Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động cho tay máy 2 bậc tự do với khử sự ràng buộc giữa các khớp

Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động cho tay máy 2 bậc tự do với khử sự ràng buộc giữa các khớp Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động cho tay máy 2 bậc tự do với khử sự ràng buộc giữa các khớp luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO TAY MÁY 2 BẬC TỰ DO VỚI KHỬ SỰ RÀNG BUỘC GIỮA CÁC KHỚP

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn

Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Mạnh Tiến, người

đã định hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày 05/11/2009

Bùi Trung Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả luận văn:

Bùi Trung Hiếu

M ỤC LỤC

L ời cảm ơn………

L ời cam đoan

M ục lục

Danh m ục các chữ viết tắt, các bảng

Danh m ục các hình vẽ, đồ thị

M Ở ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3

1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp 3

1.2 Hệ truyền động trong robot 14

1.3 Hệ thống điều khiển robot 16

Chương 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC TAY MÁY (SCARA) 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Xây dựng động học vị trí của robot SCARA 29

2.3 Động lực học robot SCARA 35

2.4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu của đối tượng 44

2.5 Mô hình động lực học cơ cấu chấp hành 46

2.6 Mô hình động lực học phân ly các khớp 48

2.7 Hệ phương trình trạng thái động lực học 50

Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN LY KHỚP 53

3.1 Thiết kế sơ đồ điều khiển phân ly khớp của robot SCARA 53

3.2 Tổng hợp các mạch vòng điều khiển 55

3.3 Các kết quả mô phỏng 59

Chương 4: HỆ THỐNG BÙ MÔMEN NHIỄU CẢN 65

4.1 Đánh giá ảnh hưởng của mômen nhiễu cản đến chất lượng điều khiển của các khớp 65

4.2 Thuật toán nhận dạng mômen nhiễu cản 68

4.3 Hệ thống điều khiển phân ly khớp có bù mômen nhiễu cản 70

4.4 Các kết quả mô phỏng 72

K ẾT LUẬN 77

DANH M ỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PH Ụ LỤC………… ………

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BĐK Bộ điều khiển

ĐLH Động lực học

PD Proportion – Derivative Controller

PID Proportion - Integral - Derivative Controller

SISO Single input – Single output

PL Phụ lục

DANH M ỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của robot SCARA 30

2 Bảng 2.2 Bảng thông số thực nghiệm của robot SCARA 37

3 Bảng 3.1 Bảng thông số mô phỏng của robot SCARA 59

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Các hệ tọa độ suy rộng của robot 7

2 Hình 1.2 Biểu diễn trường công tác của robot 7

3 Hình 1.3 Các thành phần chính của một hệ thống robot 8

4 Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ Đề các 10

5 Hình 1.5 Robot kiểu tọa độ trụ 11

6 Hình 1.6 Robot kiểu tọa độ cầu 11

7 Hình 1.7 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc 12

8 Hình 1.8 Robot kiểu SCARA 13

9 Hình 1.9 Các phương pháp điều khiển robot 16

10 Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí 17

11 Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phản hồi 18

12 Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với

17 Hình 2.1 Một số hình ảnh về Robot SCARA 28

18 Hình 2.2 Sơ đồ đặt hệ tọa độ cho các khớp của Robot

SCARA

29

19 Hình 2.3 Sơ đồ mô tả robot SCARA 36

20 Hình 2.4 Sơ đồ động cơ điện một chiều 47

21 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ truyền động cho một

23 Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện RI (p) 55

24 Hình 3.3 Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ động cơ

27 Hình 3.5 Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí khớp Rp(p) 58

28 Hình 3.6 Góc quay của khớp 1 khi Mc = 0 60

29 Hình 3.7 Góc quay của khớp 2 khi Mc = 0 61

30 Hình 3.8 Góc quay của khớp 1 khi Mc ≠ 0 62

31 Hình 3.9 Góc quay của khớp 2 khi Mc ≠ 0 63

32

Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển phân ly cho các khớp độc

lập của robot

65

33 Hình 4.2 Sự thay đổi góc quay của khớp 1 67

34 Hình 4.3 Sự thay đổi góc quay của khớp 2 67

35 Hình 4.4 Sơ đồ nhận dạng mômen nhiễu cản tổng 69

36 Hình 4.5 Sơ đồ nhận dạng mômen nhiễu cản tổng cải

40 Hình 4.9 Tổng hợp kết quả mô phỏng cho khớp 1 75

41 Hình 4.10 Tổng hợp kết quả mô phỏng cho khớp 2 76

M Ở ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, các máy móc

và thiết bị trong công nghiệp ngày càng phải đạt năng suất cao, làm việc chính xác Ứng dụng của robot trong sản xuất và nghiên cứu khoa học ngày càng được phát triển mạnh mẽ với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: Công nghiệp lắp ráp, công nghiệp hàn, những công việc trong môi trường độc hại và nguy hiểm Ngoài ra robot còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học như: y tế, sinh học, địa chất… và trong đời sống như: bán hàng, trông coi…

Hiện nay robot đang được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng được yêu cầu của nền sản xuất tự động hóa cao trên thế giới với mục đích làm tăng độ thông minh, độ tác động nhanh, độ chính xác điều khiển quỹ đạo chuyển động

và giảm giá thành Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot

tập trung chủ yếu theo hai hướng: thứ nhất, sử dụng các mô hình có đặc tính phi tuyến để đơn giản hóa việc phân tích và thiết kế Thứ hai, đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng của robot

Robot là một hệ thống ràng buộc và phi tuyến, sự ràng buộc đó được thể

hiện ở sự ảnh hưởng qua lại giữa các khớp Với 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 Với mục đích nghiên cứu khử sự ràng buộc của hệ thống chuyển

động robot, tôi đã tiến hành thực hiện luận văn với đề tài: “Nghiên cứu hệ

th ống điều khiển chuyển động cho tay máy 2 bậc tự do với khử sự ràng

bu ộc giữa các khớp” Luận văn có nội dung chính là xây dựng mô hình động

lực học phân ly cho các khớp của robot, xây dựng thuật toán nhận dạng mômen nhiễu cản và thiết kế khâu bù mômen nhiễu cản cho hệ thống điều khiển của khớp

Luận văn này được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 - T ổng quan về robot công nghiệp: Giới thiệu chung về

robot công nghiệp Nghiên cứu và phân tích các ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot

Chương 2 - Mô t ả toán học của tay máy (SCARA): Xây dựng mô

hình động học vị trí, bài toán động học thuận, động học ngược, xây dựng mô hình động lực học cơ cấu chấp hành, mô hình động lực học phân ly các khớp

và mô hình trạng thái của robot

Chương 3 - Hệ thống điều khiển phân ly khớp: Xây dựng sơ đồ điều

khiển phân ly khớp với các mạch vòng điều khiển vị trí khớp, tốc độ động cơ

và dòng điện Tổng hợp các mạch vòng điều khiển, mô phỏng hệ thống trong hai trường hợp có và bỏ qua ảnh hưởng của mômen nhiễu cản

Chương 4 - H ệ thống bù mômen nhiễu cản: Xây dựng hệ thống điều

khiển phân ly khớp với khâu nhận dạng và bù mômen nhiễu cản Các kết quả

mô phỏng của hệ thống khi có khâu bù mômen nhiễu cản

Mặc dù đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu nhằm hoàn thành yêu cầu đặt ra, xong vì thời gian và trình độ của bản thân có hạn nên bản luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót và khiếm khuyết Vì vậy tác giả mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý tận tình của các thầy cô giáo trong hội đồng bảo vệ

và phản biện để luận văn sẽ được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn

Thầy giáo TS Nguy ễn Mạnh Tiến đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn

thành bản luận văn này

CHƯƠNG 1

T ỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 GI ỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1.1 Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là

công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1920 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators)

và các máy công cụ điều khiển số (Numerical controlled machine tool)

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 Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát

để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong

và hai tay cầm ở bên ngoài Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm

và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ

xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Sau đây sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại Robot Unimate - 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh

-1967, Thụy Điển và Nhật - 1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức - 1971; Pháp - 1972; ở 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 Stanford (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 vi tính, gọi là Robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này 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 kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot 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 đăc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ

vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.1.2 Các khái ni ệm và định nghĩa về robot công nghiệp

a Định nghĩa robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ;

có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm

thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA (Robot Institute of America):

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết

kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm

vụ khác nhau

Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga):

Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình,

có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng

phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết

những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham

gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

b Bậc tự do của robot (DOF: Degrees of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ

cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

5 i i=1

cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị

và 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp

có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc

tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải

tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6

c H ệ tọa độ (Coordinate Frames)

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản

(base) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay

hệ tọa độ chuẩn) Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là

hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc

của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay như trên hình 1.1 Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp

Hình 1.1 Các h ệ tọa độ suy rộng của robot

d Trường công tác của robot (Workspace or Range of Motion)

a-Hình chi ếu đứng b-Hình chiếu bằng

Hình 1.2 Bi ểu diễn trường công tác của robot

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 3600

Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot như trên hình 1.2

1.1.3 C ấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

a Các thành ph ần chính của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm

biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như trên hình 1.3

Hình 1.3 Các thành ph ần chính của một hệ thống robot

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot

Cánh tay robot

Các chương trình

Dụng cụ thao tác

Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các

hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot

có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy - học (Teach - Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được

cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn được gọi là Môđun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính Một môđun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí

của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot

b K ết cấu của tay máy

Như đã nói ở trên, tay máy là một thành phần quan trọng, nó quyết định

khả năng làm việc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết

kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa với cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc

của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản là:

• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Đề các, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

• Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của là robot là robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc (phỏng sinh)

Robot ki ểu tọa độ Đề các: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến

theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) như trên hình 1.4 Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 1.4 Robot ki ểu tọa độ Đề các Robot ki ểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng

Thường khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như trên hình 1.5

Hình 1.5 Robot ki ểu tọa độ trụ Robot ki ểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu

Thường độ cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu như trên hình 1.6

Hình 1.6 Robot ki ểu tọa độ cầu Robot ki ểu tọa độ góc (Hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot được

dùng nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác

cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so

với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation - Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) v.v

Ví dụ một robot hoạt động theo hệ tọa độ góc (Hệ tọa độ phỏng sinh), có

cấu hình RRR.RRR như trên hình 1.7

Hình 1.7 Robot ho ạt động theo hệ tọa độ góc Robot kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại

học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng

của các quá trình sản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm": Tay máy mềm dẻo tuỳ ý Loại robot này

thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" Ba khớp đầu tiên của kiểu robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng Sơ đồ của robot SCARA như trên hình 1.8

Hình 1.8 Robot ki ểu SCARA

1.1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm 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 kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được

cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng

nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao,

mức độ linh hoạt cao ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh

vực xã hội

Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng

nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con

người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.2 H Ệ TRUYỀN ĐỘNG TRONG ROBOT

1.2.1 Truy ền động điện trong robot

Truyền động điện được dùng khá nhiều trong kỹ thuật robot, vì có nhiều

ưu điểm như là điều khiển đơn giản không phải dùng các bộ biến đổi phụ, không gây bẩn môi trường, các loại động cơ điện hiện đại có thể lắp trực tiếp trên các khớp quay Tuy nhiên so với truyền động thuỷ lực hoặc khí nén thì truyền động điện có công suất thấp và thông thường phải cần thêm hộp giảm

tốc vì thường các khâu của robot chuyển động với tốc độ thấp

Trong kỹ thuật robot, về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau, nhưng trong thực tế chỉ có hai loại được dùng nhiều hơn cả Đó là động cơ điện một chiều và động cơ bước

Ngày nay, do những thành tựu mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ điện xoay chiều, nên cũng có xu hướng chuyển sang sử dụng động cơ điện

xoay chiều để tránh phải trang bị thêm bộ nguồn điện một chiều Ngoài ra, loại động cơ điện một chiều không chổi góp (DC brushless motor) cũng bắt đầu được ứng dụng vào kỹ thuật robot

1.2.2 Truy ền động khí nén và thủy lực

a Truy ền dẫn động khí nén

Dùng khí nén trong hệ truyền động robot nhiều thuận lợi như: Do các phân xưởng công nghiệp thường có mạng lưới khí nén chung, nên đơn giản hoá được phần thiết bị nguồn động lực cho robot Hệ truyền dẫn khí nén

tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều, Tuy nhiên hệ truyền dẫn khí nén cũng có nhiều nhược điểm như: do tính nén được của chất khí nên chuyển động thường kèm theo dao động, dừng không chính xác, ngoài ra còn cần trang bị thêm các thiết bị phun dầu bôi trơn, lọc bụi, giảm tiếng ồn

b Truy ền dẫn động thuỷ lực

Hệ truyền dẫn thuỷ lực có những ưu điểm như: Tải trọng lớn, quán tính

bé, dễ thay đổi chuyển động, dễ điều khiển tự động

Tuy nhiên chúng cũng có những nhược điểm như: Hệ thuỷ lực luôn đòi hỏi bộ nguồn, bao gồm thùng dầu, bơm thuỷ lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, các loại van điều chỉnh, đường ống làm hệ truyền động cho robot khá cồng

kềnh so với truyền động khí nén và truyền động điện

Nhìn chung, hệ truyền dẫn thuỷ lực vẫn được sử dụng khá phổ biến trong robot, nhất là trong trường hợp tải nặng

Các phần tử trong hệ truyền động bằng khí nén và thuỷ lực đã được tiêu chuẩn hoá

Các tính toán thiết kế hệ truyền dẫn khí nén và thuỷ lực đã được nghiên cứu trong các giáo trình riêng

1.3 H Ệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.3.1 T ổng quan về hệ thống điều khiển robot

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại: điều khiển thô và điều khiển tinh Ở bài toán điều khiển thô, sẽ xác định luật điều khiển thích hợp để tốc độ, vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất Bài toán thứ hai liên quan đến quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp robot lắp ráp một chi tiết vào một thiết bị máy Như vậy quá trình làm việc này yêu cầu điều khiển cả lực và vị trí Phân loại các phương pháp điều khiển robot được trình bày trên hình 1.9

Hình 1.9 Các phương pháp điều khiển robot

Điều khiển chuyển động thô (hay điều khiển quỹ đạo) có thể thực hiện ở

hệ tọa độ khớp hay tọa độ Đề các tuỳ thuộc quỹ đạo được thiết kế cho tọa độ

khớp hay tọa độ Đề các Điều khiển chuyển động tinh là điều khiển lực, thực

chất là kết hợp điều khiển lực và quỹ đạo Điều khiển lực gồm điều khiển trở kháng và điều khiển hỗn hợp

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển chuyển động (quỹ đạo) robot như trên hình 1.10 Robot gồm n khớp và mỗi khớp sẽ truyền động bởi một động

Điều khiển robot

Điều khiển thô

(Điều khiển quỹ đạo) (Điều khiển lực) Điều khiển tinh

tọa độ khớp

cơ và một hệ thống truyền động riêng Bộ điều khiển vị trí (Bộ ĐKi) có chức năng điều khiển chuyển động robot Khâu tạo quỹ đạo chuyển động sẽ tính toán các quỹ đạo mong muốn của từng khớp (qdi) từ quỹ đạo mong muốn của tay robot (xd, yd, zd) Quỹ đạo chuyển động mong muốn khớp (qdi) là tín hiệu đặt vị trí của các bộ điều khiển vị trí của từng khớp Tín hiệu ra của các bộ điều khiển (ui) là tín hiệu điều khiển hệ truyền động của khớp tương ứng Mỗi

bộ điều khiển vị trí của từng khớp là bộ điều khiển servo với tín hiệu phản hồi

là vị trí của khớp tương ứng được đo bởi các cảm biến vị trí (CBi)

Hình 1.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí

Sau đây, trình bày một số hệ thống điều khiển chuyển động điển hình trong robot như: hệ thống điều khiển phản hồi, phương pháp điều khiển động

lực học ngược, điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi

Bộ ĐK1 Tạo quỹ

đạo chuyển động

Bộ ĐK2

Bộ ĐKn

CB1 CB2 CBn

Vị trí khớp

1.3.2 H ệ thống điều phản hồi

Bộ điều khiển Robot (R)Cơ cấu

Cảm biến

d

(-)

Hình 1.11 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phản hồi robot được trình bày trên hình 1.11 qd là vectơ tín hiệu đặt vị trí các khớp; q là vectơ vị trí thực của các khớp robot; M là vectơ mômen của các khớp quay và lực đối với khớp

của khâu tỷ lệ được cộng đại số với tín hiệu tỷ lệ với tốc độ của khớp và đặt tới cơ cấu chấp hành của robot

M =K (q −q)−K q (1.3) hoặc viết cho một khớp thứ i ta có:

M =K (q −q )−K q (1.4) trong đó: KP =diag(K , K , , K )p1 p 2 pn là ma trận đường chéo các hệ số khuếch

đại của từng khớp riêng biệt;

Hệ thống điều khiển với cấu trúc bộ điều khiển (1.5) 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 như độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ tăng Mặt khác, sự tồn tại ảnh hưởng của thành phần mômen 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 mômen bộ điều khiển có dạng:

t

0

M =K ε +K ε + K ∫ε τ τ( )d (1.7) trong đó KI =diag(K , K , , K )i1 i 2 in là ma trận đường chéo các hệ số tích phân Bằng phương pháp tương tự, có thể chứng minh hệ thống với bộ điều khiển (1.7) ổn định Tác dụng của khâu tích phân của (1.7) là hiệu chỉnh chất lượng hệ thống khi sự ảnh hưởng của mômen trọng lực không được bù hết Phương pháp sử dụng các bộ điều khiển PD hoặc PID rất 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, thường là các đường thẳng Với các chuyển động phức tạp, hệ chịu tác động lớn của nhiễu thì không thể áp

dụng phương pháp này

1.3.3 Phương pháp điều khiển động lực học ngược

Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển động lực học ngược là lựa chọn luật điều khiển sao cho khử được các thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học các thanh nối

Dựa trên phương trình động lực học (1.2) của robot, giả thiết tất cả các tham số robot đã biết hoặc được xác định chính xác, luật điều khiển được chọn như sau:

dk

M =H(q)U+V(q, q) +G(q) (1.8)

Cân bằng mômen ở phương trình (1.8) và (1.2), 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:

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động lực học ngược được trình bày trên hình 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược

Các hệ số Kpi, K , di K có thIi ể được tính toán theo các tiểu chuẩn ổn định và hội tụ bằng cách đặt nghiệm của các phương trình ở vị trí mong muốn bên trái mặt phẳng phức

−

I

Kp

dk

q

+++

1.3.4 Phương pháp điều khiển bền vững

Mục đích của công việc thiết kế điều khiển là đáp ứng các yêu cầu về chất lượng điều khiển của đối tượng thực trên cơ sở các mô tả toán học của hệ thống Một bộ điều khiển được gọi là bền vững khi nó đáp ứng các yêu cầu về

chất lượng điều khiển không chỉ của đối tượng theo như mô tả toán học (chỉ đạt độ chính xác nhất định) mà có khả năng đáp ứng cho một lớp đối tượng có đặc tính cơ bản (mô tả toán học) như đối tượng cần điều khiển Phần đặc tính của đối tượng không được đưa vào mô tả toán học gọi là phần sai lệch không xác định (uncertainty) thường đặc tính hoá theo một vài chuẩn toán học để đưa về phân tích, xác định miền giá trị chứa sai lệch

Trong nhiều trường hợp, sai lệch không xác định của hệ thống thường có các dạng đặc biệt do chúng xuất phát từ hàng loạt các thông số vật lý hoặc từ việc giảm bậc của các hàm toán học phức tạp bậc cao, như vậy chúng có thể được biểu diễn cùng với mô hình đối tượng Những sai lệch như vậy được gọi

là sai lệch có cấu trúc Ví dụ đối với một hệ SISO, sai lệch đơn trong không gian trạng thái được mô tả như sau:

Ký hiệu V là tập các giá trị thích hợp của vectơ tham số ν thì bài toán điều khiển bền vững cho đối tượng có mô hình tuyến tính như trên được phát biểu như sau: Tổng hợp bộ điều khiển R sao cho hệ thống thoả mãn yêu cầu chất lượng E với mọi tham số mô hình ν của đối tượng thuộc miền V cho trước

Đặc trưng cho tiêu chuẩn chất lượng E trong miền thời gian thực là vị trí các giá trị riêng thuộc ma trận hệ thống trong mặt phẳng phức được xác định bằng nghiệm của phương trình đăc tính:

I: ma trận đơn vị

Như vậy nhiệm vụ của bài toán điều khiển bền vững là tổng hợp bộ điều khiển R sao cho các giá trị riêng của ma trận hệ thống nằm trong một miền D cho trước trong mặt phẳng phức khi tham số mô hình ν chạy trên miền V

Nếu tập D bao gồm các sai lệch ∆S giữa đối tượng thực và mô hình S(p) không thể mô tả dưới dạng tham số phương trình hay mô hình toán học thì nó được gọi là tập sai lệch không có cấu trúc

Sai lệch không có cấu trúc thường được phân ra làm ba loại căn cứ vào quan hệ của chúng với đối tượng bao gồm sai lệch cộng, sai lệch nhân và sai

lệch hệ số ổn định

Giả sử một đối tượng có hàm truyền thực tế lý tưởng là G(s); nhưng các phần tử cơ bản đặc trưng cho đối tượng chỉ có thể mô hình hoá bởi hàm truyền đạt G0(s):

- Sai l ệch cộng:

Giả sử rằng G(s) và G (s)0 quan hệ với nhau bởi:

G(s) = G (s) + ∆ (s) (1.13) trong đó ∆a(s) ổn định và được gọi là sai lệch cộng Cấu trúc của ∆a(s)thường không biết trước nhưng ∆a(s) được giả định thoả mãn chặn trên của

một miền tần số nào đó:

a(j ) ( )a

∆ ω ≤ δ ω ; với mọi ω (1.14) với δ ωa( ) là hàm đã biết nào đó Từ đó có thể xác định lớp các đối tượng:

a= G G(j )-G (j )0 a( )

Π ω ω ≤ δ ω (1.15)

Chặn trên δ ωa( ) của hàm ∆ ωa(j ) có thể được xác định bằng thực nghiệm Trong điều khiển bền vững, G (s)0 được xác định chính xác và những bất định của những điểm không; điểm cực của G(s) được mô tả trong

m(j ) ( )m

∆ ω ≤ δ ω ; với mọi ω (1.17) với δ ωm( ) là hàm đã biết nào đó có thể xác định bằng thực nghiệm

Từ phương trình (1.16) và (1.17) có thể xác định lớp các đối tượng:

∆ và ∆2(s) giả thiết ổn định và được gọi là sai lệch hệ số ổn định

Sơ đồ mô hình đối tượng với các sai lệch không cấu trúc được thể hiện ở hình 1.14

a) b)

c) Hình 1.14 Sơ đồ mô hình đối tượng với các sai lệch không cấu trúc a-Sai l ệch cộng; b-Sai lệch nhân; c-Sai lệch hệ số ổn định

1.3.5 Điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi là bài toán thiết kế bộ điều khiển nhằm luôn giữ

chất lượng hệ thống được ổn định, cho dù có nhiễu không mong muốn tác động vào hệ thống hoặc có những sự thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng làm thay đổi mô hình của nó Nguyên tắc hoạt động của hệ

thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng, bộ điều khiển sẽ tự thay đổi theo nhằm đảm bảo được tính cân bằng của chất lượng trong hệ thống

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

a Điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số

Trong điều khiển robot, khi một số 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, mômen 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 trên hình 1.15

Hình 1.15 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 được 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 học giữa các khớp của robot như trên hình 1.16

Chỉnh định tham số

Ước lượng tham số

Hình 1.16 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi 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 của 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

K ết luận chương 1:

Chương 1 đã trình bày phần tổng quan về Robot công nghiệp, hệ truyền động trong robot, các định nghĩa và các phương pháp điều khiển robot công nghiệp; ưu nhược điểm của các hệ thống điều khiển đã được phân tích Với

mục đích xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động có khối lượng tính toán

nhỏ và đơn giản với khử sự ràng buộc giữa các khớp, trong chương 2 sẽ trình bày về mô hình toán học, mô hình động lực học phân ly các khớp, mô hình động lực học cơ cấu chấp hành và mô hình trạng thái của Robot SCARA

Luật thích nghi

Mô hình chuẩn

ROBOT u(t)

Thích nghi tham số

+

Hình 2 1 Một số hình ảnh về Robot SCARA

2.2 XÂY D ỰNG ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA ROBOT SCARA

2.2.1 C ấu hình Robot SCARA

Robot SCARA được thiết kế động cơ truyền động của cổ tay được đặt trên trục cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nó đảm bảo được góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình máy chuyển động Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ một chiều có phản hồi

vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín Chuyển động thẳng đứng được thực hiện bằng pittông khí nén

Robot SCARA có 4 bậc tự do gồm 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến

Hình 2.2 Sơ đồ đặt hệ toạ độ cho các khớp của Robot SCARA

Gán cho mỗi thanh nối một khung toạ độ như trên hình 2.2

2.2.2 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận giải quyết vấn đề từ vị trí của các khớp tìm ra vị trí của tay robot Trong bài toán động học thuận, cần xác định mối quan hệ giữa vị trí của các khớp và vị trí của tay so với toạ độ gốc

Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của Robot SCARA

T được viết như ở phương trình (2.8)