Điều khiển thích nghi cho robot NDOF trên cơ sở bộ quan sát

- Ứng dụng thuật toán thích nghi và bộ quan sát trạng thái để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động.. Có thể nói, Robot là sự tổ hợp kh

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Điều khiển thích nghi Robot

nDOF trên cơ sở bộ quan sát” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của

PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh 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 21 tháng 5 năm 2016

Người thực hiện

Khương Đức Hạnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: .1

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .2

6 Cấu trúc luận văn: 2

Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3

1.1 Tổng quan robot 3

1.1.1 Lịch sử phát triển robot 3

1.1.2 Cấu tạo robot 4

1.1.3 Cơ cấu cơ khí của robot .5

1.1.4 Các thông số đặc trưng của hệ thống robot .8

1.1.5 Hệ thống truyền động robot 9

1.1.6 Hệ thống điều khiển chuyển động 10

1.1.7 Cảm biến 10

1.1.8 Ứng dụng robot công nghiệp 10

1.2 Phương pháp điều khiển robot 12

1.2.1 Phương pháp PD bù trọng trường 15

1.2.2 Thuật toán PID 16

1.2.3 Phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình 17

1.2.4 Phương pháp điều khiển Li - Slotine 18

Chương 2:BỘ ĐIỀU KHIỂN LI - SLOTINE THÍCH NGHI VÀ BỘ QUAN SÁT THÍCH NGHI 22

2.1 Cơ sở lý thuyết hệ phi tuyến 22

2.1.1 Hệ phi tuyến 22

2.1.2 Điểm cân bằng và điểm dừng của hệ 24

2.1.3 Tính ổn định của điểm cân bằng 24

2.1.4 Tiêu chuẩn Lyapunov 25

2.2 Phương pháp điều khiển thích nghi Li - Slotine 30

2.3 Bộ quan sát trạng thái thích nghi 32

2.3.1 Bộ quan sát trạng thái của Luenberger 32

2.3.2 Bộ quan sát thích nghi cho robot 33

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN ROBOT PLANAR 36

3.1 Cấu trúc và tham số robot 36

3.2 Bài toán động học thuận vị trí 36

3.2.1 Tham số thanh nối khớp 37

3.2.2 Phương pháp thiết kế khung tọa độ 37

3.3 Bài toán động học ngược vị trí 39

3.4 Động lực học robot 40

3.5 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 43

Chương 4: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 45

4.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 45

4.2 Sơ đồ các khối mô phỏng trong Matlab/simulink 46

4.3.Kết quả mô phỏng cho robot Pelican 48

4.3.1 Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát thích nghi 49

4.3.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi Li-SIotine 52

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

BẢNG

Bảng 3.1: Thông số robot Pelican 36

Bảng 4.1: Tham số ước lượng cho robot 48

Bảng 4.2: Bảng tham số bộ điều khiển 48

Bảng 4.3: Tham số bộ quan sát 49

HÌNH VẼ Hình 1.1 Bộ phận cấu thành Robot .5

Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay 6

Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy 7

Hình 1.4: Dạng tay gắn vào thân .8

Hình 1.5: Dạng hệ tọa độ cực 8

Hình 1.6: Dạng hình trụ .8

Hình 1.7: Dạng SCARA 8

Hình 1.8: Robot sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp 12

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 13

Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiển robot 14

Hình 1.11: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển PD bù trọng trường 16

Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PID 16

Hình 1.13: Sơ đồ nghiệm khi ∆ = 0 17

Hình 1.14 Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình 18

Hình 1.16 Sơ đồ luật điều khiển Li-Slotine 20

Hình 2.1: Minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận 26

Hình 2.2: Tư tưởng phương pháp Lyapunov 27

Hình 2.3: Tạo họ đường cong kín chứa gốc tọa độ 27

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển Li-slotine thích nghi 32

Hình 3.1: Robot Pelican 36

Hình 3.2: Khung tọa độ cho robot Planar 38

Hình 3.3: Tọa độ thanh nối robot 40

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển 45

Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển chung 46

Hình 4.3 Khối điều khiển thích nghi Li-Slotine 46

Hình 4.4: Khối tính giá trị V, r 47

Hình 4.5: Khối robot Planar 47

Hình 4.6: Khối quan sát thích nghi 48

Hình 4.7: Khảo sát vị trí khớp 1 49

Hình 4.8: Khảo sát vị trí khớp 1 với tín hiệu đặt hình sin 49

Hình 4.9: Khảo sát vị trí khớp 2 50

Hình 4.10: Khảo sát vị trí khớp 2 với tín hiệu đặt hình sin 50

Hình 4.11: Khảo sát tốc độ khớp 1 51

Hình 4.12: Khảo sát tốc độ khớp 2 51

Hình 4.13: Sai lệch quan sát tốc độ 52

Hình 4.14: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số 52

Hình 4.15: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hàm hình sin 53

Hình 4.16: Sai lệch vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số 53

Hình 4.17: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số 54

Hình 4.18: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệ u đặt là hàm hình sin 54

Hình 4.19: Sai lệch vị trí khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số 54

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

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

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các robot công nghiệp cũng ngày càng phát triển và có ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp

Sự phát triển của đất nước và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lưọng sản xuất cũng thúc đẩy sự phát triển của robot công nghiệp và đưa công nghiệp chế tạo robot trở thành một ngành hứa hẹn trong tương lai Để đáp ứng điều đó đòi hỏi phải trang bị cho Robot một bộ điều khiển thông minh, phức tạp Chính vì thế các thuật toán điều khiển robot đã và đang được đầu tư nghiên cứu, ứng dụng và phát triển mạnh mẽ

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nắm bắt được lý thuyết về các phương pháp điều khiển Robot, lý thuyết điều khiển thích nghi và xây dựng thuật toán

- Ứng dụng thuật toán thích nghi và bộ quan sát trạng thái để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động

- Sử dụng được phần mềm MATLB SIMULINK làm công cụ xây dựng

mô hình mô phỏng kết quả

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

- Robot 2 bậc tự do Planar

- Bộ điều khiển thích nghi Li - Slotine và bộ quan sát thích nghi

- Kết hợp bộ điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát thích nghi

để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp điều khiển Robot, trong đó nghiên cứu phương pháp điều khiển Li – Slotine

- Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát thích nghi

- Từ kết quả tính toán, sử dụng công cụ mô phỏng để trình bày kết quả nghiên cứu đạt được

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài sẽ mang lại một hướng đi mới trong việc điều khiển robot công nghiệp Phương pháp ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề bất định của đối tượng như vị trí, tốc độ Qua đó tạo ra một công cụ điều khiển mạnh trong quá trình tự động hóa sản xuất

6 Cấu trúc luận văn:

Cấu trúc luận văn gồm 4 chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan các vấn đề về Robot; về lịch sử phát triển Robot công nghiệp; các khái niệm cơ bản của Robot công nghiệp

Chương 2: Trình bày về bộ điều khiển Li – Slotine thích nghi và bộ quan sát thích nghi

Chương 3: Trình bày về mô hình toán học Robot Planar, bài toán động học thuận và động học ngược vị trí

Chương 4: Mô phỏng trên Matlab/Simulink

Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh luận văn của em đã hoàn thiện Do quá trình công tác và điều kiện đi lại nên luận văn còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2016

Người thực hiện

Khương Đức Hạnh

Chương 1

TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.1 Tổng quan robot

1.1.1 Lịch sửphát triển robot

“Robot” được ra đời từ những mong ước của con người là muốn có những

cỗ máy gần giống con người có thể làm những công việc thay thế con người Năm 1921 trong vở kịch Rosum’s Universal Robot của Karel Capek thì Rossum

và con trai đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con người để phục vụ con người Có lẽ đây là những gợi ý đầu tiên cho các nhà sáng chế kĩ thuật về các cơ

cấu máy móc bắt chước hoạt động của con người

Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công nghiệp Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi là robot công nghiệp

Về mặt kĩ thuật thì robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực đó là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số Các cơ cấu điều khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Còn các máy công cụ điều khiển số ra đời vào những năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển và Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, Ý- 1973, …

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Standford của Mỹ đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết

và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến

Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy tính có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 kg Có thể nói, Robot là sự

tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ

“tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kĩ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển trí khôn nhân tạo,…

Trong những gần đây, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng được phát triển Các hoạt động được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt Số lượng robot ngày càng gia tăng, chủng loại robot cũng không ngừng được gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động hóa

Hiện nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR Và theo ước tính chưa đầy đủ của Liên đoàn Robot quốc tế (IRF), năm 2005 trên thế giới có khoảng 800.000 robot đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Trong đó Nhật Bản là nước sử dụng nhiều nhất chiếm khoảng 45,5%, EU khoảng 30,3%, Bắc Mĩ khoảng 13,5% còn lại là các nước khác

1.1.2 Cấu tạo robot

Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot:

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để

tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng Các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với

xe di động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6

Hình 1.1 Bộ phận cấu thành Robot

Hệ thống truyền động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận

chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động

Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin

đặt trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc

Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông

tin về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu)

1.1.3 Cơ cấu cơ khí của robot

Cấu trúc cơ khí của robot bao gồm một chuỗi thanh nối được gắn với nhau bởi các khớp 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 và độ dịch chuyển linh hoạt khi chuyển động sẽ tăng khi số bậc tự do tăng Hai loại khớp

cơ bản trong hệ thống robot là khớp tịnh tiến và khớp quay

Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay

Các khớp được truyền động nhờ động cơ chấp hành gắn trên trục của nó Chuyển động của khớp tạo nên chuyển động tương đối giữa hai thanh nốii gắn với nó, một gọi là thanh nối đầu vào, một gọi là thanh nối đầu ra Từ các khớp

cơ bản trên người ta còn phân loại các khớp theo chuyển động tương đối giữa các liên kết với khớp thành năm loại khớp chính sau :

Khớp tuyến tính ( kí hiệu là khớp L ) : dạng khớp này tạo ra chuyển động tương đối giữa hai thanh nối là chuyển động trượt tuyến tính, trục của hai thanh nối song song với nhau

Khớp trực giao (O) : vẫn là chuyển động trưọt nhưng hai trục của thanh nối đầu vào và đầu ra vuông góc với nhau

Khớp quay (R ): dạng khớp này tạo ra chuyển động quay xung quanh trục vuông với góc các trục của thanh nối đầu vào và đầu ra

Khớp xoắn (T): vẫn là chuyển động quay nhưng trục quay của khớp

songsong với trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra

Khớp chữ V : với dạng khớp này, trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra vuông góc với nhau, trục quay của khớp song song với trục của thanh nối đầu vào

Mỗi robot thường có một đế gắn cố đinh được gọi là thanh nối 0 Một robot

nối giữa thanh nối i+1 và i Thanh nối n được gọi là khâu tác động cuối, cấu tạo của robot được chia làm hai phần chính : phần cánh tay và phần bàn tay Phần cánh tay thường có 3 bậc tự do, phần bàn tay thường có 2 đến 3 bậc tự do Phần cánh tay có nhiệm vụ định vị nhằm di chuyển khâu tác động cuối tới vị trí đặt trong không gian Phần bàn tay làm nhiệm vụ định hướng, dùng để xoay chuyển hướng của khâu tác động cuối phù hợp với công nghệ yêu cầu, ví dụ như xoay bàn kẹp theo hướng nắm bắt một vật nào đó, hoặc định hướng một súng hàn

Để xoay chuyển vật, phần bàn tay phải thực hiện được các động tác quay, lắc, gật gù với 3 bậc tự do

Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy

Với cấu tạo như vậy robot có thể đưa đầu cuối bàn tay của nó đến nhiều điểm trong không gian theo hướng mong muốn, tại đó sẽ thực hiện một công việc nào đó Tập hợp tất cả các điểm mà tay máy có thể chạm đến gọi là không gian làm việc của robot

Với năm loại khớp đã mô tả ở trên có 125 tổ hợp các khớp có thể sử dụng

để thiết kế phần cánh tay máy với ba bậc tự do Một số tay máy điển hình trong công nghiệp được minh họa trên hình (1.4÷ 1.7) Người ta kí hiệu dạng của robot theo các chữ cái kí hiệu các khớp liên tiếp :

• Dạng hệ tọa độ cực (TRL)

• Dạng hình trụ TLO

• Dạng tay gắn vào thân TRR hoặc VVR

• Dạng tọa độ vuông góc LOO hoặc VVR

• Dạng SCARA

Hình 1.4: Dạng tay gắn vào thân Hình 1.5: Dạng hệ tọa độ cực

Hình 1.6: Dạng hình trụ Hình 1.7: Dạng SCARA

1.1.4 Các thông số đặc trƣng của hệ thống robot

Hệ thống điều khiển robot cũng đƣợc đặc trƣng bởi các khái niệm về độ phân giải, độ chính xác, độ lặp lại

Độ phân giải đặc trƣng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn đƣợc

trên toàn bộ dải chuyển động của một khớp :

CR=(dải chuyển động)/2n

(1.1) trong đó n là số bit để biểu diễn một số trong hệ thống điều khiển Tuy nhiên đây mới là độ phân giải cho một khớp robot Đối với robot người ta đưa ra khái niệm

về độ phân giải không gian Khái niệm này kết hợp độ phân giải của hệ thống điều khiển vớii sai số do hệ thống cơ khí gây ra trên các khớp và các mối liên kết Nói chung sai số cơ khí tuân theo phân bố xác suất chuẩn và người ta xác định độ phân giải không gian, kí hiệu là SR, như sau :

Độ chính xác đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của

tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó

Độ chính xác = CR/2 + 3 (1.3)

Độ chính xác liên quan đến độ phân giải không gian được xác định là :

Độ lặp lại đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó

chạm vào một điểm theo chương trình định sẵn Mỗi lần robot định chạm vào một điểm đãđược lập trình trước đó, nó sẽ chỉ chạm được vào gần đó do hệ thống cơ khí có sai số Do đó độ lặp lại của robot được xác định bằng :

1.1.5 Hệ thống truyền động robot

Các khớp có thể được thực hiện các chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp hành được truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau như truyền động điện, thủy lực, khí nén Các hệ thống truyền động điện cho khả năng về điều khiển linh hoạt tốt hơn cả và dễ dàng phối hợp với máy tính trong hệ thống điều khiển Các hệ truyền động thủy lực có tốc độ cao hơn và công suất cũng lớn hơn Các

hệ khí nén chỉ được dùng trong công suất nhỏ và cho các ứng dụng đơn giản như

cơ cấu vận chuyển, bàn kẹp

1.1.6 Hệ thống điều khiển chuyển động

Chức năng của các bộ điều khiển trong hệ thống là đảm bảo cho robot chuyển động theo đúng quỹ đạo mong muốn được đặt trước Bộ điều khiển có thể được thiết kế từ các vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển logic khả trình PLC hoặc máy tính Dựa vào hệ thống có hay không sử dụng các tín hiệu phản hồi thông báo thông tin về trạng thái hiện tại của robot, có thể phân chia các hệ thống điều khiển thành hệ thống mạch kín và hệ thống mạch hở

Hệ thống mạch kín gồm hai cảm biến đo vị trí góc và tốc độ góc Bài toán điều khiển trong không gian khớp được đề cập cho hệ thống này Vị trí khớp và tốc độ khớp được so sánh với các tín hiệu đặt tương ứng Các sai số này sẽ được

sử đụng để tổng hợp tín hiệu điều khiển theo thuật toán phù hợp

Hệ thống mạch hở không có cảm biến gắn trên khớp, rõ ràng bộ điều khiển không biết vị trí của tay máy trong quá trình chuyển động Tuy nhiên trên mỗi trục có gắn với một công tắc hành trình, khớp sẽ ngừng chuyển động khi nó chạm phải công tắc này hoặc bộ truyền động động cơ ngắt tín hiệu điều khiển sau một khoảng thời gian định trước

1.1.7 Cảm biến

Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại:

• Cảm biến ngoại tuyến tăng khả năng nhận thức cho robot về môi trường xung quanh

• Cảm biến nội tuyến cung cấp các thông tin về đặc tính của bản thân robot Cảm biến nội tuyến được gắn trực tiếp trên trục động cơ hoặc khớp, thường là các encoder, chiết áp đo vị trí, tốc độ khớp

1.1.8 Ứng dụng robot công nghiệp

Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt của con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, năng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra

Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của qui trình công nghệ

Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công ở những nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao như : Nhật Bản, các nước Tây Âu, Hoa Kỳ

Tất nhiên nguồn năng lượng từ robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mói thay thế được sức lao động của con người Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhưng dễ nhầm lẫn, nhàm chán

Robot có khả năng nghe được siêu âm, cảm nhận được từ trường

Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bậc của robot là môi trường làm việc Chúng

có thể thay con người làm việc ở nhũng môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm Ở những nơi như các nhà máy hoá chất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành tinh khác thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng

• Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí:

Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí Ngoài ra người ta còn sử dụng robot phục vụ cho các công nghệ đúc, một môi trường nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đòii hỏi độ tin cậy Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau

• Ứng dụng trong các lĩnh vực gia công lắp ráp:

Các thao tác này thường được tự động hóa bởi các robot được gia công chính xác và mức tin cậy cao

Hình 1.8: Robot sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp

• Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất:

Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vực quân sự, y

tế, .rất được quan tâm Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, robot đặc biệt là tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao

Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot được thiết kế

để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm lớn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc

1.2 Phương pháp điều khiển robot

Khi xét bài toán điều khiển tay máy cho một robot nào đó, trước hết chúng

ta sẽ phải mô hình hóa tay máy đó là một cơ cấu - đối tượng được điều khiển, trong đó các cảm biến được đặt tại các khớp để quan sát trạng thái của các khớp Chúng ta luôn muốn điều khiển các khớp của robot bám đúng quỹ đạo được thiết kế Do vậy chúng ta phải sử dụng các hệ điều khiển để tính toán các lệnh phù hợp nhất cho các phần tử này sao cho chúng thục hiện đúng các quy luật chuyển động mong muốn Trong nhiều trường hợp nhờ sử dụng tín hiệu phản hồi, moment đầu ra thực tế sẽ được kiểm soát để tính toán moment mong muốn

Quỹ đạo đặt

M

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Từ các giá trị đầu vào vị trí q d, vận tốc q d, gia tốc q, bộ điều khiển có nhiệm vụ tính toán vector moment Mdk để điều khiển robot chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Nhƣ vậy, tín hiệu phản hồi sẽ đƣợc sử dụng để tính toán sai lệch giữa vị trí E và sai lệch vận tốc E

hai hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển trong không gian

khớp và hệ thống điều khiển trong không gian làm việc

• Điều khiển trong không gian khớp

Đại lƣợng điều khiển là vị trí của khớp robot : góc quay đối với khớp quay;

độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến Bộ điều khiển đƣợc thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất

Thuật toán ĐKchuyển động

Động lực học Robot Động lực học Robot

• Điều khiển trong không gian làm việc

Tín hiệu đặt là vị trí bàn tay máy

Qũy đạo chuyển động của tay máy E là

Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiển robot

Đề tài giới hạn điều khiển chuyển động trong không gian khớp khi chưa biết chính xác các thông số động lực học, một số biến điều khiển không đo được Từ đó tìm ra giải pháp để nghiên cứu, đánh giá, qua đó lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp

Thuật toán điều khiển chuyển động

Thuật toán điều khiển chuyển động

ĐK chuyển động trong không gian khớp

ĐK chuyển động trong không gian khớp

ĐK chuyển động trong không gian làm việc

ĐK chuyển động trong không gian làm việc

pháp PID

ĐK phi tuyến trên cơ

sở mô hình

ĐK phi tuyến trên cơ

sở mô hình

Thuật toán Li- slotine thích nghi

Thuật toán Li- slotine thích nghi

ĐK ma trận Jacobi

vị

ĐK ma trận Jacobi

vị

ĐK ma trận Jacobi đảo

ĐK ma trận Jacobi đảo

1.2.1 Phương pháp PD bù trọng trường

Yêu cầu đặt ra là tổng hợp bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt

đối xung quanh điểm cân bằng (E= q d - q = 0) Xét tính ổn định của hệ thống

Sơ đồ điều khiển:

Hình 1.11: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển PD bù trọng trường

Nhận xét về phương pháp PD bù trọng trường:

Ưu điểm: Đơn giản về mặt toán học

Nhược điểm: Thành phần G(q) trong luật điều khiển là thành phần trọng trường phụ thuộc vào khối lượng của các thanh nối hay khối lượng của khớp nối, khối lượng của vật mà Robot gắp Mà các thành phần này không xác định được một cách chính xác, do đó luật điều khiển PD bù trọng trường không được

sử dụng trong điều khiển Robot đòi hỏi độ chính xác cao

1.2.2 Thuật toán PID

Moment điều khiển:

(1.9)

K p = diag{k p1 , k p2 , k pn} là ma trận đường chéo hệ số khuếch đại

K d = diag{k d1 ,k d , ,kdn} là ma trận đường chéo hệ số đạo hàm

Sơ đồ điều khiển :

Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PID

Nhược điểm của phương pháp PID là các thông số KI, Kd, Kp chỉ được xác định bằng thực nghiệm nên rất khó đưa ra được thông số chính xác

1.2.3.Phương pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình

Moment điều khiển:

M = α.τ+β (1.10) Trong đó : α =H(q)

C1, C2 phụ thuộc vào điều kiện ban đầu

Ta có sơ đồ nghiệm:

Hình 1.13: Sơ đồ nghiệm khi ∆ = 0

Như vậy khi ∆ =0 thì sai lệch e(t) →0, bộ điều khiển đạt trạng thái tốt nhất

Sơ đồ điều khiển :

Hình 1.14 Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình

Ưu điểm: Đảm bảo sai số bám quỹ đạo về 0 khi lựa chọn thông số bộ điều khiển phù hợp

Nhược điểm:

- Khối lượng tính toán lớn

- Phải biết chính xác các thông số động lực học và động học của hệ thống Robot

1.2.4 Phương pháp điều khiển Li - Slotine

Phương trình động lực học Robot biểu diễn dưới dạng

M H q q C q q q G q (1.12) Moment điều khiển:

M (1.13) Trong đó

Nhân cả hai vế của phương trình (1.16) với T

2

T

T d

d d

Vậy hệ thống sẽ ổn định xung quanh điểm cân bằng r = 0

Sơ đồ điều khiển:

Hình 1.16 Sơ đồ luật điều khiển Li-Slotine

Các phương pháp điều khiển chuyển động được trình bày ở trênyêu cầubiết được chính xác mô hình động lực học robot, các tham số của robot và phụ thuộc vàogiá trị tính toán tham số bộ điều khiển Tuy nhiên một số robot khó có thể xác định được chính xác hoặc các tham số biến đổi trong quá trình làm việc như: khối lượng tải robot gắp ở tay, moment quán tính tải, ma sát Vì thế để xác định được lượng moment truyền động cần thiết lên các khớp di chuyển theo quỹ đạo, bền vững theo sự thay đổi tham số, có khả năng bù sự thay đổi của tải thì cần phải sử dụng bộ điều khiển có khả năng chỉnh định được các thông số động lực học tay máy trong quá trình chuyển động

Điều khiển thích nghi sẽ tạo ra được bộ điều khiển làm cho hệ thống có chất lượng không đổi, đảm bảo độ chính xác chuyển động khi robot không đuợc xác định chính xác hoặc biến đổi Phương pháp của bộ điều khiển thích nghi là ước lượng các tham số động lực học của robot rồi dựa vào luật thích nghi để chỉnh định lại các tham số ước lượng đảm bảo sai lệch E và E → 0 khi t→ ∞

Ngoài ra, trong những phương pháp thiết kế bộ điều khiển trước ta thường

giả thiết là vector trạng thái X là đo được để phản hồi ngược về bộ điều khiển

Nhưng làm thế nào để thực hiện được việc phản hồi được những tín hiệu đó Thông thường, việc xác định giá trị tín hiệu đơn giản nhất là đo trực tiếp nhờ các thiết bị cảm biến (sensor) như cảm biến vị trí, tốc độ Tuy nhiên đối với các

d d

r e e

d d

sensor tốc độ lại có nhược điểm là nhiễu, do đó phải sử dụng bộ lọc thông thấp,

để sử dụng bộ lọc thông thấp yêu cầu phải chọn đúng tần số cắt, điều này là hết sức khó khăn Vì vậy, để giải quyết vấn đề trên, ta sử dụng bộ quan sát Nếu không đo được trực tiếp, song đối tượng lại là quan sát được thì ta có thể thiết kế thêm bộ quan sát trạng thái nhằm xác định giá trị vector x(t) thông qua việc đo

những tín hiệu vào ra u(t), y(t)

Ở chương tiếp theo em xin được trình bày thuật toán điều khiển thích nghi Li- Slotine và bộ quan sát thích nghi

Chương 2

BỘ ĐIỀU KHIỂN LI - SLOTINE THÍCH NGHI

VÀ BỘ QUAN SÁT THÍCH NGHI 2.1 Cơ sở lý thuyết hệ phi tuyến

tâm ở đây là mô hình toán học mô tả quan hệ giữa vector tín hiệu vàou(t) và tín hiệu ra y (t), tức là mô tả ánh xạ T : u(t)→ y (t) Ánh xạ này được viết lại như

sau :

y (t) = T{u(t) } (2.1)

Nếuánh xạ T thỏa mãn :

T(a 1 u 1 (t)) + Ta2u2(t)) = a 1 T(u 1 (t)) + a 2 T(u 2 (t)) (2.2)

Trong đó a1, a2Є R thì hệ đó được gọi là tuyến tính Tính chất (2.2) được gọi là nguyên lý xếp chồng

Ngược lại, hệ thống không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng gọi là hệ phi tuyến

u(t)=

Nhờ có mô hình toán học (2.1) ta luôn xác định được vector tín hiệu đầu ra

y (t) của hệ thống nếu như đã biết trước vector tín hiệu đầu vào u{t) và các trạng

thái tức thời x1(t),x2(t) xn(t) của nó

Mô hình của hệ tĩnh : Một hệ thống được gọi là tĩnh, nếu tín hiệu ra y(t)

ở thời điểm t= t0 được xác định trực tiếp từ tín hiệu đầu vào u(t0) tại đúng thời điểm đó Nhưvậy mô hình toán học (2.1) của hệ tĩnh sẽ chỉ là một quan hệ đại số

và người ta viết nó lại thành hàm y = f (u)

Mô hình của hệ động : Một hệ thống được gọi là động, nếu để xác định

tín hiệu ra y(t0) ở thời điểm t= t0 người ta cần phải có các giá trị tín hiệu đầu vào

u(t) ở tất cảcác thời điểm trước đó Như vậy, để mô tả một hệ động, mô hình

toán học (2.1) của nó không thể chỉ là một quan hệ đại số mà nó còn có cả các quan hệ giải thích khác như vi phân, tích phân Khác với hệ tĩnh, mô hình hệ động có sự tham gia của các biến trạng thái, vì trạng thái của hệ là đại lượng mang thông tin về tính động học của hệ

Bản chất động học của hệ thống nằm trong quan hệ giữa tín hiệu vào

u(t)vàtrạng thái x(t) của nó Mô hình toán học (2.1) được viết dưới dạng :

• Mô hình trạng thái tự trị (autonom)

)

; (

)

; (

u x g y

u x f dt

dx

• Mô hình trạng thái không tự trị (non-autonom)

) ,

; (

) , , (

t u x g

y

t u x f

dt

dx

Với mô hình trạng thái người ta có thể xác định được nghiệm x(t), y(t) mô

tả sựthay đổi trạng thái và tín hiệu ra của hệ thống theo thời gian dưới tác động

của kích thích y(t) và điểm trạng thái đầu x0 = x(0) được giả thiết là đã biết

2.1.2 Điểm cân bằng và điểm dừng của hệ

Định nghĩa 2.1: Một điểm trạng thái x e được gọi là điểm cân bằng nếu như

khi đang ở điểm trạng thái x e và không có một tác động nào từ bên ngoài thì hệ

Rõ ràng là điểm dừng theo định nghĩa vừa nêu sẽ là nghiệm của :

( , d, )u u d 0

d x

f x u t

dt (2.4)

2.1.3 Tính ổn định của điểm cân bằng

Một trong những công việc phải làm đầu tiên khi phân tích hệ thống là xét tính ổn định của hệ thống Nếu hệ thống không ổn định thì phải tìm một bộ điều khiển làm cho nó ổn định Khi hệ đã ổn định rồi, ta mới tính tới việc mở rộng bộ điều khiển đã có hoặc tìm thêm các bộ điều khiển tiếp theo để tạo ra cho hệ thống những chất lượng mong muốn khác

Tính ổn định của hệ thống là một phản ứng động học của hệ với tác động

từ bên ngoài Nhưng do có hai nguồn tác động bên ngoài mà ta thường quan tâm

là tín hiệu đầu vào và tín hiệu nhiễu, nên tương ứng cũng có hai định nghĩa về tính ổn định

Định nghĩa 2.3 (BIBO) : một hệ thống có (vector) tín hiệu vào u(t) và ra

y (t) được gọi là ổn định BIBO nếu như u t( ) < ∞(hữu hạn) thì y t( ) < ∞ cũng là

số hữuhạn

Định nghĩa 2.4 ( Lyapunov): Một hệ thống được gọi là ổn định tiệm cận

Lyapunov tại điểm cân bằng x e nếu như có một tác động tức thời (hoặc trong

mộtkhoảng thời gian đủ ngắn) đánh bật hệ ra khỏi x e thì sau đó hệ có khả năng

tự quay vềđược điểm cân bằng ban đầu

Theo định nghĩa trên thì ta có thể nhận biết được hệ có ổn định hay không tại một điểm cân bằng thông qua dạng họ các đường quỹ đạo trạng thái của nó Nếu hệ ổn định tại một điểm cân bằng x enào đó thì mọi đườngquỹ đạo trạng

thái x(t) xuất phát từ một điểm xo thuộc lân cận của x e đềuphải kết thúc tại x e

Chú ý rằng tính ổn định của hệ phi tuyến chỉ có ý nghĩa khi đi cùng với điểm cân bằng x e Có thể hệ sẽ ổn định tại điểm cân bằng này, song lạikhông

ổn định ở điểm cân bằng khác Điều này cũng khác so với khái niệm ốn định ở

hệ tuyến tính Vì hệ tuyến tính thường chỉ có một điểm cân bằng là gốc toạ độ

( x e = 0 ) nên khi hệ ổn định tại 0 , người ta cũng nói thêm luônmột cách ngắn

gọn là hệ ổn định

2.1.4 Tiêu chuẩn Lyapunov

2.1.4.1: Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov

Xét hệ phi tuyến không bị kích thích ( không có tín hiệu vào) mô tả bởi:

Không mất tính tổng quát, sau đây ta sẽ giả thiết hệ cân bằng tại gốc xe = 0 vàchỉ phân tích tính ổn định của hệ trong lân cận điểm cân bằng đó Nói rằng không mất tính tổng quát vì chẳng hạn, để xét tính ổn định của hệ tại một điểm cân bằng x e ≠ 0nào đó, thì thông qua biến mới:

e

dx d x

x x x

dt dt

Việc xét tính ổn định của nó tại x e nay sẽ trở thành việc xét tính ổn định của:

d x

f x x

dt tại điểm gốc tọa độx 0

Giả sử hệ không bị kích thích đang ở điểm cân bằng x e =0 thì bị một tác động tức thời không mong muốn đánh bật ra khỏi 0 và đưa tới một điểm trạng thái x0 nào đó thuộc lân cận đủ lớn của gốc tọa độ Khi đó hệ sẽ được gọi là:Ổn định tại 0 nếu nó tự quay về về được điểm 0 Ổn định tiệm cận tại 0 nếu

nó tự quay về được một lân cận nào đó của điểm gốc 0 (không cần kích thích) Lân cận lúc nàyđược gọi là miền ổn định Nếu miền ổn định là toàn bộ không gian trạng thái thì hệ sẽ được gọi là ổn định tiệm cận toàn cục

Hiển nhiên rằng hệ ổn định tại cũng sẽ ổn định tại đó Điều ngược lại không đúng Hơn thế nữa, ta còn nhận thấy chất lượng ổn định của hệ theo định nghĩa

trên phụ thuộc vào vị trí điểm trạng thái xuất phát x 0 , tức là phụ thuộc vào lân

cận Lâncận càng lớn, chất lượng ổn định của hệ càng cao Cũng như vậy, khi hệ đã ổn định thì hệ sẽ có chất lượng ổn định (tiệm cận) càng lớn nếu tốc độ

tiến về gốc tọa độ của quỹ đạo trạng thái tự do x t của hệ càng nhanh Hình 2.1 minh họa hai khái niệm ổnđịnh và ổn định tiệm cận theo định nghĩa trên

Hình 2.1: Minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận

Cũng từ hình minh họa 2.1 ta thấy nếu gọi x t, nghiệm của phương trình vi

phân (2.5) ứng với điều kiện đầu x(0) = x 0 bất kì nào đó thuộc lân cận của gốc tọa độ thì rõ ràng hệ sẽ là :

• Ổn định tiệm cận tại 0 nếu có limx(t) 0

x

• Ổn định tại 0 nếu có x (t) khi t>T, trong đó là một hằng số dương đủ

nhỏ cho trước và T là một sổ hữu hạn cũng cho trước

Nghiệm x(t) của phương trình vi phân (2.5) ứng với điều kiện đầu x(0) =

x0 bấtkỳ nào đó được gọi là quỹ đạo trạng thái tự do của hệ Như vậy, theo định nghĩa trên, để kiểm tra được tính ổn định của hệ tại 0 ta phải xác định được nghiệm của phương trình vi phân (2.5) Do đó cũng là cần thiết nếu ta nói thêm

về khả năng tồn tại nghiệm của phương trình vi phân này

Định lý 2.1 : Nếu phương trình vi phân (2.5) thỏa mãn

0

0 ) ( )

(x f x L x x

f với mọi xthuộc lân cận nào đó của x0, trong đó L là

số thực dương, thì trong lân cận đó, nó sẽ có nghiệm duy nhất x{t) thỏa mãn

điều kiện đầux( 0 ) x0

Định lý cho phép ta kiểm tra được sự tồn tại nghiệm x(t) của (2.5) nhưng

không giúp ta tìm được nghiệm đó Một câu hỏi đặt ra là làm sao kiểm tra được tính ổn định của hệ phi tuyến không bị kích thích (a.b) mà không cần phải xác định hay đi tìm quỹ đạo của trạng thái tự do của nó Câu trả lời chính là nội dung của tiêu chuẩn Lyapunov

Hình 2.2: Tư tưởng phương pháp Lyapunov

Hình 2.3: Tạo họ đường cong kín chứa gốc tọa độ