Điều khiển lai vị trí lực tương tác cho robot planar ba bậc tự do theo phương pháp thích nghi

Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người.. Trong đó phần liên kết giữa các khâ

-

PH ẠM ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ- LỰC TƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: T Ự ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2008

-

PHẠM ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ- LỰC TƯƠNG TÁC CHO ROBOT PLANAR BA BẬC TỰ DO THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH

Hà Nội - 2008

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian thực tập và nghiên cứu, tôi đã cơ bản hoàn thành đề tài

luận văn tốt nghiệp “ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ-LỰC TƯƠNG TÁC CHO ROBOT PLANAR BA BẬC TỰ DO THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI”

Cho tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến Tiến Sỹ Nguyễn Phạm Thục Anh-Giảng viên bộ môn Tự Động Hóa XNCN-Khoa Điện-Trường Đại Học Bách Khoa-Hà Nội đã giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trong Bộ môn Tự Động Hóa thuộc Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn và đào tạo tôi trong suốt giai đoạn học tập và nghiên cứu sau Đại Học

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè, những người luôn ủng hộ, khích lệ để tôi yên tâm nghiên cứu, làm việc và trưởng thành như ngày hôm nay

Một lần nữa xin cảm ơn!

Hà Nội, 30/07/2008 Phạm Anh Quân

MỤC LỤC

Lời cảm ơn……… 1

Lời nói đầu……… 2

Mục lục……… 3

Danh mục hình vẽ……… 4

Chương I: Tổng quan về Robot công nghiệp……… 6

1.1 Giới thiệu chung.……… 6

1.1.1 Cấu tạo của Robot……….……… 6

1.1.2 Các chuyển động của Robot……… ……… 9

1.1.3 Hệ thống truyền động……… 13

1.1.4 Hệ thống cảm biến……….……… 13

1.2 Phân loại Robot công nghiệp……… ……… 14

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc……… 14

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển……….……… 15

1.2.3 Phân loại theo số bậc tự do……… 15

1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động……… ………… 16

1.3 Các ứng dụng của Robot……… 16

1.3.1 Ưu điểm của Robot……… 16

1.3.2 Các xu hướng ứng dụng của Robot……… ……… 17

1.4 Tổng quan về các phương pháp điều khiển Robot………….……… 17

Chương II: Phương trình động lực học Robot……….……… 19

2.1 Bài toán động học vị trí……… ……… 19

2.2 Động học vị trí Robot Planar ba bậc tự do……….……… 20

2.3 Phương trình động học ngược.……… 23

2.4 Động lực học Robot……… 26

2.4.1 Phương trình Lagrange……… ……… 26

2.4.2 Phương trình động lực học Robot Planar ba bậc tự do.……… 27

Chương III: Lý thuyết điều khiển Robot……… 33

3.1 Khái niệm chung về hệ thống điều khiển tự động………… ……… 33

3.1.1 Điều khiển các khớp độc lập……….……… 33

3.1.2 Hàm truyền chuyển động của mỗi khớp động……… ……… 34

3.1.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov……… 35

3.2 Phương pháp điều khiển cổ điển……… 38

3.3 Phương pháp điều khiển thông minh……… ……… 40

3.3.1 Điều khiển logic mờ……… ……… 40

3.3.2 Điều khiển trượt……… 41

3.3.3 Điều khiển thích nghi……… 42

3.3.4 Mạng Nơron……… ……… 46

3.4 Áp dụng vào Robot planar ba bậc tự do……….……… 46

3.4.1 Điều khiển theo luật PD-bù trọng trường……….……… 46

3.4.2 Luật điều khiển Lee-Slotine……….……… 47

3.4.3 Luật điều khiển thích nghi dựa trên cơ sơ mô hình… ……… 49

3.4.4 Điều khiển vị trí của Robot theo luật PD-bù trọng trường dưới tác dụng của lực f……… 53

3.4.5 Điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực……….……… 54

Chương IV: Mô phỏng trên Matlab-Simulink……… 59

4.1 Thông số của Robot Planar ba bậc tự do……… 56

4.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink……… ……… 60

4.2.1 Luật điều khiển PD bù trọng trường ……… 60

4.2.2 Luật điều khiển thích nghi dựa trên cơ sở mô hình ……… 62

4.2.3 Luật điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực……….……… 64

Kết Luận 68

Tài liệu tham khảo……… 69

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần chính của Robot……….……… 8

Hình 1.2 Robot tọa độ vuông góc……… ……… 11

Hình 1.3 Robot tọa độ trụ……… ……… 12

Hình 1.4 Robot tọa độ cầu……… 13

Hình 2.1Robot Planar ba bậc tự do……… 21

Hình 3.1 Mô hình động cơ kiểu kích từ độc lập……… 34

Hình 3.2 Mô men trên các trục động cơ……… 34

Hình 3.3 Sơ đồ khối hàm truyền chuyển động 1 bậc tự do……… 35

Hình 3.4 Sơ đồ khối của một hệ thống mờ……… 41

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt……… 42

Hình 3.6 Cấu trúc chung của bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR)……… 44

Hình 3.7 Bộ điều khiển thích nghi dựa trên mô hình mẫu…….……… 45

Hình 3.8 Bộ điều khiển thích nghi dựa trên cơ sở mô hình…….……… 51

Hình 3.9 Sơ đồ quỹ đạo chuyển động khâu tác động cuối Robot……… 54

Hình 3.10 Sơ đồ vận tốc điểm A……… 55

Hình 3.11 Điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực……… 57

Hình 4.1 Quỹ đạo q1-luật PD bù trọng trường……… 61

Hình 4.2 Quỹ đạo q2-luật PD bù trọng trường……… 61

Hình 4.3 Quỹ đạo q3-luật PD bù trọng trường……… 61

Hình 4.4 Quỹ đạo q1-luật PD bù trọng trường khi gắp vật m4……… 62

Hình 4.5 Quỹ đạo q2-luật PD bù trọng trường khi gắp vật m4……… 62

Hình 4.6 Quỹ đạo q3-luật PD bù trọng trường khi gắp vật m4……… 62

Hình 4.7 Quỹ đạo q1-luật thích nghi trên cơ sở mô hình……… 63

Hình 4.8 Quỹ đạo q2-luật thích nghi trên cơ sở mô hình……… 63

Hình 4.9 Quỹ đạo q3-luật thích nghi trên cơ sở mô hình……… 64

Hình 4.10 Quỹ đạo q1-luật thích nghi trên cơ sở mô hình (m4=20kg)……… 64

Hình 4.11 Quỹ đạo q2-luật thích nghi trên cơ sở mô hình (m4=20kg)……… 64

Hình 4.12 Quỹ đạo q3-luật thích nghi trên cơ sở mô hình (m4=20kg)……… 65

Hình 4.13 Quỹ đạo điều khiển không gian khớp……… 65

Hình 4.14 Quỹ đạo tính toán từ đông học ngược không gian khớp………… 66

Hình 4.15 Sai lệch vị trí không gian khớp……… 66

Hình 4.16 Lực tác dụng lên mặt phẳng φ ( )x =0……… 66

which showed the dream of mankind in the creation of machine that can replaced human in tedious and dangerous works In around 1940, the first robot model (master – slave manipulator) was invented at the National

Laboratory at Oak Riddge and Argonne in the United States to transport radio active substances At the 1980s, there had been around 40,000 machine robots in 500 models;those were produced by 200 companies in all around the world Today, robots were widely used in productions, science research and daily life, especially in flexcible line productions Robot has become smarter and considered as the products of new field: the Mechatronics

The purpose of this thesis is to study the control of Robot, application

in control the Robot Planar with three free dimmentions From that, simulate the movement of robot on space by Matlab – Simulink

To accomplish the goal of this thesis, the candidate had studied:

- Overall of Industrial Robot

- Mathematical model of Robot Planer

- Theory of Robot control

- From the Mathematical model to build the stimulated model based on adaption controlling, check for stability and time response of the system

This thesis has a bog contribution in approaching the intelligent and flexible controlling system based on stimulation of Matlab – Simulink This

is the condition for real-life experiments

ước mơ cháy bỏng của con người là tạo ra những người máy để thay thế mình trong những công việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm Vào khoảng năm 1940, mẫu Robot đầu tiên (Master-Slave manipulator) ra đời tại phòng thí nghiệm quốc gia Oak Rigge va Argonne của Hoa Kỳ, để vận chuyển các hoạt chất phóng xạ Đến thập kỷ 80 trên thế giới đã có 40 nghìn Robot thuộc

500 kiểu, do 200 hãng tham gia sản xuất Ngày nay, Robot đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu khoa học và đời sống Đó là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống sản xuất, đặc biệt là các hệ thống sản xuất linh hoạt Robot ngày càng khóe léo và thông minh, được coi là sản phẩm điển hình của nghành kỹ thuật mới: nghành cơ-điện tử (Mechatronics)

Bản luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu điều khiển Robot, ứng dụng vào điều khiển Robot Planar ba bậc tự do tương tác vị trí-lực bằng phương pháp thích nghi Từ đó, mô phỏng quỹ đạo chuyển động của Robot trên không gian khớp bằng Matlab-Simulink

Để thực hiện được nhiệm vụ nghiên cứu đề ra học viên đã nghiên cứu:

- Tổng quan về Robot công nghiệp

- Mô hình toán học của Robot Planar

- Lý thuyết điều khiển Robot

- Từ mô hình toán học xây dựng mô hình mô phỏng theo luật điều khiển thích nghi, kiểm tra tính ổn định và thời gian đáp ứng của hệ thống

Bản luận văn góp phần quan trọng trong việc tiếp cận với hệ thống điều khiển thông minh và linh hoạt, được xây dựng dựa trên những mô phỏng Matlab-Simulink Đây là điều kiện chuẩn bị cho các bước tiến hành

thử nghiệm thực tế

LỜI NÓI ĐẦU

Vào đầu thế kỷ trước, ý tưởng đầu tiên về Robot xuất hiện, thể hiện ước mơ cháy bỏng của con người là tạo ra những người máy để thay thế mình trong những công việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm Vào khoảng năm 1940, mẫu Robot đầu tiên (Master-Slave manipulator) ra đời tại phòng thí nghiệm quốc gia Oak Rigge va Argonne của Hoa Kỳ, để vận chuyển các hoạt chất phóng xạ Đến thập kỷ

80 trên thế giới đã có 40 nghìn Robot thuộc 500 kiểu, do 200 hãng tham gia sản xuất Ngày nay, Robot đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu khoa học và đời sống Đó là thiết bị không thể thiếu được trong các hệ thống sản xuất, đặc biệt là các hệ thống sản xuất linh hoạt Robot ngày càng khóe léo và thông minh, được coi là sản phẩm điển hình của nghành kỹ thuật mới: nghành cơ-điện tử (Mechatronics)

Bản luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu điều khiển Robot, ứng dụng vào điều khiển Robot Planar ba bậc tự do tương tác vị trí-lực bằng phương pháp thích nghi

Từ đó, mô phỏng quỹ đạo chuyển động của Robot trên không gian khớp bằng Matlab-Simulink

Để thực hiện được nhiệm vụ nghiên cứu đề ra học viên đã nghiên cứu:

- Tổng quan về Robot công nghiệp

- Mô hình toán học của Robot Planar

- Lý thuyết điều khiển Robot

- Từ mô hình toán học xây dựng mô hình mô phỏng theo luật điều khiển thích nghi, kiểm tra tính ổn định và thời gian đáp ứng của hệ thống

Bản luận văn góp phần quan trọng trong việc tiếp cận với hệ thống điều khiển thông minh và linh hoạt, được xây dựng dựa trên những mô phỏng Matlab-

Simulink Đây là điều kiện chuẩn bị cho các bước tiến hành thử nghiệm thực tế

Chương I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu chung

Từ giữa thế kỷ 18, J.de.Vaucanson đã xây dựng thành công máy bằn kết cấu

cơ khí có thể chơi nhạc, phục vụ mục đích giải trí Đây được coi là sản phẩm đầu tiên của Robot Tiếp đó, Henri Maillardet chế tạo một búp bê máy có khả năng vẽ tranh, nó trình diễn đầu tiên ở Philadelphia năm 1805…

Thuật ngữ “Robot” xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng đã bắt đầu thành hiện thực Sau thế chiến 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ Vào giữa những năm 50 thì xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ như tay máy Minotaur I hoặc Handyman của General Electric…

Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm 1961 tại một nhà máy ô tô của General Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ

Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF Hoa Kỳ và đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra các loại robot nổi tiếng

Những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến

sự lắp đặt thêm các loại cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ cảm biến và thị giác

Từ những năm 80 và 90, do sự áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhất

là vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp tăng lên, giá thành giảm và tính năng thì vượt trội Nhờ vậy, robot công nghiệp có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại

Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được,

có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người và giữa các tay máy có thể hợp tác được với nhau

Ứng dụng của Robot: nhằm 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 Thông thường, robot công nghiệp được dùng trong các lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia ông và lắp rắp…

1.1.1 Cấu tạo Robot

Robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người Cũng có thể hiểu robot là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế

để hình thành các khối có chuyển động tương đối nhau, được gọi là các khâu động Trong đó phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi

là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện , xylanh dầu ép, xylanh khí nén, … Phần quan trọng khác trên các tay máy là

bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng

Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gấn dụng cụ công tác Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn đông riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần

Các Robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với sàn Cơ thể được gắn với đế, tổ hợp cánh tay được nối với cơ thể Cuối cánh tay là

cổ tay

Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng các vị trí Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

Về mặt cơ khí, Robot được cấu tạo từ những thanh nối và khớp Các thanh nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép Robot có các chuyển động đa dạng

Các chương trình

Cánh tay Robot

Dụng cụ thao tác

Cánh tay robot 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

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 Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính Một mođun 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

1.1.2 Các chuyển động của Robot

Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất Các công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí Cổ tay được sử dụng cho Robot thực hiện chính xác công việc Các chuyển động của Robot được chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này

và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom) Các Robot thông thường có 4 đến 6 bậc tự do 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:

ip n

w

Trong đó: n: số khâu động

p i: số khớp loại i (i=1 5: số bậc tự do bị hạn chế)

w: số bậc tự do

Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi các ghép nối về năng lượng Với Robot có từ 4 đến 6 bậc tự do, thường có 3 ghép nối với hoạt động của cánh tay và

cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào

Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế Robot công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay

- Khớp tịnh tiến gồm cả chuyển động trượt và di chuyển

- Có 3 loại khớp quay trong tay máy Robot:

+ Kích thước các phần tử: cánh tay, cổ tay

+ Giới hạn chuyển động của các khớp nối

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

- 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 Robot

là robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ

góc (phỏng sinh)

Robot ba khớp tọa độ vuông góc Kiểu này gọi là Robot Đề các Vị trí tâm

cổ tay của loại này có thể xác định theo ba tọa độ vuông góc liên quan tới ba khớp lăng trụ Vùng không gian làm việc là khối hộp chữ nhật

Hình 1.2 Robot tọa độ vuông góc

Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình 1.2 gồm ba chuyển động định vị X,Y,Z theo các trục tọa độ vuông góc Ứng dụng chính của robot loại này là các thao tác vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc,dập,…

Ưu điểm:

- Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m

- Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc khác

-Hệ thống điều khiển đơn giản

Hạn chế:Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật

liệu khác trong không gian làm việc của robot không được thích hợp lắm Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều gặp nhiều trở ngại

Robot trụ Nếu khớp thứ nhất hoặc thứ hai của robot Đề các được thay bằng

khớp quay Vị trí tâm cổ tay của robot trụ có thể được xác định bằng tập hợp các tọa độ cầu liên hệ với ba biến khớp Các khớp lăng trụ thường được giới hạn cơ học

ở cả hai đầu Do đó, không gian làm việc của robot trụ bị giới hạn bằng hai hình trụ đồng tâm có chiều dài hữu hạn

Hình 1.3 Robot tọa độ trụ

Trong ba chuyển động chính, robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến

và một chuyển động quay

Ưu điểm:

- Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất

- Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn

- Kếtcấu vững chắc ,có khả năng mang tải lớn

- Khả năng lặp lại tốt

Nhược điểm: bị giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và

giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang

Robot cầu Nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp

lăng trụ Nói chung, khớp lăng trụ không song song với trục của khớp thứ 2 Vị trí tâm cổ tay của robot cầu là tập hợp các tọa độ cầu có liên quan với ba biến khớp nối Do đó, không gian làm việc của robot cầu được giới hạn bằng hai khối cầu đồng tâm

Hình 1.4 Tay máy tọa độ cầu

Robot loại này được bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sớm nhất

Tay máy gọi là robot quay nếu cả ba khớp là khớp quay Không gian làm việc của robot này phức tạp, thường có tiết diện hình xuyến

Các loại cảm biến thông dụng:

- Cảm biến va chạm: là cảm biến phản ứng lại lực khi va chạm với một vật khác

- Cảm biến phạm vi gần: là thiết bị cảm nhận được vật ở gần

- Cảm biến hỗn hợp: gồm các cảm biến nhiệt độ, áp suất và các đại lượng vật

lý khác

- Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát

Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an toàn

1.2 Phân loại Robot công nghiệp

Có thể phân loại robot theo nhiều cách khác nhau Theo số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ truyền động, dạng hình học…

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian tác động có thể với tới Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc

- Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong đó cơ cấu

có thể với tới từng điểm ít nhất là một chiều

- Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không gian linh hoạt là một phần của không gian có thể với tới

Thông thường, nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó, 3 khâu này dùng để điều khiển hướng của đầu tác động (còn gọi là cánh tay), các khâu còn lại gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6, thì các cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có từ 1 tới

3 bậc tự do Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung gọi là tâm cổ tay Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biến làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc

Không gian do nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm việc

1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Robot giới hạn chuyển động liên tục Robot giới hạn chuyển động liên tục

không sử dụng hệ điều khiển bám để di chuyển tới các vị trí lân cận trong các khớp nối Chúng được giới hạn điều khiển bằng các công tắc hành trình để dừng và thiết

kế điểm cuối cho mỗi chuyển động cho mỗi khớp nối

Robot lặp lại với điều khiển từ điểm tới điểm Robot lặp lại sử dụng hệ điều

khiển với một chuỗi các vị trí hoặc chuyển động được dạy cho Robot, ghi lại trong

bộ nhớ và được lặp lại dưới sự điều khiển của chính nó Chia làm hai loại:

- Lặp lại từ điểm tới điểm

- Lặp lại liên tục

Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục Robot chuyển động với quỹ đạo đã

được xác định trước Quỹ đạo chuyển động là một chuỗi các điểm mô tả trên đường chuyển động Tín hiệu đặt là vị trí mong muốn của cổ tay, Robot chuyển động theo luật điều khiển xác định trước để đến đích

1.2.3 Phân loại theo số bậc tự do

Mỗi bậc tự do tương ứng với một chuyển động độc lập của Robot Số bậc tự

do là số vị trí cần thiết để xác định hoàn toàn cấu hình của Robot Thông thường số bậc tự do của Robot là số khớp nối từ thân đến cổ tay

Một cách lý tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng trong không gian 3 chiều Theo quan điểm này thì robot sẽ có thiếu bậc tự do, đa năng (6 bậc) và thừa bậc tự do Robot thừa bậc tự do là robot có thêm 1 bậc để di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong không gian hẹp

Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển; tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị

trí của khâu tác động cuối Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng robot

1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động

Các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều hoặc các động

cơ bước Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều

kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược

nhưng lại phải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point)

Ngoài ra có rất nhiều cách phân loại khác tùy theo quan điểm và mục đích sử dụng, nghiên cứu robot

1.3 Ứng dụng của Robot

1.3 1 Ưu điểm của Robot

Robot có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng chỉ ngừng hoạt động khi cần duy tu, bảo dưỡng, thay thế

Robot có khả năng làm việc trong môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm, hoặc những nơi con người không thể đến được

Với chương trình được đặt trước, Robot có khả năng làm việc với hiệu suất cao hơn con người, tiết kiệm nguyên vật liệu , độ chính xác làm việc cao

Giá thành và chi phí lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng thấp do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật

Khi thay đổi công việc, lập trình lại cho Robot nhanh hơn và chi phí thấp hơn

so với việc đào tạo một công nhân

- Sử dụng Robot trong môi trường độc hại, nguy hiểm như trong các lò phản ứng hạt nhân, dưới nước

- Robot thám hiểm vũ trụ, các hành tinh thuộc hệ mặt trời mà con người chưa tới được

- Trong sinh hoạt, Robot trợ giúp người già, phục vụ trong nhà bếp làm

giảm sức lao động của con người

Như vậy cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tự động hoá, Robot ngày càng được hoàn thiện và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày của con người

1.4 Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho Robot

Để điều khiển cho Robot, người ta thường phân chia theo mục đích sử dụng

và môi trường làm việc để có các phương pháp điều khiển khác nhau Có nhiều cách khác nhau để phân loại các hệ thống điều khiển tự động Thường có các hệ thống điều khiển sau:

- Hệ thống tuyến tính

- Hệ thống phi tuyến

- Hệ thống liên tục: khi các tín hiệu tác động trong hệ là hàm liên tục theo thời gian

- Hệ thống rời rạc: trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian

- Hệ thống tiền định: trong đó tất cả các tín hiệu truyền là hàm theo thời gian xác định (không có tín hiệu ngẫu nhiên)

- Hệ thống ngẫu nhiên: có các tín hiệu ngẫu nhiên trong hệ thống

- Hệ thống tối ưu: là hệ thống điều khiển trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp được tín hiệu điều khiển u(t) tác động lên đối tượng điều khiển để đạt được trạng thái tối ưu theo một chỉ tiêu nào đó

- Hệ thống thích nghi (hệ thống tự chỉnh): là hệ thống có khả năng tự thích ứng với những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc của thiết bị điều khiển

Trong kỹ thuật người máy thì cũng có thể phân chia hệ điều khiển:

- Điều khiển theo chương trình: hệ thống thực hiện theo chương trình định sẵn

- Điều khiển thích nghi: việc điều khiển tùy thuộc vào thông tin nhận biết được trong quá trình làm việc về hiện trạng của môi trường thao tác và bản thân người máy

Tùy theo khả năng thực hiện các chuyển động của tay máy mà chia thành các phương pháp điều khiển:

- Điều khiển theo chu tuyến: chuyển động theo đường liên tục

- Điều khiển theo vị trí: chuyển động được đảm bảo qua một số vị trí nhất định

- Điều khiển theo chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và cuối hành trình của mỗi bậc tự do

Chương II PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT PLANAR

2.1 Bài toán động học vị trí

Một tay máy có cấu tạo gồm một chuỗi các thanh nối cứng được liên kết với nhau bởi các khớp Mặt khác, các thanh nối và các khớp đặt ở các vị trí khác nhau trong không gian Động học vị trí sẽ giải quyết mối quan hệ vị trí của khớp và tay máy

Cơ cấu chấp hành của Robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu (links) nối với nhau bằng các khớp (joints) Các khớp động này có thể là khớp quay (R) hoặc khớp tịnh tiến (T) Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu chấp hành của nó phải cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này có định hướng theo yêu cầu Khâu cuối cùng thường là bàn kẹp hoặc dụng cụ làm việc Điểm mút của khâu cuối cùng là điểm quan tâm nhất vì đó là điểm tác động của robot lên vật cần thực hiện, điểm này gọi là điểm tác động cuối (end-effector) Ở điểm này, không những quan tâm tới vị trí nó chiếm trong không gian mà cả hướng tác động của khâu cuối đó

Khi gắn vào điểm tác động cuối này là một hệ tọa độ thứ n và gắn với mỗi

khâu động một hệ tọa độ động khác, gắn liền giá đỡ với hệ tọa độ cố định (đánh số

từ 0 tới n bắt đầu từ giá đỡ cố định) Khi khảo sát chuyển động của robot cần biết

định vị và định hướng tại điểm tác động cuối trong mọi thời điểm Có lúc cần biết

cả vận tốc và gia tốc chuyển động robot tại điểm tác động cuối và các điểm khác trên robot Đây là nội dung quan trọng của bài toán động học robot Các lời giải của bài toán này được xác định từ những phương trình động học của robot, chúng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ giữa các hệ tọa độ động nói trên với

hệ tọa độ cố định

Phép biến đổi đồng nhất mô tả quan hệ tịnh tiến và quay giữa giữa hệ thống toạ độ một thanh nối và một thanh nối kế tiếp bằng một ma trận vuông

Denavit J đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma trận A Nói đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ toạ độ của hai khâu liền nhau A1 mô tả vị trí và hướng của khâu đầu tiên; A2 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhất Như vậy vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ toạ độ gốc được biểu diễn bởi ma trận:

T2 = A1.A2Cũng như vậy, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai là :

T3 = A1.A2.A3 ; v.v

Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A được gọi là ma trận T, thường có hai chỉ số: trên và dưới Chỉ số trên chỉ hệ toạ độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên

nếu chỉ số đó bằng 0 Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối

2.2 Động học vị trí Robot Planar ba bậc tự do

Robot gồm 3 khớp chuyển động quay

- Khớp 1 quay quanh trục Z0 góc θ1

- Khớp 2 quay quanh trục Z1 góc θ2

- Khớp 3 quay quanh trục Z3 góc θ3

Theo cấu hình Robot ta có bảng tham số động học của robot:

Thanh nối θ(rad) α (0) l(m)

i

i i

A T

0100

0

0

i i i

i

i i

s l c

s

c l s

c A

Thay số liệu trong bảng tham số ta có:

0

0

1 1 1

1

1 1 1

1 0 1

s l c

s

c l s

c A

0100

0

0

2 2 2

2

2 2 2

2 1 2

s l c

s

c l s

c A

0100

0

0

3 3 3

3

3 3 3

3 2 3

s l c

s

c l s

c A

Ký hiệu: s1 = sinθ1 c1 = cosθ1

++

−

=

=

10

00

01

00

0

0

123 123 1 1 2 12 3 123

123 3 12 2 1 1 123

123 2

3 1 2 0 1 0

3

s l s l s l c

s

c l c l c l s

c A A A T

Ma trận 0

3

T biểu diễn tay máy Robot trong hệ toạ độ gốc

Mặt khác theo ký hiệu tổng quát:

0 3

z z z z

y y y y

x x x x

p a o n

p a o n

p a o n T

Do đó hệ phương trình động học thuận tay máy Robot:

2.3 Phương trình động học ngược robot Planar

Động học ngược giải quyết bài toán xác định các biến khớp khi biết vị trí tay Robot

Kết quả của việc giải hệ phương trình động học đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều khiển robot Thông thường, điều ta biết là các vị trí và hướng

mà ta muốn robot phải dịch chuyển tới và điều ta cần biết là mối quan hệ giữa các

hệ toạ độ trung gian để phối hợp tạo ra chuyển động của robot, hay nói cách khác

đó chính là giá trị của các biến khớp ứng với mỗi toạ độ và hướng của khâu chấp hành cuối hoặc công cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, muốn vậy ta phải giải hệ

phương trình động học của robot

Việc giải bài toán động học ngược của robot cần thoả mãn các điều kiện sau:

- Điều kiện tồn tại nghiệm: Có ít nhất một tệp nghiệm (θ1*,θ2* … θi*) sao cho robot có hình thể cho trước

- Điều kiện duy nhất của tệp nghiệm: Trong khi xác định các tệp nghiệm cần

phân biệt rõ hai loại nghiệm :

+ Nghiệm toán (Mathematical Solution): Các nghiệm này thoả mãn các phương trình cho trước của Ti

+ Nghiệm vật lý (Physical Solution): là các tệp con của nghiệm toán, phụ thuộc vào các giới hạn vật lý (giới hạn về góc quay, kích thước ) nhằm xác định tệp nghiệm duy nhất

Việc giải hệ phương trình động học có thể được tiến hành theo hai phương pháp cơ bản sau:

+ Phương pháp giải tích (Analytical Method): tìm ra các công thức hay các phương trình toán giải tích biểu thị quan hệ giữa các giá trị của không gian biến trục và các thông số khác của bộ thông số DH

+ Phương pháp số (Numerical Method): Tìm ra các giá trị của tệp nghiệm bằng kết quả của một quá trình lặp

Để tính động lực học ngược, từ (2.10) và (2.11) ta xác định được tọa độ của điểm W là gốc tọa độ của khớp 2:

12 2 1 1 3

s l s l s l p P

c l c l c l p P

y W

x W

2 2 2 1 2 2 2

2 l l

l l p p

Trong đó, dấu cộng ứng với thế đi lên của bàn tay, còn dấu trừ ứng với hương đi xuống Vậy:

2 2 2

2 1 1

y x

x y

W W

W W

p p

p s l p c l l

s

+

−+

=

2 2

2 2 2

2 1 1

y x

y x

W W

W W

p p

p s l p c l l

c

+

++

thường giải quyết hai nhiệm vụ sau đây :

- Xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động Khi

đó qui luật biến đổi của biến khớp qi(t) coi như đã biết

Việc tính toán lực trong cơ cấu tay máy là rất cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy của robot

- Xác định các sai số động tức là sai lệch so với qui luật chuyển động theo

chương trình Lúc này cần khảo sát Phương trình chuyển động của robot có tính

đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu

Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot, nhưng thường gặp hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là dùng phương trình Lagrange - Euler Đối với các khâu khớp của robot, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt, không thể bỏ qua các hiệu ứng trọng trường (gravity effect), quán tính (initial), tương hỗ (Coriolis), ly tâm (centripetal) mà những khía cạnh này chưa

được xét đầy đủ trong cơ học cổ điển; Cơ học Lagrange nghiên cứu các vấn đề nêu trên như một hệ thống khép kín nên đây là nguyên lý cơ học thích hợp đối với các bài toán động lực học robot

Phương trình động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực, mô men với vị trí, vận tốc và gia tốc Tín hiệu vào là lực và mô men, phương trình động lực học là kết quả chuyển động của hệ thống

Trong hệ thống tay máy phức tạp, phương trình động lực học đưa đến cho ta những thông tin mà khó nhận được từ các phương trình khác Khi nhận được phương trình động lực học trong cấu trúc ma trận, đơn giản chúng, ta sẽ nhận được những thông tin cần thiết cho điều khiển Để tìm phương trình động lực học đòi hỏi

ta phải biết được những mối quan hệ giữa mô men với gia tốc trong một khớp và mối quan hệ giữa mô men của khớp này với gia tốc của khớp khác

2.4.1 Phương trình Lagrange

Lagrange định nghĩa sự khác biệt giữa động năng và thế năng của hệ thống

L = K - P Trong đó:

q

L q

L dt

qi = θiđối với khớp quay

qi = riđối với khớp tịnh tiến

Fi biểu diễn lực hoặc mô men

Động năng của khớp thứ i:

Ki = 2

Với Ii là mô men quán tính của khớp thứ i

2.4 2 Phương trình động lực học Robot Planar 3 bậc tự do

Theo cấu hình, Robot Planar (như hình 2.1) có các thông số như ở bảng sau:

1

1 1 1

1 1 1

c

c c

c c

z

s l y

c l x

Trong đó xC1, yC1, zC1 là hình chiếu của tâm thanh nối số 1 lên các trục x, y, z

Tốc độ v1 của tâm C1 trên trục {0}:

1 1 1 1

q c l y

q s l x

c c

c c









Động năng và thế năng khớp 1:

2 1 2 1 2 1 2 1 2

v = c + c = c 

2 1 1 2

1 2 1 1 2

1 1 2

1 1 1

2

1

2

12

12

1

q I q

l m w

I v

m

I1: mô men quán tính khớp 1

1 1 1

2

12 2 1 1 2

12 2 1 1 2

C

c C

c C

z

s l s l y

c l c l x

).(

2 1 12 2 1 1 1 2

2 1 12 2 1 1 1 2

q q c l q c l y

q q s l q s l x

c c

c

c c

2 x y l q l (q q ) 2l l (q q.q ).c

v = c + c =  + c  +  + c  +  

2 1 2 2

2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2

2 2 2 2

2 2 2

2

1)

(

2).(

.2

1

2

12

1

q q I c

q q q l l q

q l q l m

w I v

m K

=

++

=

0

3

123 3 12 2 1 1 3

123 3 12 2 1 1 3

z

s l s l s l y

c l c l c l x

c

c

Tốc độ khớp 3 trên trục {0}:





+++

++

=

++

−+

−

−

=

).(

.).(

).(

.).(

3 2 1 123 3 2 1 12 2 1 1 1 3

3 2 1 123 3 2 1 12 2 1 1 1 3

q q q c l q q c l q c l y

q q q s l q q s l q s l x

c c

c

c c

2 3 2 3 2

3

22

2 l c l l c l c l

l l q

y x

v

c c

c

c c

++

+++

3 2 2 3 3

2 3 3 2

3 3 3

22

22

1

2

12

1

c l l c l l c l l

l l q m

w I v

m K

c c

++

3 2 2 3 3

2

1

q q q

I  +  + +

Các phần tử của phương trình động lực học:

i i i

q

L q

L dt

q

L q

L dt

d M

2

q

L q

L dt

d M

q

L q

L dt

d M

2 m l l l c I

2 3 3

3 2 1

33 32 31

23 22 21

13 12 11

3 2 1

33 32

31

23 22

21

13 12

g g g

q q q

C C C

C C C

C C C

q q q

H H

H

H H

H

H H

+

2 2 1 2 1 2

2

21 m l l l.c I m l l l l c 2l l c l c I

( 2 3 3) 3 2

3 2 2 3 2 2

m

(1 1 2 12) 3 (1 1 2 12 3 123)

2 1 1

1

11 tg q tg q

3 2 2 1 1

1

12 tg q tg q tg q

3 2 2 2 1

2

13 tg q tg q tg q

3 3 1

2

23 tg q tg q tg q

2 3 1

2

31 tg q tg q

2 3 1

2 1 2

1 m l s m l s m l s

23 3 1 3 3 2 3

2 m l l s m l s

3 3 2 3

1 m l l s

Phương trình động lực học có dạng:

( )q q C( )q q q G( )q H

M = + ,  +