XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔMEN NHIỄU CẢN

Robot là một hệ thống phi tuyến ràng buộc,để đảm bảo điều khiển vị trí và tốc độ khớp được chính xác,việc bù nhiễu momen là cần thiết.Đề tài trình bày thuật toán đơn giản để ước lượng momen cản biểu thị sự ràng buộc phi tuyến giữa các khớp.từ đó đưa ra 2 mạch vòng điều khiển:mạch vòng dòng điện động cơ với bộ điều khiển PI và mạch vòng điều khiển vị trí khớp robot PD. Với hệ thống đề xuất, độ chính xác vị trí khớp không phụ thuộc vào momen gây ra bởi sự ràng buộc phi tuyến các khớp và sự thay đổi của các tham số cơ học.Phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho 2 khớp quay trong mặt phẳng của robot SCARA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO

CƠ CẤU ROBOT BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔMEN NHIỄU CẢN

Trưởng bộ môn : TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Mạnh Tiến Sinh viên thực hiện :

Hà Nội, 6-2016

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động robot bù ảnh hưởng mômen nhiễu cản do em tự thiết kế dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 3

KHÁI QUÁT VỀ CẤU TẠO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3

1.1 Tổng quan về robot 3

1.1.1 Khái niệm robot công nghiệp 3

1.1.2 Cấu trúc cơ khí của robot 3

1.1.3 Hệ tọa độ robot 6

1.1.4 Hệ thống truyền động robot 6

1.1.5 Phạm vi ứng dụng của robot công nghiệp 7

1.2 Các hệ thống điều khiển robot 8

1.2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển robot 8

1.2.2 Hệ thống điều khiển phản hồi 9

1.2.3 Hệ thống điều khiển động lực học ngược 11

1.2.4 Hệ thống điều khiển thích nghi 12

1.3 Kết luận chương 1 14

Chương 2 15

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN LY ROBOT SCARA 15

2.1 Giới thiệu về robot Scara 15

2.2 Mô hình toán học robot SCARA Serpent 1 16

2.2.1 Bài toán động học thuận robot SCARA Serpent 1 16

2.2.2 Bài toán động học ngược robot SCARA Serpent 1 18

2.2.3 Động lực học robot SCARA Serpent 1 20

2.3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đối tượng 29

2.3.1 Phương trình động học thuận 29

2.3.2 Phương trình động học ngươc 29

2.3.3 Phương trình động lực học 30

2.4 Mô hình động lực học phân ly các khớp 31

2.5 Kết luận chương 2 34

Chương 3 35 XÂY DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐỘC LẬP CÁC

3.1 Thiết kế sơ đồ điều khiển phân ly khớp của robot 35

3.2 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển 36

3.2.1 Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện RI(p) 36

3.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí Rp(p) 38

3.3 Tính toán momen nhiễu cản 40

3.4 Kết quả mô phỏng 41

3.4.1 Các kết quả mô phỏng khớp 1 42

3.4.2 Các kết quả mô phỏng khớp 2 45

3.5 Kết luận chương 3 47

Chương 4 48

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÙ MOMEN NHIỄU CẢN 48

4.1 Nhận dạng momen cản động cơ truyền động khớp 48

4.2 Hệ thống điều khiển phân ly khớp có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản 49

4.3 Các kết quả mô phỏng 51

4.3.1 Các kết quả mô phỏng cho khớp 1 51

4.4.2 Các kết quả mô phỏng khớp 2 53

4.4.3 Nhận xét 55

4.5 Kết luận chương 4 56

KẾT LUẬN 57

PHỤ LỤC 59

1 Chương trình tính tham số bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển vị trí của robot SCARA (thamso.m – matlab M-file) 59

2 Chương trình tính momen nhiễu cản cho các khớp robot SCARA (Mc.m – Matlab function) 59

3 Các khối mô hình hóa mô phỏng robot SCARA 60

3.1 Mô hình mô phỏng robot SCARA 2 thanh nối 60

3.2 Mô hình các khớp robot SCARA 61

3.2 Bộ điều khiển các khớp robot SCARA 61

4 Các thông số robot và tham số bộ điều khiển 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot 3 bậc tự do 4

Hình 1.2 Các dạng khớp quay 5

Hình 1.3 Các dạng khớp tịnh tiến 5

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí tọa độ khớp 9

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi 9

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với bộ điều khiển PD 10

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược 12

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số 13

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thốn điều khiển thích nghie theo mô hình chuẩn 14

Hình 2.1 Một số hình ảnh về robot SCARA 15

Hình 2.2 Cấu hình và khung tọa độ của robot SCARA Serpent 1 16

Hình 2.3 Sơ đồ động cơ điện 1 chiều 31

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ truyền động cho một khớp độc lập 34

Hình 3.1 Sơ đồ bộ điều khiển phân ly khớp robot SCARA 35

Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện R p I( ) 36

Hình 3.3 Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí 38

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển khi bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu cản 42

Hình 3.5 Góc quay của khớp 1 khi bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu cản 42 Hình 3.6 Sai lệch của góc quay khớp 1 với giá trị đặt khi bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu cản 43

Hình 3.7 Góc quay của khớp 1 khi có ảnh hưởng của momen nhiễu cản 43

Hình 3.8 Sai lệch góc quay khớp 1 với giá trị đặt có ảnh hưởng của momen nhiễu cản 44

Hình 3.9 Đồ thị biểu thị giá trị của Momen cản M 1 44

Danh mục hình vẽ

Hình 3.11 Sai lệch góc quay khớp 2 với giá trị đặt khi bỏ qua ảnh hưởng của

momen nhiễu cản 45

Hình 3.12 Góc quay khớp 2 có ảnh hưởng của momen nhiễu cản 46

Hình 3.13 Sai lệch góc quay khớp 2 với giá trị đặt có ảnh hưởng của momen nhiễu cản 46

Hình 3.14 Đồ thị biểu thị giá trị của momen cản M 2 47

Hình 4.1 Sơ đồ tính toán gia tốc động cơ 49

Hình 4.3 Hệ thống điều khiển vị trí khớp bù momen cản 50

Hình 4.4 Góc quay của khớp 1 khi có bù momen nhiễu cản với J Jđ m 51

Hình 4.5 Sai lệch của góc quay khớp 1 có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản 52

Hình 4.6 Momen cản tổng động cơ khớp 1 52

Hình 4.7 Đồ thị góc quay khớp 1 khi J thay đổi ( J  2Jđm ) 53

Hình 4.8 Góc quay của khớp 2 khi có bù momen nhiễu cản với J Jđ m 54

Hình 4.9 Sai lệch của góc quay khớp 2 có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản 54

Hình 4.10 Momen cản tổng động cơ khớp 2 55

Hình 4.11 Đồ thị góc quay khớp 2 khi J thay đổi ( J  2Jđm ) 55

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của robot SCARA 16

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FMS Flexible Manufacturing System Hệ thống sản xuất linh hoạt

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền sản xuất hiện đại ngày nay, robot đóng một vai trò hết sức quan trọng, đem lại lợi ích to lớn trong quá trình sản xuất Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các loại robot đang là một yêu cầu cần thiết trong quá trình hiện đại hóa nền công nghiệp

Robot là một hệ thống phi tuyến và ràng buộc, sự ràng buộc thể hiện ở sự ảnh hưởng qua lại giữa các khớp Hệ thống điều khiển robot sử dụng các bộ điều khiển truyền thống sẽ khó đảm bảo được độ tin cậy và chính xác về vị trí chuyển động của khớp robot Vì vậy, với mục đích nghiên cứ bù sự ràng buojc của hệ thống chuyền

động robot, em thực hiện đồ án với tên đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động cho cơ cấu robot bù ảnh hưởng của momen nhiễu cản”

Đề tài trình bày thuật toán đơn giản cho phép ước lượng momen cản tổng biểu thị sự ràng buộc phi tuyến giữa các khớp Dựa trên mô hình toán học độc lập của một khớp, sẽ xây dựng hệ thống điều khiển vị trí khớp bao gồm hai mạch vòng điều khiển: mạch vòng dòng điện động cơ với bộ điều khiển cấu trúc PI và mạch vòng điều khiển

vị trí khớp robot với cấu trúc PD Với hệ thống đề xuất, độ chính xác vị trí khớp sẽ không phụ thuộc vào momen gây ra bởi sự ràng buộc phi tuyến các khớp và sự thay đổi của các tham số cơ học Phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho 2 khớp quay trong mặt phẳng của robot SCARA,

Bài báo cáo này được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly robot SCARA

Chương 3 Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động độc lập các khớp

Chương 4 Hệ thống điều khiển chuyển động bù momen nhiễu cản

Do thời gian làm đồ án khá ngắn và khả năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cám ơn nhà trường đã tạo điều kiện về cở sở vật chất để em

Lời nói đầu

Em xin chân thành cám ơn Thầy giáo Ts Nguyễn Mạnh Tiến, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa công nghiệp đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có thể hoàn thành được đồ án này

Em xin chân thành cám ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Phan Mạnh Trung

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ CẤU TẠO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN ROBOT

1.1 Tổng quan về robot

1.1.1 Khái niệm robot công nghiệp

Robot công nghiệp là thiết bị vạn năng để tự động hóa quá trình sản xuất nhiều chủng loại chi tiết và được dung trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp

Robot là một cơ cấu đa chức năng với chương trình có thể thay đổi được, có khả năng thay thế con người để thực hiện nhiều công đoạn trong quá trình sản xuất như di chuyển nguyên vật liệu, sản phẩm, các chi tiết, thiết bị công nghệ…; thay thế nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống như thiết bị cấp phôi, lắp ráp sản phẩm, tháo

dỡ chi tiết đã gia công, thiết bị thay dao,…

Tính đa chức năng của robot thể hiện ở chỗ nó có khả năng thực hiện nhiều công việc khác nhau, phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc Ví dụ, một robot có thể được gắn thêm đầu kẹp để gắp, di chuyển sản phẩm, cũng với robot đó ta

có thể gắn thêm mỏ hàn để hàn, hay thiết bị phun sơn để phun sơn… Đây là yếu tố chính để phân biệt robot với các máy tự động khác

Chuyển động của robot được điều khiển bằng chương trình lập sẵn và chương trình có thể thay đổi được để phù hợp với sản xuất Khả năng này minh họa cho tính linh hoạt trong điều khiển chuyển động của robot

1.1.2 Cấu trúc cơ khí của robot

Cấu trúc cơ khí của robot bao gồm các thanh nối được gắn với nhau bằng các khớp nối Mỗi khớp được truyền động tạo nên một chuyển động độc lập, số bậc tự do của robot phụ thuộc vào số chuyển động độc lập của nó Độ linh hoạt của robot sẽ phụ thuộc vào số bậc tự do của robot Một robot có n bậc tự do sẽ có n khớp nối đánh số từ 1÷ n và n+1 thanh nối được đánh số từ 0÷ n Khớp nối thứ i sẽ nối giữa 2 thanh nối là i-1 và i Thanh nối số 0 thường được gắn cố định, thanh nối thứ n gọi là khâu tác động

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.1 Robot 3 bậc tự do

Các khớp được truyền động nhờ cơ cấu chấp hành được gắn trên trục của nó Hai loại khớp cơ bản cơ bản trong hệ thống robot là khớp tịnh tiến và khớp quay Nếu khớp i là khớp quay, thanh nối i sẽ chuyển động quay quanh trục của khớp nối i Khớp quay có 3 dạng, khớp quay dạng R có trục của khớp vuông góc với trục của 2 thanh nối vào và ra Khớp quay dạng T có trục trùng với trục của hai thanh nối vào ra Khớp quay dạng V có trục của hai thanh nối vào ra vuông góc với nhau, trục quay của khớp trùng với trục của thanh nối đầu vào Các dạng khớp quay được mô tả trên hình 1.2

Trong trường hợp khớp i là khớp tịnh tiến thì thanh nối i sẽ chuyển động tịnh tiến theo trục của khớp i Có 2 loại khớp tịnh tiến là khớp tuyến tính và khớp trực giao Khớp tuyến tính có trục của khớp trùng với trục của 2 thanh nối vào ra Khớp trực giao

có trục của 2 thanh nối vào ra vuông góc với nhau, trục của khớp trùng với trục của thanh nối vào Các dạng khớp tịnh tiến được mô tả trên hình 1.3

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.2 Các dạng khớp quay

Hình 1.3 Các dạng khớp tịnh tiến

Cấu tạo của robot được chia làm hai phần chính là phần cánh tay và phần cổ tay robot Phần cánh tay có nhiệm vụ định vị nhằm di chuyển cơ cấu tác động cuối đến vị trí đặt mong muốn Phần cánh tay robot có 3 bậc tự do sẽ đảm bảo di chuyển được cơ cấu tác động cuối đến mọi điểm trong không gian làm việc của robot Phần cổ tay có nhiệm vụ định hướng cho khâu tác động cuối để phù hợp với yêu cầu của công việc, ví

dụ xoay bàn kẹp để gắp một chi tiết hay xoay đầu gắn tuốc nơ vít đúng hướng để tháo lắp chi tiết… Với 3 bậc tự do, một cổ tay robot có thể có thể định hướng theo mọi hướng trong không gian ba chiều Như vậy, với cấu tạo 6 bậc tự do, một robot có thể

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

thực hiện công việc của mình tại mọi điểm trong không gian làm việc và theo mọi hướng

và thuận tiện cho việc lập trình Tuy nhiên, khả năng công nghệ của robot bị hạn chế

Hệ toạ độ hình trụ cho phép di chuyển tay máy trong không gian có dạng hình trụ Kết cấu của các rôbôt trong trường hợp này không phức tạp lắm Khả năng công nghệ của các robot này lớn hơn, nhưng vẫn còn bị hạn chế nhiều

Hệ tọa độ cầu cho phép di chuyển tay máy trong không gian hình cầu và là hệ tọa độ vạn năng nhất Hệ tọa độ này có khả năng công nghệ cao nhất, các robot hoạt động trong diện tích sản xuất nhỏ và trang bị để phục vụ robot đơn giản Tuy nhiên, kết cấu của robot với hệ tọa độ cầu rất phức tạp và việc lập trình cũng không đơn giản

1.1.4 Hệ thống truyền động robot

Các khớp nối thực hiện được chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp hành được truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau, như truyền động thủy lực, khí nén, điện

Hệ thống truyền động khí nén được sử dụng với công suất nhỏ, cho các ứng dụng đơn giản như trong các cơ cấu vận chuyển, gắp thả chi tiết Cơ cấu khí nén có hai loại là tịnh tiến (xi lanh) và quay (động cơ khí nén) Cơ cấu khí nén được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng của robot nhờ có ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, an toàn

 Giá thành chế tạo và vận hành thấp

 Nguồn khí nén có sẵn

 Không làm ảnh hưởng đến môi trường

 Chuyển động nhanh

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hệ thống truyền động thủy lực có ưu điểm là công suất lớn, chịu được tải trọng lớn, nó cũng có hai loại cơ cấu chấp hành là tịnh tiến (xi lanh thủy lực) và quay (động

cơ thủy lực) Robot với hệ truyền động thủy lực có các nhược điểm như:

 Di chuyển chậm

 Độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ

 Áp lực dầu không ổn định do có thất thoát trong ống

 Hiện tượng rò rỉ dầu gây ảnh hưởng đến môi trường

 Có thể gây cháy khi ứng dụng để hàn

 độ ồn lớn, phải kiểm tra chất lượng dầu thường xuyên

Hệ thống truyền động điện bao gồm nguồn điện và động cơ điện Động cơ điện

sẽ cung cấp momen quay cho các khớp trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua bộ truyền động cơ khí như hệ thống puli và đai truyền, các hộp giảm tốc Động cơ điện là loại cơ cấu chấp hành được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống robot do có ưu điểm là truyền động cho chuyển động nhanh chính xác, dễ dàng thực hiện luật điều khiển phản hồi Các robot với hệ truyền động điện có tính linh hoạt cao, đơn giản, an toàn, tiếp xúc nhẹ nhàng với thiết bị công nghệ

1.1.5 Phạm vi ứng dụng của robot công nghiệp

Các robot công nghiệp là một trong những thiết bị chủ yếu để đạt được tính linh hoạt của hệ thống FMS Các robot công nghiệp có thể làm việc với chức năng của nhiều thiết bị khác nhau và có thể thực hiện nhiều nguyên công khác nhau Dưới đây là các ứng dụng của robot công nghiệp trong hệ thống FMS:

- Ứng dụng robot công nghiệp trong việc di chuyển chi tiết, nạp dỡ tải

- Ứng dụng robot công nghiệp trong trong cung ứng dụng cụ

- Ứng dụng robot công nghiệp trong trong các họt động gia công như phay, mài, đánh bóng,…

- Ứng dụng robot công nghiệp trong các thiết bị kiểm tra

- Ứng dụng robot công nghiệp để dọn dẹp, thug om chất thải sấn xuất

- Ứng dụng robot công nghiệp trong lắp ráp rản phẩm

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

1.2 Các hệ thống điều khiển robot

1.2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển robot

Theo đặc điểm của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại: Điều khiển thô và điều khiển tinh Giải bài toán điều khiển thô là xác định luật điều khiển thích hợp để điều khiển vị trí, tốc độ các khớp do đó quỹ đạo các khớp bám theo quỹ đạo thiết kế trong khoảng thời gian quá độ nhỏ nhất Bài toán điều khiển tinh phức tạp hơn liên quan đến robot chuyển động trong môi trường như robot lắp ráp các chi tiết máy, bài toán này yêu cầu cả điều khiển vị trí và lực

Điều khiển chuyển động thô hay điều khiển quỹ đạo trong tọa độ khớp đảm bảo sai lệch của khớp q q d  q 0 Biến điều khiển ở đây là biến khớp Yêu cầu điều khiển là yêu cầu sao cho giá trị thực của biến khớp càng gần với giá trị đặt càng tốt Đặc điểm: Đây là phương pháp điều khiển đơn giản vì chỉ cần điều khiển trực tiếp động cơ truyền động Mặt khác, ta cũng có thể tính toán được các yếu tố ràng buộc động cơ và khớp Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một nhược điểm cơ bản đó là khó đảm bảo chính xác quỹ đạo chuyển động của tay robot

Điều khiển quỹ đạo trong tọa độ decac biến điều khiển chính là vị trí của tay robot bám vào sai lệch vị trí cánh tay  s d  s 0

Nhận xét: Điều khiển robot trong không gian có ưu điểm là đảm bảo được sai lệch vị trí của tay tiến đến 0 Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này khá phức tạp vì khi điều khiển ta phải quy đổi từ vị trí của tay về vị trí của khớp thông qua bài toán động học ngược do đó thời gian và khối lượng tính toán sẽ khá lớn

Ngoài hai phương pháp điều khiển trên, người ta còn chia phương pháp điều khiển theo cách thức bộ thiết kế bộ điều khiển: Điều khiển tập trung coi robot là một

hệ thống ràng buộc, khi thiết kế bộ điều khiển cần phải quan tâm đến vấn đề tác động lẫn nhau giữa các khớp để thiết kế được bộ điều khiển hợp lý và điều khiển phân tán coi robot có các khớp riêng rẽ, khi điều khiển không quan tâm đến sự ràng buộc giữa các khớp đó, bộ điều khiển được thiết kế cho từng khớp

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí tọa độ khớp

1.2.2 Hệ thống điều khiển phản hồi

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phản hồi robot được trình bày trên hình 1.4

d

q là vectơ tín hiệu đặt vị trí các khớp robot; M là vectơ momen của các khớp quay và

lực đối với khớp tịnh tiến

Hình 1.5 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi

Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng:

   ,  

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với bộ điều khiển PD

a – Bộ điều khiển với phản hồi tốc độ b – Bộ điề khiển PD với lượng đặt tốc độ

Giả thiết thành phần momen trọng lực G q được bù hoàn toàn, sơ đồ hệ thống  

điều khiển phản hồi với cấu trúc điều khiển PD có dạng đợn giản như trên hình 1 a Trên sơ đồ đó, tín hiệu đặt vị trí q được so sánh với vị trí thực của khớp q ; sai lệch d

được đặt vào khâu khuếch đại với hệ số Kp Tín hiệu ra các khâu tỉ lệ được cộng đại số với tốc độ của khớp và dặt tới cơ cấu chấp hành của robot

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Trong đó:  q d q là sai số tốc độ của khớp robot

d

   là sai số vị trí của khớp robot

Hệ thống điều khiển với cấu trúc bộ điều khiển ổn định tuyệt đối toàn cục Mức

độ và tốc độ hội tụ phụ thuộc vào ma trận hệ số Kd Nâng cao độ chính xác của hệ thống điều khiển đạt được bằng tăng hệ số Kp của khâu khuếch đại Tuy nhiên, Kp và

Kd lớn sẽ làm giảm độ ổn định và chất lượng quá trình quá độ cũng như độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ tăng Mặt khác, sự tồn tại ảnh hưởng của thành phần momen trọng lực cũng làm giảm chất lượng của hệ thống Bộ điều khiển PID sẽ khắc phục được nhược điểm này của bộ điều khiển PD Khi đó phương trình momen bộ điều khiển có dạng:

Phương pháp sử dụng các bộ điều khiển PD hoặc PID rẩ tiện lợi cho cơ cấu robot có số bậc tự do thấp do việc tính toán đơn giản, các quỹ đạo chuyển động của các khớp cũng không quá phức tạp, hệ chịu tác động lớn nhất của nhiễu thì không thể

áp dụng phương pháp này

1.2.3 Hệ thống điều khiển động lực học ngược

Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển động lực học ngược là lựa chộn luật điều khiển sao cho khử được thành phần phi tuyến của phương trình động lực học

và phân ly đặc tính động lực học thanh nối

Dựa trên phương trình động lực học robot, giả thiệt tất cả các tham số robot đã biết hoặc được xác định chính xác, luật điều khiển được chọn như sau:

ˆ

ˆ( ) U V(q, q) G(q)ˆ

dk

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Cân bằng momen quán tính và H q là ma trận thực dương có thể lấy nghịch ( )đảo, ta nhận được phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 mô tả động lực học của hệ kín như sau:

Các bộ điều khiển có thể được thiết kế dưới dạng bộ điều khiển độc lập có cấu

trúc PD hoặc PID cho từng khớp Luật điều khiển U có cấu trúc PID như sau:

Trong đó: q là đạo hàm cấp 2 của tín hiệu đặt vị trí d

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động lực học ngược được trình bày như hình 1.7:

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược

Các hệ số Kp, Kd, KI có thể được tính toán theo tiêu chuẩn ổn định và hội tụ bằng cách đặt nghiệm các phương trình ở vị trí mong muốn bên trái mặt phẳng phức

1.2.4 Hệ thống điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi là bài toán thiết kế bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ thống ổn định, cho dù có nhiều không mong muốn tác động vào hệ thống

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

hoặc có những sự thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng làm thay đổi

mô hình của nó

Bộ điều khiển thích nghi thường có một trong hai cấu trúc cơ bản:

- Cấu trúc tự chỉnh tham số

- Cấu trúc có mô hình theo dõi (điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu)

a Điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số

Trong điều khiển robot, khi một tham số robot khó có thể đo hoặc xác định chính xác hoặc một số tham số biến đổi trong quá trình làm việc như khối lượng tải robot gắp ở tay, momen quán tính tải, các thành phần ma sát trong khớp robot… Khi

đó, các hệ thống điều khiển thích nghi được xây dựng và ứng dụng vào điều khiển robot sẽ đáp ứng được chất lượng điều khiển theo yêu cầu Sơ đồ khối ứng dụng điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số vào điều khiển robot được trình bày như hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số

Trong hệ thống điều khiển này, tham số của robot sẽ được xác định (nhận dạng – ước lượng) và sử dụng trong tính toán các tham số của bộ điều khiển

b Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn

Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn có ưu điểm là nó không bao gồm mô hình toán học phức tạp và không phụ thuộc vào tham số môi trường Phương pháp này được ứng dụng trong robot cho mô hình đơn giản tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực giữa các khớp của robot của khớp như hình 1.9

Chương 1 Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thốn điều khiển thích nghie theo mô hình chuẩn

Tín hiệu vào u(t) được xác định từ khâu tính toán quỹ đạo chuyển động Sai lệch giữa đầu ra của mô hình mẫu và đối tượng điều khiển e(t) là tín hiệu vào của khâu tính luật thích nghi tham số Đầu ra khâu luật thích nghi tham số có thể là hai dạng: tín hiệu bù thích nghi g(t) hoặc tín hiệu chỉnh thích nghi tham số Luật thích nghi tham số được thiết kế sao cho đảm bảo sai lệch giữa đầu ra mô hình mẫu và đối tượng điều khiển e(t) luôn bằng không, tức là đại lượng đầu ra của đối tượng luôn bám đại lượng đầu ra của mô hình mẫu

1.3 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về robot công nghiệp, 4 phương pháp điều khiển robot cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp và tổng quan về robot Với mục đích nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động độc lập của các khớp với bù sự ràng buộc giữa các khớp và ứng dụng cho cơ cấu robot 2 thanh nối

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

Chương 2

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN LY ROBOT SCARA

2.1 Giới thiệu về robot Scara

Robot SCARA là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp bởi

tính linh hoạt và đơn giản của nó

SCARA (Selectively Compliant Assembly Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp

ráp chọn lọc 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 các động cơ điện một chiều có phản hồi vị trí

Vận hành chuyển động của các khớp rất thuận lợi, dễ dàng nên nó được ứng

dụng nhiều trong công nghiệp Các robot SCARA hiện nay thường có từ 3 đến 4 khớp,

các trục khớp song song nên tính toán thiết kế đơn giản hơn, vùng không gian làm việc

đáp ứng được yêu cầu sản xuất Các bài toán ứng dụng trong robot SCARA không

khác so với robot thông thường, nó còn đơn giản hơn vì số khớp không nhiều và các

khớp là khớp quay Một số hình ảnh về robot SCARA như ở hình 2.1

Hình 2.1 Một số hình ảnh về robot SCARA

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

2.2 Mô hình toán học robot SCARA Serpent 1

2.2.1 Bài toán động học thuận robot SCARA Serpent 1

Đối với bài toán động học thuận, sẽ xây dựng hệ phương trình mô tả động cấu

hình robot và sử dụng phương trình này tính toán vị trí và hướng tay của robot tương

ứng với biến khớp đã cho, góc quay của các khớp quay hoặc độ dịch chuyển các khớp

tịnh tiến

Robot SCARA Serpent 1 gồm 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến được mô tả

như hình 2.2

Hình 2.2 Cấu hình và khung tọa độ của robot SCARA Serpent 1

Từ cấu hình và các trục tọa độ được xác định như trên hình vẽ 2.2 ta tính được

bảng D-H đối với robot SCARA Serpent 1 như bảng 2.1:

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

Quan hệ giữa hai trục tọa độ i và i-1 được biểu diễn bởi ma trận sau:

Kết hợp với bảng D-H ta tính được các ma trận thành phần biểu diễn quan hệ

giữa 2 khung tọa độ của 2 khớp I và i-1: i 1

l l A

l l A

3 4

00

2.2.2 Bài toán động học ngược robot SCARA Serpent 1

Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là từ vị trí của cánh thay để tìm ra vị trí

của các khớp Bài toán ngược là một bài toán phức tạp và có thể có một hoặc nhiều

nghiệm

Với robot SCARA, khi đã biết vị trí và hướng tay tức là biết ma trận 0T dưới 4

dạng:

0 4

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

Từ (2.11) ta tính được góc 2 như sau:

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

Vậy hệ phương trình động học ngược của robot SCARA là:

1 atan 2(sin ,cos )1 1

sin sincos

2.2.3 Động lực học robot SCARA Serpent 1

Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc với môi trường sẽ sinh ra một lực cần

thiết để di chuyển vật và thực hiện công việc Để robot di chuyển tịnh tiến hoặc quay,

cơ cấu chấp hành cần sinh ra một lực hoặc momen đủ lớn Mối quan hệ giữa lực,

momen của các khớp với vị trí, tốc độ, gia tốc của khớp đều được biểu diễn trong

phương trình chuyển động hay còn gọi là phương trình động lực học Dựa vào các

phương trình động lực học ta sẽ tính được lực, momen cần thiết để khớp robot có thể

chuyển động được với tốc độ và gia tốc mong muốn Từ phương trình động lực học và

phương trình điện áp phần ứng động cơ sẽ mô hình hóa được robot SCARA để điểu

khiển

a Hàm Lagrange và các vấn đề động lực học

Hàm Lagrange của hệ thống được xác định như sau:

với K và P tương ứng là động năng và thế năng của hệ

Momen (lực) của khớp i được xác định theo biểu thức sau:

m : Khối lượng thanh nối thứ i

Thế năng của khớp thứ i được xác định theo biểu thức sau:

Chương 2 Mô hình động lực học phân ly của robot

b Tính toán động năng và thế năng

Khớp 1:

Đối với thanh nối 1, các phương trình xác định vị trí khối tâm thanh nối trong

khung tọa độ như sau:

1 1 1

1

cossin0

Với J2: Momen quán tính thanh nối thứ 2

Thế năng thanh nối 2:

Với J3: Momen quán tính thanh nối 3

Thế năng thanh nối 3:

Với J4: Momen quán tính thanh nối 4

Thế năng thanh nối 4:

1cos

cos

1cos