu [15]

Bài toán đặt ra là các sai số bám vị trí và sai số bám tốc độ phải tiến về không khi th i gian t tiến đến vô cùng với th i gian quá độ nhỏ theo yêu cầu, trong điều kiện môi tr ng có nhiễu (nh ma sát, s c cản c a gió…)

Công trình trong n ớc: Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các robot điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đ i robot SCA mini, là một loại robot lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số robot di động đ ợc điều khiển từ xa bằng con ng i Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển robot hàn, robot lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, robot phục vụ quay TV Viện Khoa

học và Công nghệ Quân sự nghiên c u chế tạo robot sơn xe quân giới, robot phục vụ

chế tạo thuốc súng, robot di động gắp mìn điều khiển từ xa,… Viện CNTT triển khai các nghiên c u tích hợp hệ robot-camera phân loại sản phẩm, hệ robot 2 bậc tự do Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, robot di động phục vụ tự động hóa kho hàng Gần đây, trong ch ơng trình nghiên c u cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài sắp đ ợc nghiệm thu về thiết kế chế tạo robot, trong đó Đại

Đ ng cong tham chiếu

Đ ng đi c a robot

học Bách khoa Hà Nội chế tạo robot hàn vỏ tàu th y, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân

sự chế tạo robot phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng robot song song Hexapode có độ chính xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật

t kho gồm 3 robot di động chạy trên ray Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên c u phát triển các hệ điều khiển robot di động qua truyền thông không dây và Internet…Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các ph ơng pháp điều khiển truyền thống nh PID, ph ơng pháp tính mô men, ph ơng pháp điều khiển tr ợt đến các ph ơng pháp điều khiển thông minh nh điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic

m , thuật gen và các ph ơng pháp điều khiển tự thích nghi,… Các công bố về điều khiển robot cho robot công nghiệp, hexapod, robot di động phải kể đến các công trình

c a Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội Lĩnh vực robot di động với nhiều cảm biến dẫn đ ng và camera đang đ ợc nhiều đơn vị trong n ớc quan tâm nghiên c u Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động tránh vật cản cho robot di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị Cơ điện

tử toàn quốc

gio-i-va-ti-nh-hi-nh-nghien-cu-u-Robot-o-Vie-t-Nam-hie-n-nay-Phan-cuoi.html)

vận tốc tham chiếu c a robot di động hàn hai bánh Hệ thống này (xem hình 1.12) có

ba bậc tự do bao gồm cả hai bánh xe và thanh tr ợt mỏ hàn

Hình 1.12 Mô hình robot hàn MR-SL

Luật điều khiển là thu đ ợc từ các hàm điều khiển Lyapunov để đảm bảo sự ổn định tiệm cận c a hệ thống Bộ điều khiển có ba thông số để điều chỉnh sự thực hiện

c a hệ thống điều khiển Một cách đơn giản để đo các sai lệch là sử dụng hai cảm biến

là hai chiết áp Một là cảm biến để đo khoảng cách và một cảm biến đo góc quay

Tr ng hợp mỏ hàn cố định thì có thể bám đ ng thẳng, cần nhiều th i gian để sai lệch tiến về 0, nh ng không bám đ ợc đối với đ ng cong Tr ng hợp mỏ hàn điều khiển đ ợc thì bám đ ng cong trơn nhanh hơn với sai số chấp nhận đ ợc, kết quả mô

phỏng trong hình 1.13

Hình 1.13 Các sai s ố bám e1, e2, e3

* Trong [14] sử dụng ph ơng pháp tuyến tính hóa phản hồi động lực học đã

đ ợc sử dụng cho việc bám quỹ đạo chiếu và ổn định vị trí c a robot di động Việc

thực hiện c a ph ơng pháp này trên robot SuperMARIO - một robot di động điều khiển bằng hai bánh xe khác nhau, đ ợc mô tả nh hình 1.14 Kết quả mô phỏng các sai lệch thể hiện hình 1.15

Hình 1.14 Robot SuperMARIO

Hình 1.15 Các sai s ố bám e x và e y (m)

Mặc dù vấn đề điều khiển các hệ thống nonholonomic nhất định theo lý thuyết thì hầu nh đã đ ợc giải quyết, nh ng đối với các nhà thiết kế điều khiển WMR có vẫn còn nhiều vấn đề cần đ ợc quan tâm thích đáng hơn nữa Ví dụ, một nh ợc điểm c a nhiều bộ điều khiển ổn định vị trí là quá trình chuyển tiếp kém Tất cả các bộ điều khiển trên chỉ xem xét các mô hình động học, bỏ qua động lực học hệ thống cơ khí

Gần đây, nhiều sơ đồ điều khiển đã đ ợc đề xuất để giải quyết các vấn đề điều khiển

kể cả động lực học robot di động

* Trong [15], kỹ thuật điều khiển kiểu tr ợt mà nó tích hợp bộ điều khiển động

học và bộ điều khiển động lực học có nhiễu giới hạn bên ngoài, đã đ ợc sử dụng để

giải quyết bài toán điều khiển bám cho WMR Robot sử dụng trong thực nghiệm có tên

là MICRO (xem hình 1.16) và kết quả mô phỏng khi robot bám đ ng thẳng nh hình 1.17

Hình 1.16 MICRO robot

Hình 1.17 Các sai s ố khi robot bám đường thẳng

Chung và cộng sự [16] cũng đề xuất một bộ điều khiển tr ợt mới cho robot di động hàn đ ng viền (SWMR) nh hình 1.18 Robot di động này cũng đ ợc xem xét

về mặt mô hình động lực học có các thông số đã biết tr ớc với sự hiện diện c a nhiễu

bị chặn Tuy nhiên, dù bộ điều khiển này làm cho mặt tr ợt đi đến không nh ng sai

lệch bám vị trí và sai lệch bám tốc độ không đi về không trong hình 1.19 và vận tốc góc xe đổi h ớng theo quỹ đạo chuyển động nh ng còn giao động so với giá trị trung bình xem hình 1.20

Hình 1.18 Robot hàn MSB-2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -5

1.3 M c đích c a đ tài

Mục tiêu c a luận văn là xây dựng hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng Những mục tiêu c a đề tài đ ợc đề ra nh sau:

ứ Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động

ứ Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo

ứ Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab

ra giải thuật điều khiển mới để giải quyết những vấn đề đặt ra

Trên cơ s tổng hợp tài liệu về robot di động, tay máy và các thuật toán điều khiển cho robot để thực hiện các công việc nh sau

- Xây dựng mô hình động lực học cho hệ tay máy – robot di động

- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo

- Mô phỏng kiểm ch ng hệ thống trên Matlab

1.5 K t qu dự ki n đ t đ c:

- Mô hình động lực học cho hệ tay máy di động

- Xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ tay máy di động

- Mô phỏng hệ tay máy di động bám theo quỹ đạo

và xét xem hàm này tăng hay giảm theo th i gian

Hình 2.3 Ví d ụ minh họa định lý Lyapunov

Cơ năng c a hệ bao gồm động năng c a vật khối l ợng m và thế năng c a lò xo:

Đạo hàm c a năng l ợng theo th i gian:

Ph ơng pháp điều khiển tr ợt đ ợc công nhận là một trong những công cụ hiệu quả

để thiết kế bộ điều khiển mạnh mẽ cho đối t ợng có ph ơng trình động lực học phi tuyến bậc cao ph c tạp trong điều kiện không chắc chắn Các nghiên c u trong lĩnh

vực này đã đ ợc bắt đầu Liên Xô cũ khoảng năm 1950, và sau đó ph ơng pháp điều khiển tr ợt đã đ ợc sự chú ý ngày càng nhiều từ hiệp hội điều khiển quốc tế u điểm chính c a chế độ tr ợt là có độ nhạy thấp với sự biến đổi tham số c a đối t ợng điều khiển và nhiễu bên ngoài mà nó giúp loại trừ sự cần thiết c a mô hình chính xác Điều khiển tr ợt cho phép tách riêng chuyển động c a toàn bộ hệ thống thành các thành

phần độc lập có kích th ớc thấp hơn và kết quả là làm giảm sự ph c tạp c a phản hồi Điều khiển tr ợt đã tr thành loại điều khiển cơ bản trong hệ thống điều khiển cấu trúc biến đổi (đ ợc gọi là VSC) VSC bao gồm một tập hợp các hệ thống con liên tục

với một logic chuyển mạch thích hợp, và kết quả là, những hoạt động điều khiển là các hàm không liên tục c a trạng thái hệ thống, các loại nhiễu, và các ngõ vào tham chiếu

(control systems, robotics and automation – Vol XIII - Sliding Mode Control - Vadim

Utkin)

Hình 2.4 Bi ểu diễn hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi [5, 14]

VSC là một kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ kết hợp và khai thác các tính năng

hữu ích c a các cấu trúc điều khiển khác nhau để cung cấp hiệu năng và các thuộc tính mới

mà không có bất kỳ các cấu trúc riêng lẽ nào tự chúng có thể thực hiện đ ợc Lý thuyết VSC đã cung cấp ph ơng tiện hiệu quả để thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái mạnh mẽ cho hệ thống động lực học không chắc chắn, điểm đặc biệt quyết định c a VSC là kiểu

tr ợt trên mặt chuyển đổi, mà trong mặt này hệ thống vẫn không nhạy cảm với các biến đổi

c a tham số bên trong và nhiễu bên ngoài (Utkin, 1977; DeCarlo, et al 1988; Hung, et

al 1993)

Hay nói cách khác điều khiển tr ợt là một loại đặc biệt c a VSC đ ợc đặc tr ng b i

một hệ luật điều khiển phản hồi và một quy tắc quyết định đ ợc gọi là hàm chuyển đổi

Hình 2.5 Các h ệ thống có điều khiển trượt [5, 14]

(Robust Integral Sliding Mode Control of an Aerospace Launch Vehicle - M

Bahrami, J Roshanian, B Ebrahimi)

Điều khiển tr ợt có hai chế độ liên tục với nhau (Utkin năm 1977, Utkin 1992) Đầu tiên là chế độ tiếp cận hay chế độ mà quỹ đạo pha tiếp cận mặt tr ợt và th hai là

chế độ tr ợt có nghĩa là quỹ đạo pha sẽ tr ợt trên mặt tr ợt đến đích, điều này thể hiện

rõ trong hình 2.6 [5, 14]

Hình 2.6 Hình chi ếu quỹ đạo pha

Điều kiện tr ợt Lyapunov sẽ ép các trạng thái hệ thống đi đến một mặt tr ợt và giữ cho chúng tr ợt trên mặt này, vì vậy một thiết kế SMC là bao gồm 2 giai đoạn, thiết kế

mặt tr ợt và thiết kế luật điều khiển Trong chế độ tiếp cận, động lực học điều khiển

phụ thuộc vào các thông số hệ thống, nh ng trong chế độ tr ợt thì chỉ phụ thuộc vào

mặt tr ợt, đây là thuộc tính bất biến c a chế độ tr ợt

Nh vậy đặc tính mạnh mẽ c a điều khiển tr ợt truyền thống đối với các biến đổi

c a tham số bên trong và nhiễu bên ngoài chỉ có thể đạt đ ợc sau khi xuất hiện chế độ

tr ợt và chế độ tiếp cận thì không đ ợc đảm bảo điều này Chế độ tr ợt tích phân sẽ

loại trừ pha tiếp cận bằng cách ép cho xuất hiện kiểu tr ợt trong toàn bộ đáp ng hệ

thống

2.2.2 Thi t k b đi u khi n tr t tích phơn đối v i h thống phi tuy n MIMO

Xét hệ thống động phi tuyến biểu diễn b i ph ơng trình vi phân sau:

x x X

d ( n ) ( n ) ( n ) d

với K là ma trận đ ng chéo với các phần tử là hằng số d ơng

Trong không gian n chiều ph ơng trình S=0 xác định mặt cong gọi là mặt tr ợt (sliding surface) Sử dụng ph ơng pháp Lyapunov, chọn một hàm xác định d ơng V ,

X bám theo tín hiệu đặt X d một cách tiệm cận Hình 2.7 biểu diễn quá trình tiếp cận

c a các quỹ đạo pha và quá trình tr ợt c a chúng đến điểm cân bằng