Tiểu luận robot công nghiệp

Tiểu luận robot công nghiệp

NỘI DUNG 1/ Vẽ sơ đồ nguyên lý của tay máy, xây dựng hệ trục và bảng D-H:

Cho tay máy có 4 khâu như hình vẽ, góc β= 300.

γ γ γ

3 2

4 4

3

2 2

γ γ

d

γ γ

β γ

cos 1 sin 1 cos 1 sin 1 sin 1 1 cos 1

2 3 sin 1 0 cos 1 1 sin 1

2 1

d

l

l l

cos 2 sin 2 cos 2 sin 2 sin 2 2 cos 2

sin cos cos cos sin sin

2 3 sin 0 cos

2 1 2

a a A

2 3 sin 1 cos 2 cos 1 sin 1 sin 2 1 sin 1

2 1 sin 2 0 cos 2

cos 1 2 sin 1 cos sin 1 2

sin cos cos cos sin sin 0 0 1 0

0 cos

β β

cos(90 ) cos( )cos(90 )

sin cos cos sin sin sin(90 ) sin cos cos(90 )

3 sin 2sin cos cos(90 ) cos sin(90 ) 2

2 sin cos(90 ) 2

l

l

l l

0 0

1 1

1 1

os

sin sin

os os

0 0

β

β β

β β

os sin sin sin os 0 0

0 0

c

c Z

1 1

cos

sin sin

cos cos

0 0

β β

0 1 0 12

0 1 0 12

os sin sin sin cos

m a X

0 1 0 12

0 1 0 12

cos( ) 0 sin

sin cos 0 cos sin(90 ) sin cos cos(90 )

+ Tính vận tốc khối tâm của từng khâu:

+ Vận tốc khối tâm khâu 1:

0(0) 0

1 1(1)

os 0 0 0 4

β β

β β

β β

sin sin os

1 2

2 3

1

1

os sin 0 sin sin 0

3 os 2 3

2 2

1 1

os sin os 1 sin

Ma trận quán tính của cơ cấu chấp hành:

Thay I và J vào phương trình

1 2

1 2

Phần 3: Xây dựng bộ điều khiển cho khớp trên với các yêu cầu:

1 Chọn động cơ và công suất động cơ:

a Chọn động cơ:

- Cỏnh tay robot sử dụng 5 động cơ điện một chiều (cho 4 khớp và bàn kẹp) Chiều quay của động cơ quyết định bởi cực tớnh của điện ỏp cung cấp Do yờu cầu điều khiển chớnh xỏc vị trớ điểm tỏc động cuối của robot, ta chọn động cơ cho cỏc khớp quay là loại động cơ Servo Đõy là loại động cơ cho phộp ta điều khiển chớnh xỏc cả tốc độ và vị trớ của rotor Động cơ tớch hợp một mạch encoder, phản hồi

trạng thỏi vị trớ của trục ra, dựa vào đú ta giảm thiểu

được sai số do tải trọng bờn ngoài thay đổi…

Chọn cụng suất động cơ:

4.2 Xõy dựng hàm truyền của bộ điều khiển:

Từ đặc điểm làm việc của Robot ngời ta chia việc điều khiển Robot thành hai bài toán:

+Bài toán điêù khiển thô: là bài toán xác định cách điều khiển thích hợp sao cho các khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trong quá trình thời gian ở đây bao gồm tốc

độ và vị trí tay Điều khiển thô chỉ thực hiện điều khiển quỹ đạo.

+Bài toán điều khiển tinh : là bài toán có xét đến cả môi trờng làm việc của Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo.

Hỡnh 4.3 Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot.

4.3 Đ ỏn h giỏ chất lượng của hệ thống điều khiển

Với giả thiết tay Robot di chuyển không tải và không tiếp xúc với môi trờng làm việc thì bộ điều khiển quỹ đạo đợc thiết kế sao cho Robot có thể bám theo một quỹ đạo

đặt trớc (di chuyển của Robot là tự do trong không gian).

4.3.1 Ph ơng pháp điều khiển có phản hồi

+Bộ điều khiển phản hồi PD:

• Bộ điều khiển PD không có điều chỉnh tốc độ.

Bộ điều khiển này sử dụng đồng thời cả hai bộ tỷ lệ P và bộ vi phân D Bộ tỷ lệ P khuếch

đại tín hiệu sai số vị trí, bộ vi phân D chỉ khuếch đại tín hiệu phản hồi về vận tốc góc khớp Luật điều khiển có dạng :

Mdk = K P ε − K qD &

Trong đó:

Hỡnh 4.4 Bộ điều khiển PD không có điều chỉnh tốc độ.

•

Bộ điều khiển khác với bộ điều khiển PD không điều chỉnh tốc độ ở chỗ : Có tín hiệu sai lệch về vận tốc góc khớp Tín hiệu sai lệch vận tốc này đợc khuếch đại qua khâu D Luật

ε = & & & qd − q : là sai lệch tốc độ.

KP,KD : là hệ số khuếch đại tỷ lệ và vi phân và là các ma trận đờng chéo.

q q

Hỡnh 4.5: Cấu trúc bộ điều khiển PD có điều chỉnh tốc độ.

Bộ điều khiển phản hồi PD có u điểm :

+Tính toán hệ thống đơn giản.

+ Độ tác động nhanh.

Nhng nó có nhợc điểm là:

+Bộ điều khiển là độc lập cho từng khớp trong khi đó các khớp lại có sự liên hệ với nhau.

+Muốn tính đợc các thông số của PD phải biết đầy đủ các thông số của Robot

Để nâng cao độ chính xác tĩnh của hệ thống điều khiển thì phải tăng hệ số khuếch đại K, nhng nếu hệ số khuếch đại K lớn sẽ làm giảm độ ổn định của hệ thống Với việc dùng

bộ điều khiển PID sẽ khắc phục đợc nhợc điểm của bộ điều khiển PD Khi đó luật điều khiển có dạng:

KP, KD, KI : là hệ số khuếch đại tỷ lệ, hệ số khuếch đại vi phân và hệ số khuếch đại tích phân, và là các ma trận đờng chéo.

4.3.2 Ph ơng pháp điều khiển tiền định.

Nội dung của phơng pháp này là :

+ Đảm bảo cho Robot có mômen di chuyển yêu cầu.

+ Dựa trên các tín hiệu đặt (q ,q ,q )d & &d &d ⇒ Tính toán đợc Mđ.

Hỡnh 4.6: Cấu trúc bộ điều khiển tiền định

Luật điều khiển có dạng :

M M (q ,q ,q ) M = d d & &&d d + f

Để bù nhiễu, đa thêm thành phần mômen phụ (sai lệch vị trí,tốc độ)

M = K ε + K ε &

Phơng pháp này có đặc điểm : Do Mđ mang tính định sẵn nên giảm đợc thời gian tính toán tuy nhiên ˆR− 1 là một mô hình phải biết trớc (phải biết mô hình Robot)

4.3.3 Ph ơng pháp điều khiển Động lực học

Còn gọi là phơng pháp điều khiển mômen tính toán, dựa trên nguyên lý cơ bản lựa chọn luật điều khiển sao cho khử đợc các thành phần phi tuyến của phơng trình động học Robot và phân ly đặc tính động lực học các thanh nối (tạo ra hệ thống tuyến tính độc lập giữa các khớp) Kết quả sẽ nhận đợc một hệ thống tuyến tính.

Với && && && ε =i qid − qi là sai lệch gia tốc của góc khớp.

Thay vào phơng trình trên ta đợc :

&& ei + KDiε + & Kpi iε + KIi∫ ε τ τ =i( )d 0

Đạo hàm hai vế của phơng trình ta nhận đợc phơng trình vi phân sai số từng khớp :

& ε + &i KDi i& ε + KPiε + &i KIi iε = 0

Bằng phơng pháp mô hình hoá hoặc phơng pháp đặt nghiệm cực, ta xác định đợc các hệ

số KDi,KPi,KIi sao cho hệ thống hội tụ, ổn định.

Hỡnh 4.8: Sơ đồ cấu trúc hệ thống.

Phơng pháp này có u điểm là : khử đợc tính phi tuyến của hệ thống Tuy nhiên phơng

+Hệ thống điều khiển cồng kềnh, khối lợng tính toán lớn.

+Chỉ thực hiện khi biết đầy đủ các tham số của Robot.

+Luật điều khiển không thích nghi khi tham số biến đổi

4.3.4 Ph ơng pháp điều khiển thích nghi

Lý thuyết về phơng pháp điều khiển thích nghi đã đợc nghiên cứu từ lâu nhng không đợc ứng dụng do số các phép tính trong bài toán này là quá lớn Hiện nay, phơng pháp điều khiển thích nghi đợc ứng dụng mạnh mẽ nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin, kỹ thuật điện, điện tử cho phép giải quyết những phép tính đó.

Trong thực tế, rất nhiều hệ thống phi tuyến và bị biến đổi trong quá trình làm việc Phơng pháp điều khiển thích nghi thích hợp đối với các quá trình có thông số biến đổi hoặc các quá trình không hoàn toàn xác định Nó có khả năng cho phép xác định các tham số điều khiển thích hợp khi điều kiện làm việc thay đổi.

Hệ thống Robot là một hệ thống phi tuyến với nhiều ảnh hởng nhiễu không xác

định, có sự tác động xuyên chéo giữa các khớp, sự phi tuyến này chịu ảnh hởng lớn của

+Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn.

+Điều khiển thích nghi tự chỉnh.

4.3.5 Điều khiển thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại.

Trong phơng pháp này, hệ thống thực việc đo lờng một số biến có liên quan tới sự thay đổi của quá trình động học Những biến này có thể sau đó đợc sử dụng để thay đổi

hệ số khuếch đại của bộ điều khiển Bộ điều khiển thích nghi sẽ thực hiện việc bù sự thay

đổi của hệ số khuếch đại

Hỡnh 4.9: Điều khiển thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại.

Hệ thống có hai vòng lặp:

+Vòng lặp thứ nhất phản hồi tín hiệu ra về bộ so sánh ở đầu vào, nó đảm bảo tín hiệu đầu ra luôn bám sát tín hiệu đặt.

+Vòng lặp thứ hai đo và điều chỉnh tham số của bộ điều chỉnh trên cơ sở các luật

điều khiển sử dụng.

Phơng pháp này có u điểm: giảm ảnh hởng của biến thiên tham số, tham số của bộ

điều khiển thay đổi rất nhanh tơng ứng với sự thay đổi của quá trình

Phơng pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn là một dạng điều khiển thích nghi quan trọng trong đó dạng tín hiệu mong muốn đợc thể hiện thông qua tín hiệu

ra của mô hình chuẩn.

Mô hình tổng quát của hệ thống:

Hỡnh 4.10: Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn (MRAC).

Hệ thống có một vòng lặp thông thờng để đảm bảo sự bám sát của tín hiệu ra so với tín hiệu vào và một vòng lặp khác cho phép thay đổi tham số của bộ điều khiển để

đảm bảo chất lợng của hệ thống khi tham số động học của hệ thống bị thay đổi.

Tham số điều khiển bị thay đổi dựa trên sai số giữa tín hiệu ra của mô hình thực

và tín hiệu ra của mô hình chuẩn

Xm, Xs: là các véc tơ trạng thái của mô hình và hệ thống điều chỉnh (có n bậc).

Tiêu chuẩn tối u ở đây có thể xem nh một hàm :

(IP) = ε F( ,e, t,aim − a )is

Trong đó : aim, ais là các thông số của mô hình và hệ thống điều chỉnh

Mục đích của cơ cấu thích nghi ở đây là điều chỉnh các thông số nào đó sao cho hệ thống

Giả thiết đã biết các tham số, từ phơng trình động lực học ta tính đợc các thành phần H,

Luật điều khiển thích nghi là:

Mdk = H(q).(q ˆ &d + K EP + K E)D & + + h ˆ g ˆ

Trong đó : H, h, g ˆ ˆ ˆ là các hàm đánh giá của H, h, g

Các sai lệch ớc lợng là tham số đợc tính :

M W(q,q,q) = && & φ

W(q,q,q) &&& : Chứa thông số đã biết.

φ : Chứa sai số ớc lợng của thông số cha biết

áp dụng tiêu chuẩn Lyapunov để tìm luật điều chỉnh Đa phơng trình trên về phơng trình trạng thái:

X A.X B.U & = +

Khớp thứ j : j dj j pj j 1

j

ˆ ˆ

X A.X B.U A.X B H W.

Ở giai đoạn lắp ráp, Robot phải sinh ra lực phù hợp để đa chi tiết vào vị trí êm,

đồng thời vừa phải thực hiện điều khiển quĩ đạo Do đó, bản chất của điều khiển lực là

điều khiển quỹ đạo và điều khiển lực Điều khiển lực là trờng hợp tổng quát của điều

di chuyển theo một quỹ đạo đặt trớc Khi đó cần thiết điều khiển cả vị trí Robot và lực Robot sinh ra Có hai phơng pháp điều khiển lực là :

+Điều khiển trở kháng.

+Điều khiển hỗn hợp.

4.3.9 Điều khiển trở kháng

Trở kháng là khái niệm đánh giá độ cứng của cơ cấu, chống lại lực tác dụng lên

nó Có hai phơng pháp điều khiển trở kháng:

+ Điều khiển trở kháng thụ động: Cơ cấu đàn hồi có tâm điều khiển từ xa Khi chi tiết

đa đến vị trí lắp ráp, tay máy không cần sinh lực để đa vào Trục chi tiết và trục của lỗ không trùng nhau, do đó các lò xo trên tay máy bị uốn, đẩy chi tiết sao cho trục của chi tiết và trục của lỗ trùng nhau, đồng thời sinh ra mô men quay quanh trục của lỗ, đẩy chi tiết vào đúng vị trí cần lắp đặt.

+ Điều khiển trở kháng tích cực: Dùng các phản hồi lực và vị trí để điều khiển tay máy

lắp ráp chi tiết Mô phỏng Robot dới dạng vật tiếp xúc với đối tợng, lực sinh ra phụ thuộc khe hở và độ cứng của môi trờng Sau khi đo đợc lực, thiết kế mạch vòng phản hồi lực.

4.4 Nguyên lý điều khiển SCORBOT-ER9

4.4.1Điều khiển servo.

a.Mạch vòng điều khiển hở.

Ở mạch vòng điều khiển hở (not-servo) thì hệ thống không kiểm tra vị trí hoặc tốc

độ đầu ra bằng đầu ra đã mô tả Hệ thống điều khiển vòng lặp hở này thì tín hiệu đầu ra

bộ điều khiển Ur chỉ đợc xác định bởi tín hiệu đầu vào (r) Nếu hệ thống điều khiển phản hồi không chính xác nh dự đoán hoặc nếu tín hiệu đầu ra bị tác động bởi các hệ số khác thì sai số trạng thái sẽ xuất hiện Vì thông tin phản hồi không tồn tại nên hệ thống không thể tính toán sai số đầu ra chính xác đợc.

Đối với kỹ thuật điều khiển mạch vòng hở thì công suất đợc áp dụng tới các động

Hỡnh 4.12: Hệ thống điều khiển mạch vòng hở (A) và kín (B)

Tại hệ thống điều khiển servo, một thiết bị thông tin phản hồi thông thờng là một Encoder quang đo tín hiệu đầu ra (C) (số lợng, tốc độ và điều khiển vòng quay động cơ) biến đổi nó thành một tín hiệu đầu ra (Ub) và truyền nó để so sánh Khối so sánh nối đầu vào và tín hiệu phản hồi tạo ra một tín hiệu sai lệch bằng hiệu số của hai tín hiệu đầu vào Tín hiệu sai lệch này đợc biểu thị là Ue Ue là giá trị quan trọng nhất ở hệ thống vòng

lặp kín Mục đích hệ thống là giảm Ue tới giá trị nhỏ nhất có thể Khi Ue = 0 thì tín hiệu

đầu ra (trạng thái hiện tại) bằng tín hiệu đầu vào (trạng thái đã mô tả)

Trong hệ thống điều khiển số thì chức năng của bộ điều khiển là:

+Biến đổi giữa tín hiệu số và tín hiệu tơng tự Để bộ vi xử lý đọc một tín hiệu

t-ơng tự thì đầu tiên tín hiệu phải qua bộ biến đổi tt-ơng tự thành số Để trung tâm xử lý truyền một tín hiệu tơng tự thì các giá trị tín hiệu phải đợc dẫn tới bộ biến đổi tơng tự thành số (DAC) Bộ này giữ tín hiệu đầu ra cho đến khi nhận một giá trị mới.

+Trung tâm xử lý tính toán trạng thái (vị trí, tốc độ ), độ sai lệch (e) đối với mỗi

động cơ và tín hiệu điều khiển (Uc) gửi tới các động cơ để đạt đợc độ sai chính xác Tín hiệu điều khiển đợc biến đổi thành tín hiệu tơng tự bởi bộ biến đổi DAC và sau đó khuyếch đại trớc khi truyền động động cơ.

Thiết bị phản hồi đo trạng thái thực và sinh ra một tín hiệu tơng tự Tín hiệu phản hồi

đợc biến đổi bởi bộ ADC, do đó trung tâm xử lý có thể đọc nó để tính toán e.

a b

Hỡnh 4.13: Tín hiệu số (b)và tín hiệu tơng tự (a)

Hệ thống điều khiển số có thể đợc lập trình để tính toán một số phơng trình điều khiển Chơng trình điều khiển của trung tâm xử lý là một vòng lặp liên tiếp mà các bớc cơ bản là nh sau:

1.Đọc trạng thái đã yêu cầu từ bộ nhớ

2.Đọc trạng thái thực từ thiết bị phản hồi

3.Tính toán trạng thái sai lệch e

4.Tính toán tín hiệu điều khiển từ phơng trình điều khiển

5.Quay trở lại bớc 1

Sự khác nhau cơ bản giữa bộ điều khiển số và tơng tự là thời gian trễ gây ra bởi sự tính toán của trung tâm xử lý Thật vậy, thời gian trễ này là thời gian lấy mẫu (chu kỳ trích mẫu) của bộ biến đổi DAC và của tín hiệu điều khiển đầu ra mà nó sinh ra Nếu trung tâm xử lý có thể hoàn thành một vòng lặp trong một vài giây thì chu kỳ trích mẫu

sẽ càng nhanh và bộ điều khiển số sẽ sinh ra ở đầu ra giống với đầu ra bộ điều khiển tơng

tự Trên cánh tay khác, nếu trung tâm xử lý tính toán chậm thì bộ điều khiển sẽ không thể thay đổi nhanh tín hiệu phản hồi và tín hiệu điều khiển sẽ là giá trị cũ Độ trễ lớn thì

độ nhạy sẽ dao động và cuối cùng không tồn tại.

4.4.4 Các thông số điều khiển

Hệ thống điều khiển robot bằng bộ biều khiển B nói chung là hệ thống mạch vòng khép kín, giá trị đã điều khiển (C) đợc đo bởi Encoder quang Các tín hiệu Encoder cung cấp nh thông tin phản hồi tới bộ điều khiển để tạo ra độ lệch chính xác từ giá trị đã yêu cầu

Vì hệ thống điều khiển không thể phản hồi ngay tới tín hiệu đầu vào nên ở đó luôn luôn

có độ trễ giữa sự phát sinh tín hiệu sai lệch và hiệu chỉnh giá trị đã điều khiển thực Các thông số điều khiển PID (tỉ lệ ,tích phân,vi phân) cho phép bộ điều khiển thích nghi với các điều kiện khác nhau của phép toán, ví dụ khắc phục chức năng phi tuyến trong hệ thống

• Bộ điều khiển tỉ lệ

Thông số tỉ lệ là hệ số khếch đại của hệ thống điều khiển Giá trị của nó xác định biên độ phản hồi đối với sai số vị trí Khi sai số vị trí hiện tại (tức là vị trí động cơ bị tắt bởi số lợng nào đó của bộ đếm Encoder) thì trung tâm xử lý tín hiệu nhân sai số theo từng thông số tỉ lệ và cộng tích số với giá trị DAC và theo cách ấy thì giảm đợc sai số Thông số tỉ lệ là thông số trong hệ thống điều khiển PID có tác dụng nhanh nhất trong việc giảm sai số vị trí đặc biệt là trong quá trình chuyển động Đây là thông sô đầu tiên

để phản ứng lại đối với sai số vị trí khi robot đã dừng ở vị trí đích Thông số tỉ lệ mà lớn thì hệ thống phản hồi nhanh hơn và giảm sai số nhng gây ra các trục dao động

Nhợc điểm chính của bộ điều khiển tỉ lệ là hệ thống không thể hoàn thành huỷ bỏ sai số bởi vì mỗi lần giảm sai số thì hệ thống không đủ khả năng hồi phục ma sát trong

hệ thống và đẩy các trục tới vị trí đích Ngay cả trong trạng thái ổn định khi ch a đầy tải thì giá trị đã điều khiển (tín hiệu đầu ra) sẽ luôn luôn khác với giá trị đã yêu cầu (tín hiệu

đầu vào) Sai số trạng thái ổn định có thể giảm bằng cách tăng hệ số khuếch đại nhng

điều này sẽ làm tăng dao động và giảm tính chát ổn định

• Bộ điều khiển vi phân

Đầu ra bộ điều khiển (C) trong điều khiển vi phân thì là một hàm của tốc độ với sai số (Ue) là thay đổi.Tốc độ sai số thay đổi nhanh hơn thì thì đầu ra bộ điều khiển (C) lớn Nói cách khác, bộ điều khiển nhạy cảm với độ dốc của tín hiệu sai số

Thông số vi phân có u điểm là giảm sai số tốc độ Hệ thống điều khiển tính toán