robot và điều khiển robot

luận văn về robot và điều khiển robot

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6

1.1 Robot và robot công nghiệp 6

1.1.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp 6

1.1.2 Robot và công nghệ cao 7

1.1.3. Định nghĩa về robot công nghiệp 8

1.2 Các phương pháp điều khiển robot 10

1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược 10

1.2.2. Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến 12

1.2.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch 13

1.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 14

1.2.5. Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi 15

1.2.6 Phương pháp điều khiển trượt 16

CHƯƠNG II: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG - ROBOT SCARA SERPENT 17

2.1 Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất 17

2.2 Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent 19

2.2.1 Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent 20

2.2.1.1 Cấu hình của robot Scara Serpent 20

2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent 20

2.2.2 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent 21

2.3 Động học robot Scara Serpent 23

2.3.1. Động học thuận 23

2.3.2. Động học ngược 26

2.4 Động lực học robot Scara Serpent 28

2.4.1 Hàm Euler - Lagrange và các vấn đề động lực học 29

2.4.2. Động lực học robot Scara Serpent 30

2.4.2.1. Tính toán động năng và thế năng cho từng khớp 30

2.4.2.2. Phương trình động lực học 33

2.5 Mô tả đối tượng bằng hệ phương trình trạng thái 37

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 39

3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot 39

3.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn 40

3.2.1. Xác định giá trị q02 và qc1 42

3.2.2. Phương trình đoạn cd 42

3.2.3. Phương trình đoạn ac 43

3.2.4. Phương trình đoạn df 43

3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy robot Scara Serpent ba bậc tự do 44

3.3.1 Hệ phương trình động lực học Lagrange 44

3.3.2 Hệ phương trình trạng thái 45

3.3.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID 48

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VỚI MÔ HÌNH ROBOT SCARA SERPENT 51

4.1 Đặt vấn đề 51

4.2 Sơ đồ mô hình hóa các khâu của hệ thống 51

4.2.1 Mô hình chung của robot 51

4.2.2 Mô hình khối tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn 51

4.2.3 Mô hình bộ điều khiển 52

4.3 Giao diện chương trình mô phỏng robot Scara Serpent 52

4.4 Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink 58

4.4.1 Thông số của robot và quỹ đạo chuyển động 58

4.4.2. Đặc tính của hệ thống khi robot làm việc với tải khác nhau 58

KẾT LUẬN 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 1: CÁC SƠ ĐỒ KHỐI 81

PHỤ LỤC 2: CÁC CHƯƠNG TRÌNH M FILES 86

MỞ ĐẦU

Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. 

Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt

Robot ứng  dụng  rộng  rãi và đóng  vai  trò quan trọng trong sản  xuất  cũng  như trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận

Ø Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thông minh

Ø Robot có cánh tay với  nhiều  bậc  tự  do  và có thể  thực  hiện  được  các  chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot

Để  hệ  điều  khiển  robot có  độ  tin  cậy,  độ  chính  xác  cao,  giá  thành hạ  và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu cầu  của  các  đại  lượng  điều  chỉnh  và  điều  khiển.  Ngoài ra, hệ  điều  khiển  robot phải đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện v.v

Khi thiết kế hệ điều khiển robot mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ  tiêu chất  lượng  và các yêu cầu  kinh  tế Chất  lượng  của  hệ  thống  được  thể  hiện trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Trạng thái động thì có yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động.  Đối  với  hệ  điều  khiển  robot, việc  lựa  chọn  sử  dụng  các  bộ  biến  đổi,  các  loại động cơ điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ

Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng là sử dụng các mô hình có đặc tính phi tuyến có thể ước lượng được để đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot

Đặc  điểm  cơ  bản  của  hệ  thống  điều  khiển  robot là thực  hiện  được  điều  khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi, điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động và đồng  thời  xuất  hiện  những  lực  tác  động  qua  lại,  xuyên chéo giữa  các  chuyển  động thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ điều khiển robot mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác 

hệ thống điều khiển robot Do vậy, khi điều  khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước phải giải quyết được những vấn đề sau:

Ø Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng các chuyển động thành phần và quỹ đạo chung của cả hệ như: lực quán tính, lực 

Với công cụ toán vi phân người ta đã có thể phân tích tính điều khiển được, tính quan sát được cho hệ phi tuyến

Nội dung của đề tài nghiên cứu như sau:

1 Tên đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara

2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Ứng dụng phương pháp điều khiển

động lực học ngược cho điều khiển bền vững quỹ đạo robot

3 Mục đích của đề tài: Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển robot Scara

4 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

- 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

Nội  dung  của  luận  văn  đề  cập  tới  vấn  đề  “Nâng cao chất lượng điều khiển

robot Scara” với  mục  tiêu  điều  khiển  bền  vững  và bám chính xác quỹ  đạo  chuyển 

động. Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương được tóm tắt như sau:

Chương I – Tổng quan về robot và điều khiển robot: Mô tả tổng  quan  về 

robot Phân tích ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot đã và đang được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao độ chính xác điều khiển quỹ đạo robot

Chương II – Mô tả toán học đối tượng robot Scara: Nghiên cứu  một số 

robot trong họ Scara và đi sâu vào phân tích mô hình Robot Scara Serpent để phục vụ việc nghiên cứu và kiểm chứng cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển được 

lựa chọn

Chương III – Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển 

để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quỹ đạo cho robot Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho robot Scara Serpent, xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab-Sumulink

Chương IV – Mô phỏng với mô hình robot Scara Serpent: Định hình và

kiểm  chứng  về  mặt  lý  thuyết  cơ  sở  thực  tiễn  của  đề  tài cũng  như  tính  khả  thi  của phương pháp điều khiển được lựa chọn khi áp dụng cho hoạt động bền vững của điều khiển quỹ đạo robot Scara Serpent 3 bậc tự do

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Robot và robot công nghiệp

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

Nhìn ngược dòng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất 

hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với tựa  đề  R.U.R  (Rossums  Universal  Robot)  mô  tả  về  một  cuộc  nổi  loạn  của  những  cỗ 

máy phục dịch. Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con 

người. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người Thời gian sau đó các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày một phát triển hoàn thiện.  Teleoperator là những  cơ cấu phỏng sinh học, nó bao gồm các khâu, các khớp  cùng với  các  dây  chằng  gắn  liền  với  hệ  điều  hành là cánh tay của người  điều  khiển  thông  qua  các  cơ  cấu  khuếch  đại  cơ  khí.  Teleoperator  có  thể  cầm nắm,  nâng  hạ,  dịch  chuyển,  xoay  lật  các  đối  tượng  trong  một  không  gian  hoạt  động nhất định. Tuy rằng các thao tác khá tinh vi, khéo léo nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển chỉ thuần tuý là cơ khí

Từ thập kỷ 50, sự phát triển đầy hứa hẹn của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số cứng và ngành vật liệu mới đã làm chỗ dựa vững chắc cho sự ra đời của các cơ cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation). Ngay lập tức ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với các cơ cấu điều khiển từ 

xa  (Teleoperator)  được  hình thành và triển  khai  nghiên cứu.  Sự  phối  hợp  tuyệt  vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của Teleoperator với độ thông minh nhạy bén của hệ điều  khiển  NC  đã đưa  ra  kết  quả  là một  hệ  máy  móc  tự  động  cao  cấp  với  tên gọi 

“Robot”

Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường. Tiếp theo đó các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo bản quyền của Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật (1968), Đức (1971) . . 

Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có 

kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến. Robot công nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ, 

và trong các hệ thống tự động điều khiển liên hợp

1.1.2 Robot và công nghệ cao

Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá hiện đại. Các  nước  công  nghiệp  phát  triển  đã đưa  ra  chiến  lược  dùng tự  động  hoá  hiện  đại (IR+High Tech) kéo các xí nghiệp công nghiệp đầu tư ở nước ngoài (trước đây vì lý

do lương thợ rẻ mạt) trở về chính quốc (dùng lao động là robot công nghiệp). Chính phủ  các  nước  này  đã áp dụng  những  biện  pháp hỗ  trợ  hữu  hiệu  như: coi robot công nghiệp là ngành công nghiệp quan trọng, xây dựng nhiều chương trình nhà nước về áp dụng  tiến  bộ  khoa học  kỹ  thuật  vào sản  xuất robot Khuyến  khích  bằng  cách  ưu  tiên thuế và đặt ra những quy chế có lợi cho cả người sản xuất và người sử dụng robot công nghiệp. Nhờ vậy chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng robot công nghiệp trở nên rộng 

lớn đa dạng với cơ sở nguồn động lực phát triển là “lực đẩy” của công nghệ và “lực kéo” của thị trường

Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp  những  việc  phụ  và chính của  một  quá  trình sản  xuất  thành một  dây  chuyền  tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần

Khi sử dụng robot vào các dây chuyền tự động, khâu chuẩn bị kỹ thuật được rút ngắn đi. Trong khi đó với thời gian từ lúc quyết định phương án đến lúc thiết kế xong một dây chuyền các máy tự động, một mặt hàng hoặc quy trình công nghệ đó đã có thể trở thành lạc hậu rồi. Theo số liệu của các chuyên gia Mỹ  nghiên cứu về vấn đề này khi khảo sát trên 70 đề án thiết kế thì với quá nửa số đó là phương án dùng các máy tự động chuyên dụng phải tốn hơn một năm. Vì thế, phương án dùng robot Unimate với các máy tự động vạn năng được đưa vào sử dụng và phát huy hiệu quả to lớn. 

Kỹ  thuật  robot  có  ưu  điểm  quan  trọng  nhất  là tạo  nên khả  năng  linh  hoạt  hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho 

sản  xuất  hàng loạt  với  nhiều  mẫu,  loại  sản  phẩm.  Dây  chuyền  tự  động  “cứng” gồm 

nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, tốn nhiều thời gian để thiết 

kế và chế tạo, trong lúc quy trình công nghệ  luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất 

lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy, nhu cầu “mềm” hoá hay

linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính  đã đóng  vai  trò quan trọng  trong  công  việc  tạo  ra  các  dây  chuyền tự  động  linh hoạt

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt.  Hệ  sản  xuất  linh  hoạt  FMS  (Flexible  Manufacturing  System)  ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm robot công nghiệp ở các vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ.  Việc  điều  khiển  và kiểm  tra  hoạt  động  của  toàn bộ  hệ  sản  xuất  linh  hoạt được thực hiện bằng máy tính. Ưu điểm nổi bật của hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sản phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy, ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở những nước đang phát triển. Trong một số tài liệu  nước  ngoài  FMS  như  là  hệ  sản  xuất  của  tương  lai  (Future  Manufactring System)

1.1.3 Định nghĩa về robot công nghiệp

Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn

bộ  hoạt  động  cơ  bắp  và hoạt  động trí tuệ  của  con  người  trong  nhiều  khả  năng  thích nghi khác nhau

Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia

Robot công nghiệp  có  khả  năng  chương  trình hoá linh hoạt  trên nhiều  trục 

những  bàn tay máy hoặc  các  cơ  cấu  chấp  hành giải  quyết  nhưng  nhiệm  vụ  xác  định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công (sơn, hàn, lắp ráp các cụm  thiết  bị  )  hoặc  phục vụ  các  quá  trình tổ  chức  dòng lưu  thông  vật  chất (chi tiết, dao cụ, gá lắp ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng vật chất với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt

Ta có thể điểm qua một vài định nghĩa về robot công nghiệp như sau:

- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais:

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

- Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2806/BRD:

Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động  có  thể  chương  trình hoá và nối  ghép  các  chuyển  động  của  chúng  trong  các khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các 

bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp

- Định nghĩa theo IOTC - 1980:

Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện  một chu trình công nghệ  một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người

Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thấy một ý nghĩa quan trọng: robot công nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tự động tổng hợp. Trong quá trình phân tích và thiết kế không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những 

thiết  kế tổng  thể  của  “hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng 

nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. Theo đó, các mẫu hình robot phải đảm bảo có:

- Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu

- Trình độ hành nghề khôn khéo, linh hoạt

- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc môdun hoá

1.2 Các phương pháp điều khiển robot

Cho đến  nay  trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:

- Điều khiển động lực học ngược

- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến

- 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

Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp điều khiển robot để biết được ưu nhược điểm của từng phương pháp

1.2.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược

Nguyên lý của  phương  pháp này là chọn  một  luật  điều  khiển  phù hợp  để  khử thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các khớp nối

Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích thành hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng

q &d,q & là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp

Ưu  điểm  của  phương  pháp này là khử  được  tính phi tuyến  và sự  ràng buộc trong phương trình động lực học

Nhược điểm của nó là phải biết được đầy đủ chính xác các thông số cũng như đặc tính động lực học robot, đồng thời cũng phát sinh tính toán phụ. Thuật toán tính toán điều  khiển  U  sẽ  liên  quan  các  phép  tính  lượng  giác  nên phải  thực  hiện  một  số 

Tính

) q ( g ) q , q ( h U ) q (

++K e

q&&d P

ò

0 I

phép nhân ma trận  vectơ  và  ma  trận  phụ.  Thời  gian  tính  toán lớn  là một  yếu  tố  ảnh hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này. 

1.2.2 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

1.2.3 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch

Dựa trên cơ sở lý thuyết sai lệch, Lee và Chung đã đề xuất thuật toán điều khiển  đảm  bảo  robot luôn bám quỹ  đạo  chuyển  động  đặt  trước  với  phạm  vi chuyển  động  rộng  và tải  thay  đổi  rộng.  Phương  pháp  điều  khiển  thích nghi theo sai lệch  được  xây  dựng  trên  cơ  sở  phương  trình sai lệch  tuyến  tính  hoá  lân  cận quỹ  đạo  chuyển  động  chuẩn.  Hệ  thống  điều  khiển  gồm  hai  khối:  Khối  tiền  định 

(truyền thẳng - feedforward) và khối phản hồi (feedback) như Hình 1.2

Khối  tiền  định  tính  toán  mô  men  của  robot ứng  với  quỹ  đạo  chuyển  động chuẩn  theo  phương  trình Newton-Euler Khối  phản  hồi  thực  hiện  tính  toán  thành phần mômen sai lệch theo luật tối ưu một nấc nhằm bù sai lệch vị trí và tốc độ của khớp dọc theo quỹ đạo chuyển động chuẩn. Khối đánh giá tham số thực hiện theo 

+

Hệ thống nhận dạng bình phương tối thiểu

đệ quy

sơ đồ nhận dạng bình phương tối thiểu thời gian thực đệ quy các tham số và hệ số phản  hồi  của  hệ  tuyến  tính  hoá  được  cập  nhật  và chỉnh  định  ở  mỗi  chu  kỳ  mẫu. Mômen tổng đặt lên cơ cấu chấp hành sẽ gồm hai thành phần: mômen danh định được tính theo phương trình Newton-Euler từ khối tiền định và mômen bù sai lệch 

sẽ được tính bởi khối phản hồi thực hiện theo luật tối ưu một cấp

Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có hai ưu điểm cơ bản: Nó cho phép chuyển  từ  vấn  đề  điều  khiển  phi  tuyến  về  điều  khiển  tuyến  tính  quanh quỹ  đạo  chuẩn.  Việc tính toán  mômen  danh  định  cũng  như  mômen sai lệch  được thực hiện độc lập và đồng thời. 

Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn do khối lượng tính toán quá lớn 

và do đó thời gian tác động sẽ chậm, khó tối ưu trong việc điều khiển robot

1.2.4 Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

Trong số  các  phương  pháp  điều  khiển  thích  nghi  (điều  khiển  thích  nghi  thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại, điều khiển thích nghi tự chỉnh, điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn)  thì phương  pháp  điều  khiển  thích  nghi  theo  mô  hình chuẩn (Model Reference Adaptive Control - MRAC)  được  sử  dụng  rộng  rãi nhất  và  tương đối dễ thực hiện. Nguyên lý cơ bản của điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn dựa trên sự  lựa  chọn  thích  hợp  mô  hình chuẩn  và thuật  toán  thích  nghi.  Thuật  toán  thích nghi được tính toán dựa trên tín hiệu vào là sai lệch giữa đầu ra của hệ thống thực và

mô hình chuẩn từ đó đưa ra điều chỉnh hệ số khuếch đại phản hồi sao cho sai lệch đó 

là nhỏ nhất. Sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn 

được trình bày trên Hình 1.3

Cơ cấu điều  chỉnh

Đối tượng  điều khiển

Mô hình chuẩn

Tín hiệu  đặt

Bộ điều  chỉnh

e +

- Đầu ra y

y m

Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn có một số ưu điểm quan trọng là nó không bao gồm mô hình toán học phức tạp và không phụ thuộc vào tham

số môi trường  Tuy nhiên, phương pháp này chỉ thực hiện được cho mô hình đơn giản tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các khớp của robot. Hơn nữa sự ổn định của hệ thống kín cũng là một vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến cao của mô hình động lực học robot

1.2.5 Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi

Là  phương  pháp  tổng  hợp  các  kỹ  thuật  nhằm  tự  động  chỉnh  định  các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định  chất  lượng  của  hệ  khi  thông  số  của  quá  trình được  điều  khiển  không  biết trước hoặc thay đổi theo thời gian. Việc phân tích các hệ thống điều khiển có chất lượng  cao  luôn là vấn  đề  trọng tâm  trong  quá  trình phát triển  của  lý  thuyết  điều khiển tự động nói chung và vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển bám chính xác quỹ đạo chuyển động của robot nói riêng Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn phân loại  mà có các hệ  điều  khiển  thích  nghi  khác  nhau:  Hệ  có  tín  hiệu  tìm hay không có tín hiệu tìm; hệ điều khiển trực tiếp hay gián tiếp; hệ cực trị hay hệ giải 

tích; hệ có mô hình mẫu hay hệ không có mô hình mẫu; hệ tự chỉnh hay hệ tự tổ 

chức vv  đang được phát triển và và áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển quỹ đạo với chỉ tiêu chất lượng cao. Phương pháp tổng quát hóa các hệ thích nghi 

có ý nghĩa  rất  lớn  trong  việc  bao  quát  một  số  lượng  lớn  các  bài toán thích nghi, đơn giản được việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của ngay cả các hệ phức tạp, trên

cơ sở đó xây dựng các bài toán mới, các thiết bị cụ thể mới

Đối tượng điều  khiển

Cơ cấu điều  khiển

Cơ cấu thích nghi Nhận dạng

Vấn  đề  điều  khiển  bám  chính  xác  quỹ  đạo  robot là một  vấn  đề  luôn  nhận được  sự  quan  tâm  chú  ý.  Hiện  nay  sự  phát  triển  mạnh  mẽ  của  kỹ  thuật  về  phần cứng  và phần  mềm  đã cho phép giảm  thời  gian  tính  toán,  điều  đó  dẫn  tới  những động  lực  cho  việc  thúc  đẩy  sự  phát  triển  của  các  hệ  thống  điều khiển  quỹ  đạo thích nghi cho robot

1.2.6 Phương pháp điều khiển trượt

Điều khiển chuyển động bất biến với nhiễu loạn và sự thay đổi thông số có thể 

sử dụng điều khiển ở chế độ trượt. Điều khiển kiểu trượt thuộc về lớp các hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) với mạch vòng hồi tiếp không liên tục.  Phương  pháp  điều  khiển  kiểu  trượt  có  đặc  điểm  là tính bền  vững  rất  cao  do  vậy việc thiết kế bộ điều khiển có thể được thực hiện mà không cần biết chính xác tất cả các thông số. Chỉ một số các thông số cơ bản hoặc miền giới hạn của chúng là đủ cho việc thiết kế một bộ điều khiển trượt (Variable Structure Controller - VSC)

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp  tịnh  tiến.  Các  khớp  quay  hoạt  động  nhờ  động  cơ  điện  có  phản  hồi  vị  trí.  Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng. 

Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất:

Hình 2.1a: Turbo Scara SR60 của hãng Bosch Hình 2.1b: Assembly Scara Robot của Hirata

Hình 2.1c: Scara Robot của EPSON Hình 2.1d: Scara Robot của DENSO

Hình 2.1e: Scara Robot of ADEPT Hình 2.1f: Scara Robot of RANOME

Hình 2.1g: Scara Robot of KUKA Hình 2.1h: Scara Robot of STAUBLI

Hình 2.2: Robot Scara Serpent của FEEDBACK

Trong phần  này luận  văn  sẽ  xây  dựng  mô  tả toán học  đối  tượng  robot Scara Serpent của FEEDBACK

2.2 Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent

Do chuyển  động  của  robot Scara đơn  giản,  dễ  dàng nên  nó  được  sử  dụng  khá

phổ  biến  trong  công  nghiệp.  Ở đây  nghiên  cứu  robot Scara Serpent (Hình 2.3) một 

loại cơ bản trong nhóm robot công nghiệp này

Hình 2.3: Robot Scara Serpent

Chiều cao của Robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đổi công việc

Với thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay được đặt trên trục cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đảm bảo được góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình tay máy chuyển động

Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ servo một chiều 

có phản hồi vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín. Chuyển động thẳng đứng được thực hiện bằng piton khí nén

Robot Scara Serpent có thể được lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho mỗi  trục.  Hoặc  điều  khiển  bằng  tay  sử  dụng  thiết  bị  lái  điện  (steering)  cho  tay  máy dùng các cuộn dây điện từ trong giá treo (pendant)

2.2.1 Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent

2.2.1.1 Cấu hình của robot Scara Serpent

Bao gồm một chuỗi các thanh cứng được liên kết với nhau bởi các  khớp:

Hình 2.4: Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên Robot Scara Serpent

Robot Scara Serpent gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến. Gắn cho mỗi thanh nối một hệ trục toạ độ, ta có: 

- Khớp 1 quay quanh trục z0 góc θ1

- Khớp 2 quay quanh trục z1 góc θ2

- Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z2 đoạn d3

- Khớp 4 quay quanh trục z3 góc θ4

2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent

Thông số của động cơ 1, 2, 3 tương ứng với các khớp 1, 2, 4 của tay máy robot

Scara Serpent (xem bảng 2.1)

- Động cơ 1 truyền động cho khớp 1 (main)

- Động cơ 2 truyền động cho khớp 2 (fore)

- Động cơ 3 truyền động cho khớp 4 - khớp cổ tay (wrist)

5 a1 = 0.25 m Chiều dài thanh nối giữa 2 khớp main và fore

6 a2 = 0.15 m Chiều dài thanh nối giữa 2 khớp  fore và cổ tay

7 d3 Chiều dài thanh nối d3 phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy

2.2.2 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent

Hình 2.5: Giới hạn góc quay của 2 khớp

Hình 2.6: Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent

Như vậy khoảng không gian mà tay máy có thể với tới là toàn bộ hình trụ với đáy có  đường  giới  hạn  bên trong là một  cung  tròn có bán kính r = 0.231 (m) và

Khi biết được vị trí nào mà tay máy có thể đến được chúng ta có thể lập trình trong Matlab để tìm vị trí, quỹ đạo nào mà tay máy có thể vươn tới (được xét đến ở chương III trong bản luận văn này)

2.3 Động học robot Scara Serpent

Robot Scara Serpent có cấu  trúc  động  học  được  biểu  diễn  như  trên  Hình 2.4

Robot có 3 trục  quay  và 1 bàn kẹp,  tuy  nhiên ba khớp  động  đầu  tiên  được  gọi  là bộ phận cơ bản vì trước hết, nhờ chúng tay máy có thể thực hiện bước chủ yếu trong thao tác định vị, tức là đưa bàn kẹp đến lân cận điểm làm việc, sau đó nhờ khớp động còn lại bàn kẹp được định hướng và vi chỉnh đến vị trí gia công chính xác

2.3.1 Động học thuận

Việc xây dựng các phương trình động học thuận của robot được tiến hành tuần 

tự theo các bước sau: 

Bước 1: Xác định các hệ toạ độ

Ta sử  dụng  quy  ước  Denavit-Hartenberg để  mô  tả  đầy  đủ  vị  trí  của  của  toàn

thân robot công nghiệp Hình 2.4 mô tả các hệ trục toạ độ gắn với các khúc tay  của 

robot Scara Serpent

Bước 2: Xây dựng bảng thông số DH

Bảng 2.3: Tham số Denavit – Hartenberg của robot Scara Serpent

Thanh nối ai (0) ai qi(rad) di (m) Biến Chuyển động

An=

Ma trận 0T4 biểu diễn tay máy robot trong hệ toạ độ gốc. 

Từ ma trận trên ta có hệ phương trình động học thuận tay máy robot:

(a a C ).p a S p S

nX = cosq1.cos(q2-q4) – sinq1.sin(q2-q4) = cos(q1+q2-q4) (2.23) sin(q1+q2-q4) = 1 n- 2x (2.24) (θ1+ - θ2 θ ) atan2( 1 n ,n )4 = - 2x x

θ4 = θ1 + θ2 - atan2( 1 n ,n ) - 2x x (2.25)

Vậy hệ phương trình động học ngược của robot Scara Serpent là:

(a a C ).p a S p S

+ ï

ïq = ï

ï ï

-ï

q = ï

ï = ï

-î

(2.26)

2.4 Động lực học robot Scara Serpent

Để  mô  tả  mối  quan  hệ  giữa  lực,  mômen  với  vị  trí,  vận tốc  và gia tốc  của  đối tượng robot, cần phải xây dựng được phương trình động lực học, từ đó phục vụ cho công việc thiết kế và điều khiển robot Vì vậy cần phải tính toán đầy đủ các thông số của đối tượng trước khi  đưa vào mô phỏng

Phương trình động lực học của robot được biểu diễn như sau:

H(q)q && + h(q,q) g(q) & + = t (t) (2.27) Trong đó:

0 i ij

j

TU

m k i 0

ikm

q q

T U

Với Ji là mômen quán tính của khớp thứ i

2.4.2 Động lực học robot Scara Serpent

Theo cấu hình, robot Scara Serpent có các thông số ở Bảng 2.4:

Bảng 2.4: Thông số của robot Scara Serpent

Chiều dài tâm khối lg1 lg2 lg3 lg4

Giả sử khối lượng nằm ở đầu mút các thanh nối, ta có chiều dài tâm khối chính 

Trong đó: x1, y1, z1 là hình chiếu của thanh nối số 1 lên các trục x, y, z

=

+ +

=

0

z

) θ θ sin(

l θ sin

l

y

) θ θ cos(

l θ cos

l

x

2

2 1 g2

1 1

2

2 1 g2

1 1

+

=

++

-

-=

0

z

)θθ).(

θθ.cos(

lθ.θ

.cos

l

y

)θθ).(

θθ.sin(

lθ.θ.sin

l

x

2

2 1 2 1 g2

1 1 1

2

2 1 2 1 g2

1 1 1

1

2 1 g2 1

2 2 1

2 g2

1 1 1

2 2 1 2 1 g2

1 1 1

2

2

2 2

2 2

2

2

2

θ)cosθ.θθ.(

.l2.l)θθ(.lθ

l

v

)θθ).(

θθ.cos(

lθ.θ.cosl)θθ).(

θθ.sin(

lθ.θ.sin

l

v

zy

++

=

++

++

++

-

-=

++

=

+ +

=

3

3

2 1 2

1 1

3

2 1 2

1 1

3

-l

z

) θ sin(θ l

.sinθ

l

y

) θ cos(θ l

.cosθ

l

x

2

1

2 1 2 1 2 2

1

2 2

2 2

1 2 1 2

1 1 1

2 2

1 2 1 2

1 1 1

2

3

2 3

2 3

.l2.l)θθ(.l

θθ.cos(

lθ.θ.cosl)θθ).(

θθ.sin(

lθ.θ.sin

l

v

zy

x

v

++

++

+

=

+úû

ùêë

+úû

ùêë

=

++

=

2

=

+ +

=

3

4

2 1 2

1 1

4

2 1 2

1 1

4

-l

z

) θ sin(θ l

.sinθ

l

y

) θ cos(θ l

+

=

+ +

-

1 2 1 2

1 1 1

.

4

2

1 2 1 2

1 1 1

θ θ cos(

l θ θ cos

l

y

) θ θ ).(

θ θ sin(

l θ θ sin

l J θ J θ θ J θ θ 2

(2.47)

m (m

3

l ).

m m ( l

2 4.

1 4.

.

4

θJθJθJ

θ

L

++

1 234 4

4 2 24

2

2

234

1 2 2

1 234 24

2 2 234

2

θ θ Sin l l m θ J θ ).

J l

.

m

(

θ ].

θ Cos l l m J

+

+

+ +

J40 : mô men quán tính của khớp 4

Jt : mô men quán tính của tải được nối với khớp 4

1 1

î

&

ùê

ê

êë

é

-Xh

Xh

Xh.H

3 2

1 1

CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot

Robot  thường  tự  động  thực  hiện  các  nhiệm  vụ  dịch  chuyển  hoặc  các thao tác Các hoạt  động  của  robot  thường  được  lập  trình, việc  thực  hiện  các nhiệm  vụ thường làm thay đổi một phần hoặc toàn bộ vị trí của robot trong không gian Có thể coi robot hiện đại như những người máy, có thể thực hiện các thao tác phức tạp, có độ chính xác cao

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc chung  của hệ thống điều khiển tay máy robot

Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định n thành phần mômen lực tổng quát tác động lên các khớp, mômen lực tổng quát được cung cấp bởi 

cơ cấu chấp hành Quá trình điều khiển phải đảm bảo bộ điều khiển sẽ thực hiện điều khiển  chuyển  động  của  các  khớp  theo  quỹ  đạo  q(t)  sao  cho  q(t)  luôn  bám  qđ(t), với 

qđ(t) là vectơ quỹ đạo chuyển động mong muốn

Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tay máy cho ở Hình 3.1, tay máy

sẽ bám theo quỹ đạo đặt trước (được lập trình sẵn hoặc có thể đưa vào từ chương trình phầm  mềm  kết  nối  bên ngoài) sử  dụng  bộ  điều  chỉnh  để  điều  khiển  chuyển  động  và lực, sử dụng các cảm biến để thu nhận các thông số về môi trường làm việc đảm bảo 

cho hoạt  động  bền  vững,  khử  được  nhiễu  ngoài n, nhận  biết  và  đáp ứng  thích  nghi 

được với những sự thay đổi của môi trường cũng như sự thay đổi các tham số động học của của hệ thống

Quỹ đạo

đặt

Bộ điều chỉnh

Cảm biến

Môi trường Tay máy

n

3.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn

Trong  điều  khiển  quỹ  đạo  robot,  phải  điều  khiển  tay  robot bám theo một  quỹ đạo  xác  định  trước  (quỹ  đạo  chuẩn) Quỹ  đạo  chuẩn đó  là  một  hàm phụ  thuộc  thời gian Việc  xây  dựng  quỹ  đạo  chuyển  động  chính  là tìm phương  trình mô tả  quỹ  đạo robot theo thời gian Có hai bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot:

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

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

Việc thiết kế quỹ đạo khớp robot có ưu điểm: q(t) là lượng đặt trực tiếp, hệ điều khiển là hệ điều khiển vị trí khớp, có thể xác định được điều kiện giàng buộc của động 

cơ và hệ truyền động, giải bài toán động học ngược đơn giản. Nhược điểm là khó đảm bảo chính xác quỹ đạo tay

Thiết kế quỹ đạo tay robot có ưu điểm: lượng đặt là vị trí tay robot nên đảm bảo chính xác quỹ đạo. Nhược điểm: phải giải bài toán động học ngược phức tạp với khối lượng tính toán lớn và khó tính được điều kiện giàng buộc

Yêu cầu  điều  khiển  sao  cho  khớp  robot chuyển  động  từ  vị  trí  q0 đến  vị  trí  qctrong thời gian td Với dữ kiện ban đầu như vậy có các dạng quỹ đạo như sau:

Ø Dạng quỹ đạo bậc 3

q(t) = at3 + bt2+ ct +d (3.1) Việc thiết kế quỹ đạo là xác định các hệ số a, b, c, d