Thiết kế bộ điều khiển cho mô hình động học tay máy hàn di động 5 bậc tự do

Với việc sử dụng các bộ điều khiển này, tay máy hàn có thể thực hiện việc di chuyển bám theo quỹ đạo bất kỳ không biết trước ở một tốc độ hàn cố định.. Trong luận văn, tác giả trình bày

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phan Tấn Tùng

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Trần Thiện Phúc

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Bùi Trọng Hiếu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 12 tháng 1 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN PHƯƠNG BẮC Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 21/11/1977 Nơi sinh : Tây Ninh

Chuyên ngành : Công nghệ Chế Tạo Máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005

1- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TAY MÁY HÀN DI ĐỘNG 5 BẬC TỰ DO

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN TẤN TÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và động viên chân tình của Quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp Hôm nay, khi luận văn đã hoàn thành, tôi xin kính gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến:

Cán bộ hướng dẫn: TS Phan Tấn Tùng đã nhiệt tình giúp đỡ, chỉ bảo và hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Lãnh đạo Trung Tâm Cơ Khí trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo điều kiện về mặt thời gian để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Thầy Nguyễn Ngọc Điệp, trưởng bộ môn Cơ Điện Tử trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM đã hỗ trợ tôi về vật chất lẫn động viên về mặt tinh thần giúp tôi vượt qua được những giai đoạn khó khăn trong quá trình làm đề tài

Đặc biệt, xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, khích lệ và hỗ trợ tôi trong suốt những năm học và thực hiện luận văn của mình

Một lần nữa, xin chúc mọi người nhiều sức khỏe, hạnh phúc và thành đạt

Ngày 5 tháng 11 năm 2007

Người thực hiện luận văn

Nguyễn Phương Bắc

Với việc sử dụng các bộ điều khiển này, tay máy hàn có thể thực hiện việc di chuyển bám theo quỹ đạo bất kỳ không biết trước ở một tốc độ hàn cố định

Trong luận văn, tác giả trình bày 2 bộ điều khiển dựa trên các ràng buộc động học để điều khiển động học tay máy hàn di động 5 bậc tự do Ngoài ra, tác giả còn kết hợp sử dụng luân phiên 2 bộ điều khiển để khắc phục những nhược điểm nếu chỉ sử dụng 1 bộ điều khiển đơn lẽ trong quá trình hàn

Hiệu quả của bộ điều khiển được thể hiện thông qua kết quả mô phỏng

By using these controllers, a 5 DOF mobile manipulator can track any trajectory with the constant welding velocity

In this thesis, I would like to present 2 controllers based on the kinematic constraints to control the kinematic model of 5 DOF mobile manipulator Besides, I combine and use 2 controllers alternately to overcome the disadvantage when using

a single controller during the welding process

The effectiveness of the proposed controller is shown by simulation results

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iv

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tên của đề tài và mục đích 1

1.2 Nhiệm vụ 1

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Giới thiệu 3

2.2 Tính cần thiết của đề tài 4

2.3 Nghiên cứu tham khảo 4

Chương 3: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TAY MÁY 5 BẬC TỰ DO 8

3.1 Mô hình động học của khung đế di động 8

3.2 Mô hình động học của tay máy L1L2L3 12

3.2.1 Động học vị trí tay máy L1L2L3 12

3.2.2 Động học vận tốc tay máy L1L2L3 14

3.3 Mô hình động học của tay máy hàn di động 5 bậc tự do 16

3.3.1 Động học vị trí tay máy di dộng 5 bậc tự do 16

3.3.2 Động học vận tốc tay máy di động 5 bậc tự do 17

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN VỚI CÁC THAM SỐ XÁC ĐỊNH 21

4.1 Định nghĩa sai số 21

4.2 Đo lường sai số 22

4.3 Bậc tự do thừa và các phương án thiết kế bộ điều khiển 23

4.4 Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống thứ nhất 24

4.4.1 Phương trình bộ điều khiển 24

4.4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển 29

4.5 Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống thứ hai 30

4.5.1 Phương trình bộ điều khiển 30

4.5.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển 33

Chương 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỚI CÁC THAM SỐ CHƯA XÁC ĐỊNH 34

5.1 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống thứ nhất 34

5.1.1 Phương trình bộ điều khiển 34

5.1.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển thích nghi 37

5.2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống thứ hai 37

5.2.1 Phương trình bộ điều khiển 37

5.2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển 41

Chương 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 42

6.1 Mô phỏng quá trình hàn bằng việc sử dụng bộ điều khiển thứ nhất 42

6.1.1 Trường hợp các tham số kích thước xác định (bộ điều khiển phi tuyến) 42

6.1.2 Trường hợp các tham số kích thước chưa xác định (bộ điều khiển thích nghi) 49

6.2 Mô phỏng quá trình hàn bằng việc sử dụng đồng thời 2 bộ điều khiển 53

6.2.1 Trường hợp các tham số kích thước xác định (bộ điều khiển phi tuyến) 54

6.2.2 Trường hợp các tham số kích thước chưa xác định (bộ điều khiển thích nghi) 58

Chương 7: KẾT LUẬN 63

PHỤ LỤC 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tên của đề tài và mục đích

Tên đề tài:

“Xây dựng bộ điều khiển cho mô hình động học tay máy 5 bậc tự do”

Mục đích của đề tài là đề ra giải thuật điều khiển (điều khiển phi tuyến và điều khiển thích nghi) cho mô hình động học tay máy 5 bậc tự do ứng dụng trong tay máy hàn di động

1.2 Nhiệm vụ

+ Mô hình hóa động học tay máy di động 5 bậc tự do

+ Giải quyết vấn đề bậc tự do thừa, từ đó đưa ra các phương án thiết kế bộ điều khiển

+ Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến

+ Thiết kế bộ điều khiển thích nghi

+ Mô phỏng kết quả

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành luận văn, người thực hiện cần phải sử dụng các phương pháp sau: + Phương pháp thu thập tài liệu

+ Phương pháp xử lý tài liệu

+ Ứng dụng phép toán để mô hình hóa tay máy hàn di động

+ Ứng dụng các nguyên lý điều khiển để xây dựng bộ điều khiển

+ Phương pháp thực hiện mô phỏng

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu về việc ứng dụng các giải thuật điều khiển phi tuyến và điều khiển thích nghi trong lĩnh vực Robot di động là lĩnh vực vẫn còn ít được quan tâm, tìm hiểu

Đề tài hoàn thành sẽ là cơ sở cho những nghiên cứu về sau trong lĩnh vực robot di động và kỹ thuật điều khiển

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có tính thực tiễn cao trong các ứng dụng Robot di động đặc biệt là Robot hàn

di động Với việc sử dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau trong quá trình điều khiển Robot hàn, Robot có thể di chuyển linh hoạt và thực hiện công việc chính xác bất chấp hình dáng quỹ đạo của đường hàn

Chương 2:

TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu

Hiện nay, có 2 loại Robot đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi, đó là Robot

cố định (còn gọi là tay máy) và Robot di động

Robot cố định được gắn vào đế cố định bằng các bulong nền vì thế nó có thể chịu lực và momen xoắn tại vị trí đế lớn khi tay máy mang tải Robot cố định có một nhược điểm là khả năng với xa của kết cấu bị giới hạn Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng một loại tay máy có thể di động để mới rộng phạm vi hoạt động của nó, nó được gọi là Robot di động hoặc tay máy di động

Ngày nay, do sự phát triển của máy tính, các thuật toán điều khiển thời gian thực có thể ứng dụng cho Robot di động Robot di động cũng thể hiện được các tính năng đáng kể nếu xét về kích cỡ và không gian làm việc của nó Một ứng dụng phổ biến của Robot di động trong công nghiệp là Robot hàn di động Trong quá trình hàn tại các vùng không gian hẹp hoặc sâu thì việc sử dụng Robot hàn cố định rõ ràng là không khả thi do kích thước lớn và phạm vi hoạt động nhỏ Vì vậy, giải pháp sử dụng một Robot có khả năng với tới những vị trí xa là hiệu quả nhất – Robot hàn di động có thể đáp ứng tốt yêu cầu này

Robot di động được phân loại theo 4 dạng chính:

Robot theo đường dẫn hướng: Để có thể di chuyển tới hoặc lui dọc theo

một đường rãnh dẫn hướng đặt trên mặt đất

Robot cần trục: Robot được gắn trên một cần trục treo có thể di động theo

2 hướng ngang và 1 hướng thẳng đứng Loại Robot này có thể mang tải rất lớn và

có thể vận hành tại những vị trí không có nhiều diện tích sàn

Robot bánh xe: Robot gắn trên để có các bánh xe độc lập

Robot kết hợp: Gồm Robot nhỏ đặt trên tay của một Robot lớn còn Robot

lớn gắn cố định với mặt đất Robot lớn thướng có tay dạng cần cẩu dùng như một thiết bị định vị thô Robot này có phạm vi làm việc rộng, di chuyển chậm, có khả năng tải lớn Robot nhỏ có thể di chuyển nhanh và chính xác

Luận văn này nghiên cứu dựa trên mô hình Robot bánh xe là 1 trong 4 loại Robot di động

2.2 Tính cần thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, có nhiều nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực robot và tay máy di động Các nghiên cứu về robot di động phần lớn thường tập trung vào vấn

đề là làm thế nào để di chuyển robot từ nơi này đến nơi khác trong môi trường cấu trúc hoặc phi cấu trúc Với tay máy di động, đó là vấn đề làm thế nào để di chuyển đầu cuối tay máy từ nơi này sang nơi khác Mặc dù có nhiều nỗ lực nghiên cứu về robot trong nhiều năm qua, nhưng việc nghiên cứu robot di động vẫn còn ít Vì vậy với mong muốn đề tài này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào những nỗ lực nghiên cứu tay máy di động, luận văn của tôi sẽ tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực tay máy di động và ứng dụng bộ điều khiển cho tay máy di động này

2.3 Nghiên cứu tham khảo

Trong nhiều năm qua, nhiều nhà nghiên cứu đã xây dựng và phát triển mô hình và giải thuật điều khiển cho Robot di động

Meng_Pi Cheng và Ching_Chih Tsai [5] đã xây dựng mô hình động học và động lực học của tay máy di động với 2 tay gắn trên đế

Hình 2.1: Mô hình Robot di động có 2 tay máy

De Xu đưa ra một phân tích về bài toán động học ngược cho Robot di động 5 bậc tự

Ở đây, 2 tham số được xem là tham số chưa biết để xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi là khoảng cách từ tâm Robot đến bánh xe và bán kính của bánh xe

Hình 2.2: Mô hình Robot di động 2 bánh xe cố định, có thanh trượt

Trong luận án tiến sĩ của mình, TS Phan Tấn Tùng [9] đã đạt được nhiều kết quả quan trọng trong lĩnh vực điều khiển Robot di động Dựa trên mô hình Robot di động 5 bậc tự do, ông đã xây dựng 2 bộ điều khiển thích nghi độc lập cho hệ thống Robot hàn di động 5 bậc tự do bám theo quỹ đạo hàn dựa trên việc điều khiển 2 bộ điều khiển độc lập này

Ngoài ra, về lĩnh vực điều khiển thích nghi còn có J.Craig [10], ông đã xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi trên tay máy cố định và thực nghiệm trên mô hình 2 bậc tự do

Cũng về điều khiển thích nghi, Colbaugh và Seraji [11] đã đưa ra 1 phương pháp tiếp cận mới để giải quyết bài toán điều khiển thích nghi Theo Colbaugh, cách tiếp cận truyền thống dựa trên mô hình động lực học T =W( , , )θ θ θ  p

Mô hình này được sử dụng trong các thuật toán ước lượng và từ đó hình thành 1 phương pháp thuật toán ổn định cho điều khiển thích nghi Phương pháp này gọi là

“Bộ điều khiển thích nghi dựa trên mô hình”

Phương pháp thứ 2 mà Colbaugh đặt tên là “Bộ điều khiển thích nghi dựa trên tính năng thể hiện” bởi vì ở phương pháp này, quy tắc thích nghi điều chỉnh giá trị độ lợi của bộ điều khiển một cách trực tiếp dựa trên sự thể thiện của hệ thống Mô hình động lực học:

Chương 3

MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TAY MÁY 5 BẬC TỰ DO

3.1 Mô hình động học của khung đế di động

Xét một tay máy di động như hình 3.1:

Giả sử, khung đế di động có 2 bánh xe đồng trục được dẫn động từ 2 động cơ độc lập và có các bánh xe tự lựa đỡ ở các góc

Hình 3.1: Mô hình tay máy di động 5 bậc tự do

Các thông số kích thước của đế di động được mô tả trên hình 3.2:

Hình 3.2: Đế di động trên hệ trục tọa độ

Với:

P: là tọa độ của giao điểm giữa trục đối xứng với trục của bánh xe

b: khoảng cách giữa bánh dẫn và trục đối xứng

r: bán kính bánh xe

φ : góc hợp bởi phương của đế di động so với trục O

X của hệ O

Các ràng buộc chuyển động của đế di động

Ràng buộc thứ nhất: Đế di động không thể dịch chuyển theo phương ngang bánh

Với (x P,y P) là tọa độ của điểm P trong hệ O

Ràng buộc thứ hai: Bánh dẫn động bên trái chỉ lăn và không trượt

cos sin

x φ+y φ−bφ=rθ (3.2)

Với θl: góc quay của bánh dẫn trái

Ràng buộc thứ ba: Bánh dẫn động bên phải chỉ lăn và không trượt

cos sin

x φ+y φ+bφ=rθ (3.3)

Với θr: góc quay của bánh dẫn phải

Đặt tọa độ Lagrange của đế di động là q

Vì thế, φ có thể được loại bỏ khỏi tọa độ Lagrange

Ba ràng buộc (3.1), (3.2) và (3.3) có thể được viết lại như sau:

Với:

q: vectơ tọa độ Lagrange,

1 2 3 4

P P r l

x q

y q

q q

θ θ

0 1

P

P P

x

y

φ φ

ω φ

r p

b v

p l

r p

b v

P r

Xét tay máy 5 bậc tự do như hình 5

Trong đó các hệ tọa độ được chọn như sau:

+ Hệ tọa độ 1: là hệ tọa độ có gốc đặt tại Q và trục 1X cố định trên khâu

PQ (thường được gọi là khâu 1)

+ Hệ tọa độ 2: là hệ tọa độ có gốc đặt tại S và trục 2X cố định trên khâu

QS (thường được gọi là khâu 2)

+ Hệ tọa độ 3: là hệ tọa độ có gốc đặt tại E và trục 3Y cố định trên khâu SE

(thường được gọi là khâu 3)

Hình 3.3: Hệ tọa độ làm việc trên tay máy di động

Từ hình 5, ta dễ dàng xác định được vị trí của E so với hệ tọa độ M

M

E M

12 12 3 3 3 12 3 3 12 3 3 123 2

Với:

3 123

11 2

L S r

b

φ φ

b

φ φ

b

φ φ

b

φ φ

b

= ; 32

2

r J

b

= − ; J33= ; 1 J34= ; 1 J35= 1

Chương 4

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN

VỚI CÁC THAM SỐ XÁC ĐỊNH

4.1 Định nghĩa sai số

Gọi R là tọa độ của điểm trên quỹ đạo hàn Trong khi đó, E là tọa độ của đầu hàn

Mục tiêu của đề tài là thiết kế bộ điều khiển để sao cho đầu hàn luôn bám theo quỹ

đạo hàn Cụ thể, sai lệch tọa độ giữa điểm R và E mong muốn đạt đến 0

Ta định nghĩa sai số E là một đại lượng vectơ gồm 3 thành phần:

1 2 3

Như vậy, nếu biết giá trị của sai số, ta sẽ biết được sai lệch của tọa độ đầu hàn E so với tọa độ điểm hàn R

Hình 4.1: Các sai số giữa đầu hàn E và điểm hàn R

4.2 Đo lường sai số

Trong thực tế, giá trị của sai số đo được bằng cách sử dụng các cảm biến Ta sử dụng 1 nguyên lý đo đơn giản bằng cách dùng 2 cảm biến đo chiều dài và 1 cảm biến đo góc quay như sau:

Sử dụng 2 con lăn đường kính d đặt tại r O và 1 O Khoảng cách giữa 2 con lăn, 2

1 2

O O , được sử dụng tùy thuộc vào độ cong của đường hàn

Hình 4.2: Phương án đo lường các tham số e e1 2 3, ,e

4.3 Bậc tự do thừa và các phương án thiết kế bộ điều khiển

Trong quá trình hàn đường hàn trên 1 mặt phẳng, chỉ cần một tay máy có 3 bậc tự

do cũng đủ thỏa mãn các ràng buộc của đường hàn (gồm 2 ràng buộc về tọa độ và 1

ràng buộc về góc quay) Tay máy hàn di động trong nghiên cứu này có 5 bậc tự do

và thực sự tay máy hàn di động này là hệ thống động học thừa (thừa 2 bậc tự do)

Để giải quyết vấn đề này, ta đưa vào 2 ràng buộc để hệ thống trở thành hệ thống 3

bậc tự do

Tùy thuộc vào việc lựa chọn thông số để ràng buộc khác nhau, ta sẽ có những hệ

thống động học 3 bậc tự do khác nhau Ở đây, tác giả xin đưa ra 2 phương án ràng

buộc để từ đó đưa ra 2 hệ thống 3 bậc tự do cụ thể

Hệ thống thứ nhất: Hệ thống này được xây dựng dựa trên các ràng buộc sau:

+ Ràng buộc tốc độ quay bánh xe trái và bánh xe phải bằng nhau: θl =θ r

+ Khâu 1 luôn cố định so với đế trong quá trình tay máy di động hoạt động:

θ =

Hệ thống thứ hai: Hệ thống này được xây dựng dựa trên các ràng buộc sau:

+ Ràng buộc bánh xe bên trái cố định: θl =0

+ Ràng buộc bánh xe bên phải cố định: θ =r 0

Tương ứng với các phương án, tác giả sẽ xây dựng bộ điều khiển cho từng hệ thống

4.4 Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống thứ nhất

4.4.1 Phương trình bộ điều khiển

Nhiệm vụ của bộ điều khiển là điều khiển đầu hàn có tọa độ E x( E,y E,φ E) đi theo

điểm tham chiếu R x( R,y R,φ Có nghĩa là, bộ điều khiển phải đưa sai số R) E→0

khi t → ∞

e e e

R R

θ θ θ

Với:

3 2

b

= − ; 32

2

r K

b

= ; K33= − ; 1 K34= − ; 1 K35= − 1Đạo hàm của V : 1

R R

k e

θ θ

4.4.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Hình 4.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thứ nhất

θ

Bộ tích phân

e e e

4.5 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống thứ hai

4.5.1 Phương trình bộ điều khiển

Với 2 ràng buộc: 0

0

r l

θ θ

Nhiệm vụ của bộ điều khiển là điều khiển đầu hàn có tọa độ E x( E,y E,φ E) đi theo

điểm tham chiếu R x( R,y R,φ Có nghĩa là, bộ điều khiển phải đưa sai số R) E→0

R R R

θ θ θ

R R R

1 2

S C

L S

= − ; 12 3

1 2

C C

L S

= ; 13 1 3 2 3 3 3

1 2

e C e S L S C

L S

=

1 23 2 3 21

1 2 2

e L C e L C L S C L L S e L S L L S C

L L S

= −

23 31

2 2

S C

L S

= − ; 31 23

2 2

C C