Nghiên cứu điều khiển tối ưu robot ứng dụng trong công nghệ lắp ráp

Điều kiện tiên quyết của luận văn : Nghiên cứu điều khiển tối ưu về thời gian của Robot ứng dụng trong công nghệ lắp ráp tiêu chuẩn tác động nhanh với yêu cầu : lực học Robot 4 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LẮP RÁP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S K C0 0 0 3 6 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành Luận văn này, tôi xin chân thành cám ơn :

Ban Giám Hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Phòng Quản Lý Khoa Học – Quan Hệ Quốc Tế – Sau Đại Học

Trường ĐHSPKT Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian tôi làm Luận Văn Tốt Nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giảng dạy lớp cao học CKM

2001 – 2003 đã cho tôi nhiều kiến thức bổ ích

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa cơ khí chế tạo máy cho nhiều ý kiến đóng góp quan trọng thiết thực

Lời cảm ơn đặc biệt tôi xin chân thành gửi đến thầy :

TS NGUYỄN TIẾN DŨNG, đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình

trong suốt quá trình tôi thực hiện Luận Văn

Tôi xin chân thành cảm ơn Giảng viên phản biện :

Thầy TSKH : HỒ ĐẮC LỘC

Thầy TS : NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Đã cho nhiều ý kiến nhận xét đóng góp quý báu

Cuối cùng xin cảm ơn quý thầy cô cùng đồng nghiệp trong trường ĐHSPKT Tp.HCM đã động viên giúp đỡ trong suốt quá trình tôi nghiên cứu

Tp.HCM, tháng 08 năm 2004

ĐINH VĂN ĐỆ

TÓM TẮT

Ngày nay, sử dụng Robot để thay thế con người trong các lĩnh vực hoạt động sản xuất đã và đang phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết Vậy việc nghiên cứu điều khiển tối ưu về Robot là cực kỳ quan trọng

Điều khiển tối ưu Robot nhằm mục đích giảm tối đa thời gian làm việc, tiêu hao nhiên liệu và tổn thất năng lượng … trong quá trình điều khiển là thấp nhất mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tính cạnh tranh của sản phẩm

Điều kiện tiên quyết của luận văn :

Nghiên cứu điều khiển tối ưu về thời gian của Robot ứng dụng trong công nghệ lắp ráp (tiêu chuẩn tác động nhanh) với yêu cầu :

lực học Robot 4 bậc tự do (4 DOF)

gian)

ABSTRACT

Nowadays, utilization of Robot to substitute human in manufacturing activity has been developing very quickly and steadily Thus, the study of robot optimization is very important

Control optimization of robot in order to minimum operating time, fuel consumption and energy consumption in control process but still reach technical requirement

Prerequisite requirement of the Thesis

Study control optimum of time of robot in assembly engineering (fast standard operation) with following requirement

- Overview of industrial robot structure, kinematics, dynamics of 4 dof-Robot

- Robot Control basis

- Theory of optimum control

- Construction of optimum fast operating algorithm (optimization of time)

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 1

TÓM TẮT 2

MỤC LỤC 4

LỜI GIỚI THIỆU 6

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 9

1.1.TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ROBOT 9

1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 10

1.2.1 Các khái niệm ban đầu : 10

1.2.1.1 Hệ tọa độ: 10

1.2.1.2 Quỹ đạo 11

1.2.1.3 Bài Toán Động Học Thuận 11

1.2.1.4 Bài Toán Động Học Ngược 11

1.2.2.1 Bộ thông số DH 12

1.2.2.2 Thiết lập hệ toạ độ 13

1.2.2.3 Mô hình biển đổi 14

1.2.2.4 Phương trình động học 15

1.3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT: 15

1.3.1 Nhiệm Vụ Và Phương Pháp Phân Tích Động Lực Học Robot 15

1.3.2 Vận Tốc Và Gia Tốc 17

1.3.3 Động Năng Tay Máy 18

1.3.4 Thế Năng Tay Máy 18

1.3.5 Mô Hình Động Lực Học Tay Máy 19

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP 20

2.1 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO: 20

2.1.1 Quỹ đạo trong không gian khớp: 21

2.1.1.1 Chuyển động điểm-điểm: 22

2.1.1.2 Chuyển động theo đường 22

2.1.2.Quỹ đạo trong không gian công tác: 23

2.2 ĐIỀU KHIỀN CHUYỂN ĐỘNG 23

CHƯƠNG 3 : LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐI ƢU 26

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG: 26

3.1.1 Thiết lập bài toán tối ưu : 26

3.1.2 Xác định algorit điều khiển (hay là luật điều khiển) 27

3.1.3 Tổng hợp thiết bị điều khiển tối ưu: 27

3.2 BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU : 27

3.2.1 Đối Tượng Điều Khiển 27

3.2.2 Tiêu chuẩn tối ưu 28

3.2.3 Trạng thái đầu và đích của điều khiển 28

3.2.4 Lớp Điều Khiển Cho Phép 28

3.3 PHƯƠNG PHÁP BIẾN PHÂN (VARIATIONAL METHOD) 29

3.3.1 Bài tốn 29

3.3.2 Điều kiện cần của tối ưu 29

3.3.3 Thuật tốn để giải bài tốn 30

3.4 NGUYÊN LÝ CỰC ĐẠI PONTRYAGIN (PONTRYAGINS MAXIMUM PRINCIPLE) : 30

3.4.1 Bài tốn cĩ điểm biên cố định, thời gian điều khiển chưa cho trước: 31

3.4.2 Bài tốn cĩ điểm biên di động, thời gian chưa cho trước: 33

3.4.3 Bài tốn với thời gian điều khiển cho trước 34

3.4.4 Bài tốn điều khiển tối ưu với hệ ơtơnơm 34

3.5 BÀI TOÁN TỐI ƯU TÁC ĐỘNG NHANH 36

3.6 PHƯƠNG PHÁP DỐC NHẤT : 37

3.6.1 Áp dụng trực tiếp 37

3.6.2 Áp dụng với nguyên lý pontryagin 38

CHƯƠNG 4 : THUẬT TỐN GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU TÁC ĐỘNG NHANH CỦA ROBOT 4 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ LẮP RÁP 40

4.1 ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC : 40

4.2 THUẬT TOÁN TỐI ƯU : 46

4.2.1 Thuật toán giải theo hàm chất lượng Ricarti : 46

4.2.2 Thuật toán giải tối ưu theo nguyên lý cực đại Pontryagin : 54

4.3 SO SÁNH : 61

CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG 62

5.1 KẾT LUẬN : 62

5.2 ĐỀ XUẤT HƯỚNG MỞ RỘNG : 62

PHỤ LỤC 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

LỜI GIỚI THIỆU

Vào đầu thập niên 20, những máy Robot đã được sản xuất và sử dụng ở Ai Cập, Ý và một số nước Châu Âu khác, nhưng mãi đến những năm 60, lần đầu tiên Robot được ứng dụng trong hoạt động sản xuất Sau đó, được sử dụng nhiều trong ngành xe hơi Nhật Bản Vào thập niên 70, máy tính đã ra đời, đặc biệt là máy điều khiển theo chương trình số (CNC) và vào thập niên 80 phát triển mạnh mẽ về điều khiển Robot và chất lượng điều khiển Robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất : công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, thám hiểm, y tế, ở những nơi sản xuất mà có thể :

- Môi trường độc hại : có đe dọa đến sức khỏe hay sự an toàn của con người, những môi trường mà con người không thể trực tiếp tham gia : môi trường phóng xạ, độ ồn cao, bụi bặm, nhiệt độ cao, có thể gây thương tật cho người lao động, mang vác nặng v.v…

- Những khu vực thao tác sản xuất không nặng nhọc nhưng đơn điệu gây nhàm chán trong thao tác của công nhân dễ gây nên phế phẩm

- Những khu vực sản xuất mà thời gian phụ lớn, ảnh hưởng đến năng suất lao động và hiệu suất của thiết bị

- Ở những dây chuyền sản xuất tự động, liên tục, yêu cầu số lượng lớn công nhân có trình độ cao, sự tham gia của Robot góp phần giảm chi phí đào tạo và thay thế lao động, không bị động về lực lượng lao động

Việc nghiên cứu, điều khiển Robot là rất quan trọng Ngày nay, người ta nghiên cứu đến một thế hệ "Robot thông minh" nhằm để thực hiện các chức năng như con người thật

Việc chế tạo ra Robot, điều khiển và vận hành trong sản xuất là một việc tất yếu Tuy nhiên, theo xu hướng tiến bộ của khoa học kỹ thuật Chúng ta phải tối ưu Robot trong hoạt động sản xuất mục đích tăng năng suất mà vẫn đảm bảo kỹ thuật

Nghiên cứu điều khiển tối ứu về thời gian của Robot ứng dụng trong công nghiệp lắp ráp (Theo tiêu chuẩn tác động nhanh - Tối ưu về thời gian) là một phần quan trọng trong lý thuyết nghiên cứu điều khiển tối ưu robot

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, việc ứng dụng Robot vào thực tiễn sản xuất để thay thế con người là việc đã và đang phát triển không ngừng Tuy nhiên việc tối ưu hóa quá trình làm việc của Robot là việc cấp bách và quan trọng hơn bao giờ hết, mục đích tối ưu Robot trong hoạt động sản xuất là tăng năng suất, giảm giá thành mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN :

Luận văn xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu Robot 4 bậc tự do ứng dụng trong công nghiệp lắp ráp Vì vậy phải hội đủ các yếu tố sau :

- Tổng quan về cấu trúc Robot công nghiệp - động học, động lực học Robot 4 loại tự do :

+ Cơ sở điều khiển Robot

+ Lý thuyết điều khiển tối ưu

+ Xây dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu về thời gian)

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI :

Nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot công nghiệp là một lĩnh vực khoa học kỹ thuật Do đó người nghiên cứu phải giải quyết nhiều vấn đề về động học, động lực học, điều khiển, điều khiển tối ưu …

Điều khiển tối ưu về thời gian của Robot trên nền tảng xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu là vấn đề quan trọng, đó là nội dung cốt lỏi được trình bày trong luận văn này

ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN :

Điều khiển tối ưu Robot góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều lao động Áp dụng điều khiển tối

ưu thời gian Robot có các ưu điểm sau :

- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế Robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi

công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ của sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng điều khiển tối ưu về thời gian của Robot vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động

- Việc áp dụng tối ưu Robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ, vì nếu tăng nhịp dây chuyền sản xuất khẩn trương, nếu không thay thế con người bằng Robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi, thực tế năng suất tăng lên trên 3 lần

- Ứng dụng tối ưu Robot cải thiện điều khiển lao động Đây là ưu điểm nổi bật nhất trong thực tế sản xuất có rất nhiều người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi người lao động cần phải làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị cụt chân tay, dễ bị nhiễm chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ …

Force arm Upper arm

Shoulder arm

Wirst

Base Manipulater

1.1.TOÅNG QUAN VEÀ CAÁU TRUÙC ROBOT

Robot công nghiệp gồm các thành phần cơ bản sau đây:

đưa từ bộ điều khiển cầm tay (teach pedant) kích chuyển động và ngắt chuyển động Robot

và bộ chấp hành, có thể là năng lượng điện, thủy lực hay khí nén

nhiệm vụ nắm chắc và giữ chặc vật thể trong quá trình Robot chuyển động, bộ phận còn lại gọi là cánh tay của Robot công nghiệp

1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT

1.2.1 Các khái niệm ban đầu :

Về mặt động học, có thể xem Robot là một chuỗi động hở với một khâu cố định, gọi là giá, và các khâu động Mỗi khâu động là một vật rắn tuyệt đối được liên kết hoặc nối động với nhau nhờ các khớp động Để dễ dàng thực hiện việc điều khiển độc lập các khớp động, người ta thường sử dụng những loại khớp chỉ cho phép thực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khâu được liên kết Do đó, các khớp động thường được sử dụng là các khớp tịnh tiến (khớp trượt) và khớp bản lề (khớp quay) Vì vậy, thông thường thì cơ cấu Robot có bao nhiêu khâu thì sẽ có bấy nhiêu bậc tự do hay bậc chuyển động

1.2.1.1 Hệ tọa độ:

Để khảo sát chuyển động của các khâu, ta thường dùng phương pháp hệ tọa độ tham chiếu (reference frame) “Gắn cứng” lên mọi khâu động

còn gọi là hệ tọa độ tuyệt đối, hệ tọa độ tham chiếu hay hệ tọa độ cơ sở

Ta có thể khảo sát chuyển động của một khâu bất kỳ trên tay máy hoặc chuyển động của một điểm bất kỳ thuộc khâu

Vậy tọa độ của điểm M thuộc một khâu bất kỳ của Robot, được xác

định bởi bán kính vector rM(0) Với các thành phần (hình chiếu) của nó trong hệ tọa độ cơ sở (Oxyz)0 lần lượt là XM(0), YM(0), XM(0) được gọi là tọa

độ tuyệt đối của điểm M

Tọa độ của điểm M thuộc khâu thứ k được xác định bởi bán kính,

cứng với nhau lần lượt xM(k), yM(k), zM(k) được gọi là toạ độ tương đối của

điểm Nếu M là điểm cố định trên khâu thì toạ độ tương đối của M sẽ

không thay đổi khi khâu chuyển động

Dưới dạng ma trận ta có thể biểu diễn:

M

k M

k M k

M M M M M

M M

z y

x R

z y x z

y

x

0 0 0 ) 0

(

.

của nó Nói cách khác, tùy thuộc vào tập hợp các chuyển động, gọi là các

các toạ độ suy rộng, có thể chuyển vị góc ở khớp quay hoặc chuyển vị dài ở các khớp tịnh tiến của các khâu thành viên mà ta có những cách khác nhau để đưa khâu tác động cuối đạt tới vị trí và hướng mong muốn

động tương đối giữa các khâu, ta có thể biểu diễn:

XM = XM (q1, q2,…,qn)

YM = YM (q1, q2,…,qn)

ZM = ZM (q1, q2,…,qn)

1.2.1.3 Bài Toán Động Học Thuận

Cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể hiện bằng các toạ độ suy rộng q ta phải xác định quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của tay máy trong hệ trục toạ độ vuông góc (oxyz)0 (hệ trục tọa độ Descartes)

Bài toán động học thuận ở tay máy có nội dung gần giống như bài toán phân tích động học cơ cấu

1.2.1.4 Bài Toán Động Học Ngược

Cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác

động cuối (hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí và

phải xác định quy luật chuyển động của các khâu thể hiện thông qua các toạ độ suy rộng qi(t)

Đôi khi, bài toán trong thực tế được đặt ra gần như một bài toán tổng hợp động học cơ cấu: nghĩa là, bài toán chỉ cho trước yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối; ta phải xác định cấu tạo cơ cấu tay máy và quy luật chuyển động q, của các khâu thành viên

1.2.2.1 Bộ thông số DH

Dưới đây trình bày cách xây dựng các hệ toạ độ đối với 2 khâu động liên tiếp i và i+1 Trường hợp 2 khớp động liên tiếp là khớp quay Khớp i là khớp tịnh tiến

Hình 1.2 Các hệ toạ độ đối với 2 khâu động liên tiếp

Hình 1.3 : Các hệ toạ độ đối với 2 khâu động liên tiếp có khớp tịnh tiến

Trước hết xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp

động i+1 và i :

chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc

chung giữa khớp động i và trục khớp động i-1

i

Bộ thông số này được gọi là bộ thông số Denavit – Hartenbert, hoặc

viết tắt là bộ thông số DH

Biến khớp (joint variable) :

Để kí hiệu biến khớp dùng thêm dấu (*) và trong trường hợp khớp

1.2.2.2 Thiết lập hệ toạ độ

Gốc của hệ toạ độ gắn liền với khâu thứ i (gọi là gệ toạ độ thứ i)

đặt giao điểm giữa hai đường vuông góc chung (i) và trục khớp động i+1,

Nếu 2 trục song song với nhau thì chọn gốc hệ toạ độ là điểm bất kỳ trên trục khớp động i+1

hướng tứ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp hai trục giao nhau,

mặt phẳng chứa zi , zi-1

1.2.2.3 Mô hình biển đổi

Trên cơ sở đã xây dựng các hệ toạ độ với 2 khâu động liên tiếp như trên đã trình bày, có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ toạ độ liên tiếp theo 4 bước sau đây :

1 Quay quanh trục zi-1 với góc θi

2 Tịnh tiến dọc trục zi-1 mộtquảng di

3 Tịnh tiến dọc trục xi-1 ( đã trùng với xi ) một đoạn ai

Bốn bước biến đổi này được biểu hiện bằng tích các ma trận thuần nhất như sau :

Ai = R(z , θi ) Tp ( 0,0,di ) T p ( ai , 0, 0 ) R ( x , a i) (1.2) Biểu thức (1.2) là quan hệ giữa toạ độ i so với toa độ i-1 và được gọi

là mô hình DH (DH – model) Cách thiết lập mô hình động học theo kiểu

mô hình DH tỏ ra thuận lợi trong khi giải quyết các vấn đề cơ học robot,

vì thế được dùng khá rộng rãi Ngoài ra còn tồn tại một vài cách khác để thiết mô hình động học như Universal – model, S – model

Các ma trận ở vế phải phương trình (1.2) tính theo các công thức trên Sau khi thực hiện phép nhân các ma trận nói trên ta có :

0 0

i i i i i

i i

i i i i i i i

d C

S

S a S S C

C S

C a S S C S C

0 0

0

0 0

i i i

i i i

i i

i i i i i

d C

S

S S C

C S

S S C S C