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

Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người làm việc với năng suất cao và đặc biệt trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot di động đa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG DANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN CÔNG DANH

ĐIỀU KHIỂN HỆ TAY MÁY DI ĐỘNG DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Công Danh Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 4/10/1987 Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 76 Phạm Ngọc Thạch, P9, TP Vũng Tàu

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ … / … đến … / …

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 2/2010

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Ngành học: Kỹ Thuật Điện- Điện Tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Điều khiển máy cuốn giấy sử dụng PLC trong hệ SCADA

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI

HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Công Danh

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay học viên đã hoàn thành

đề tài tốt nghiệp cao học của mình Để có được thành quả này, học viên đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình từ thầy cô, gia đình, và bạn bè

Học viên xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, chân thành đến Thầy

TS.Nguyễn Hùng, người đã tận tình trực tiếp hướng dẫn học viên thực hiện hoàn

thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại Học

suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn quý Thầy cô đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2010 – 2012, mang đến cho học viên những kiến thức quý báu làm nền tảng hoàn thành luận văn, cũng như hành trang vô cùng quý giá cho con đường nghiên cứu khoa học

Xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều về vật chất cũng như tinh thần, và đó chính là động lực giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

TÓM TẮT

Theo đà phát triển nhanh chóng của khoa học, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến hơn trong sản xuất cũng như trong đời sống của con người Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người 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 được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội Từ thực tế

đó, việc xây dựng các bộ điều khiển cho Robot di động đã trở nên một yêu cầu thiết yếu Những thách thức 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 của nhiễu như 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 phương pháp điều khiển chuyển động phân tán dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Khi đó hệ tay máy được xem như hai hệ con riêng biệt là đế di động và tay máy Hai bộ điều khiển chuyển động phân tán được thiết kế để điều khiển hai hệ con này Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển, tiến hành viết chương trình mô phỏng dùng phần mềm Matlab, tiến hành chạy

mô phỏng để kiểm chứng quá trình hội tụ và tính ổn định của các sai lệch vị trí và tốc

độ Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày cho thấy hiệu quả của 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

MỤC LỤC

Trang tựa Trang

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt luận văn iv

Mục lục vi

Danh sách các hình ix

Danh sách các bảng xi

Chương 1 Tổng quan 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 2

1.2.1 Tổng quan chung về robot 2

1.2.3 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 17

1.3 Mục đích của đề tài 25

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 25

1.5 Kết quả dự kiến đạt được 25

Chương 2 Cơ sở lý thuyết 26

2.1 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov: Sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển 26

2.2 Lý thuyết điều khiển trượt 28

2.2.1 Giới thiệu chung 28

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

Chương 3 Mô hình toán hệ tay máy di động 34

3.1 Mô hình hình học của 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

Chương 4 Thiết kế bộ điều khiển 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 trượt tích phân (ISMC) cho tay máy 43

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

Chương 5 Kết quả mô phỏng 53

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển đề tài 66

6.1 Những kết quả đạt được 66

6.2 Hạn chế của đề tài 66

6.3 Hướng phát triển của đề tài 66

Tài liệu tham khảo 68

Phụ lục A 71

Phụ lục B 75

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 3 Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 3 Hình 1.3 iRobot Roomba®415 5 Hình 1.4 Robot Dragon hoạt động trong mọi điều kiện môi trường 5 Hình 1.5 Robot tự hành Sojourner 6 Hình 1.6 Robot Plustech 6 Hình 1.7 Robot MAARS được sử dụng trong quân đội 7 Hình 1.8 Xe tự hành (autonomous guided vehicle – AGV) 7 Hình 1.9 Robot ASIMO của hãng Honda 13 Hình 1.10 Robot Hector của trường Đại học Bielefeld (Đức) thiết kế 13 Hình 1.11 Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu 18 Hình 1.12 Mô hình robot hàn MR-SL 20 Hình 1.13 Các sai số bám e1,e2,e3 20 Hình 1.14 Robot SuperMARIO 21 Hình 1.15 Các sai số bám e x và e y (m) 21 Hình 1.16 MICRO robot 22 Hình 1.17 Các sai số khi robot bám đường thẳng 23 Hình 1.18 Robot hàn MSB-2 24 Hình 1.19 Các sai lệch bám e1,e2,e3 24 Hình 1.20 Vận tốc góc của robot 24 Hình 2.1 – 2.2 Minh họa hàm Lyapunov 27 Hình 2.3Ví dụ minh họa đinh lý Lyapunov 27 Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi 29 Hình 2.5 Các hệ thống có điều khiển trượt 30

Hình 2.7 Biểu diễn hình chiếu của quỹ đạo pha 33 Hình 2.8 Hiện tượng chattering 33 Hình 3.1 Sơ đồ của hệ tay máy di động 34 Hình 3.2: Vận tốc dài của các bánh xe và tâm quay M 36 Hình 4.1 Hình biểu diễn các thành phần vector sai số eocủa tay máy 44 Hình 4 1 Hình biểu diễn các thành phần vector sai số của MP 48 Hình 4.3 Đặc tính hàm  ( ) 49 Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển 52 Hình 5.1 Cấu hình của hệ tay máy di động khi bám theo quỹ đạo 57 Hình 5.2 Quỹ đạo của điểm tác động cuối bám theo quỹ đạo khi bắt đầu 57 Hình 5.3 Các sai số bám e1, e2, e3 trong toàn thời 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 thời gian 59 Hình 5.6 Các sai số bám e4, e5, e6 khi bắt đầu 59 Hình 5.7 Giá trị các góc khớp của tay máy 60 Hình 5.8 Mặt trượt S1 và S2 60 Hình 5.9 Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay của đế di động 61 Hình 5.10 Vận tốc bánh trái và vận tốc bánh phải 61 Hình 5.11 Vận tốc của điểm tác động cuối và vận tốc mong muốn

trong toàn thời gian 62 Hình 5.12 Vận tốc của 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 trượt Sv ở thời gian bắt đầu 63 Hình 5.15 Các sai số e v ở thời gian bắt đầu 64 Hình 5.16 Các sai số e v trong toàn bộ thời gian 64

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot 9 Bảng 1.2 Ký hiệu của các loại bánh xe 14 Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe của Robot 15 Bảng 5.1 Các thông số của hệ tay máy 53 Bảng 5.2 Các giá trị khởi tạo ban đầu 54 Bảng 5.3 Các giá trị thông số sử dụng trong mô phỏng 55

Để thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, chắc chắn cần phải nghiên cứu 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 ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động Việc nghiên cứu và chế tạo robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản xuất là hết sức cần thiết, vì Robot sử dụng được trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt như: áp suất, nhiệt độ cao; từ trường mạnh … giúp tăng năng suất và tiết kiệm sức lao động của con người

1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.2.1 Tổng quan về robot

Những Robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ Robot là một cách gọi khác của từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những người máy có khả năng làm việc nhưng không có khả năng suy nghĩ

Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot Trước những năm 1970, người 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 được những thành tựu hết sức to lớn Những tay máy được 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 như 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 được Một điểm khác đáng chú ý là tính năng AutoSave - robot tự động lưu lại các chương trình đang lập trình nếu xảy ra mất điện, do vậy giúp khách hàng tiết kiệm thời gian lập trình robot trong trường hợp bị mất điện

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 của Công ty Electrolux tại Dudley Park, Nam Úc đã đảm bảo được 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 được trang bị vào dây chuyền sản xuất đã mang lại cho quy trình sản xuất của công ty nhiều lợi ích, tính linh hoạt, hiệu quả và chất lượng

Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400

Trong ngành công nghiệp điện tử, các cánh tay Robot có thể được sử dụng để lắp ráp linh kiện cho điện thoại di động và máy tính xách tay với độ chính xác của một siêu nhân

Tuy nhiên, dù đạt được nhiều thành công nhưng những Robot công nghiệp trên vẫn còn một nhược điểm cơ bản đó là thiếu tính lưu động Những cánh tay Robot chỉ

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

Ngược 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 của con người, nó có thể di chuyển khắp nơi, khả năng ứng dụng linh hoạt làm cho nó có thể được sử dụng ở bất

cứ nơi đâu Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh Robot tự hành ngày càng có nhiều ý nghĩa trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, các ứng dụng khoa học và phục vụ đời sống của con người Với sự phát triển của ngành Robot học, Robot tự hành ngày càng có khả năng hoạt động trong các môi trường khác nhau, tùy mỗi lĩnh vực áp dụng mà chúng có nhiều loại khác nhau như Robot sơn, Robot hàn, Robot cắt cỏ, Robot thám hiểm đại dương, Robot làm việc ngoài vũ trụ Cùng với sự phát triển của yêu cầu trong thực tế, Robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho các nhà nghiên cứu Vì vậy các nghiên cứu bắt đầu tập trung hơn vào robot di động Các robot di động có người điều khiển đã được dùng nhiều cho các mục đích dân sự, quân sự, các nhiệm vụ nguy hiểm như phá mìn, thăm

dò đáy đại dương, hầm mỏ, kiểm tra các đường ống ngầm, hay thăm dò sao Hoả…

Hình 1.3: Giới thiệu iRobot Roomba - một sáng chế của hãng Irobot (Mỹ) giúp làm sạch gầm giường, gầm tủ - nơi bụi bẩn lưu cữu lâu ngày Irobot Roomba sẽ giúp bạn có một căn phòng sạch đến bất ngờ 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 giường, gầm tủ, cho căn phòng của bạn luôn sạch bụi bẩn (

Hình 1.3: Giới thiệu iRobot Roomba

Hình 1.4 Dragon là loại robot có kích thước nhỏ được phát triển nhằm phục vụ cho hải quân Mỹ với nhiệm vụ kiểm tra các vật đáng ngờ dưới 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 ở mức rất cao.( http://www.vietnamplus.vn/Home/My-phai-robot-quan-doi-tham-gia-tro-giup-Nhat-Ban/20114/83752.vnplus)

Hình 1.4 Robot Dragon hoạt động trong mọi điều kiện môi trường