Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều khiển phi tuyến đơn giản được dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, nhưng chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học c[r]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
THÂN VĂN THẾ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
THÂN VĂN THẾ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014
Trang 3TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
(Nhận xét của CB hướng dẫn )
Họ và tên học viên: THÂN VĂN THẾ
Đề tài luận văn:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
Chuyên ngành: Cơ điện tử
Người nhận xét:
Cơ quan công tác:
Ý KIẾN NHẬN XÉT 1-Về nội dung và đánh giá thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài:
2-Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy của các số liệu:
3-Về kết quả khoa học của luận văn:
Trang 4
4-Về kết quả thực tiễn của luận văn:
5-Những thiếu sót và vấn đề cần làm rõ:
6-Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu đối với LVThS): Sau thời gian hướng dẫn học viên thực hiện đề tài, tôi nhận thấy nội dung luận văn của học viên đã đáp ứng các yêu cầu của một Luận văn Thạc sĩ Do đó tôi đồng ý cho học viên………bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận văn TP HCM, ngày tháng năm 20… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 5
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN HÙNG
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1 PGS.TS Trần Thu Hà Chủ tịch
2 TS Nguyễn Thanh Phuơng Phản biện 1
3 TS Nguyễn Duy Anh Phản biện 2
4 TS Võ Tường Quân Ủy viên
5 TS Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Trang 6TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP HCM, ngày 05 tháng 05 năm 2013
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: THÂN VĂN THẾ Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1965 Nơi sinh: Bắc Giang
Chuyên ngành: Cơ điện tử MSHV: 1241840016
I- Tên đề tài:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe
- Xây dựng mô hình toán cho robot hàn Mô hình hình học của robot hàn, mô
hình động học, mô hình động lực học của robot hàn
- Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn
- Thiết kế, chế tạo robot hàn
- Chạy thực nghiệm robot hàn
III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 5 năm 2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2013
V- Cán bộ hướng dẫn: TS NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
NGUYỄN HÙNG
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU
KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG” là công trình nghiên cứu
của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hùng
Các số liệu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên thực hiện luận văn
Thân Văn Thế
Trang 8LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ thầy cô và các bạn
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới thầy giáo,
TS Nguyễn Hùng – Phó Trưởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trường Đại Học Công
Nghệ Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu
và thực hiện luận văn
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học
Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý thầy, cô đã tận tình truyền
đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học trình
cao học
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn đã luôn động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Học viên thực hiện luận văn
Thân Văn Thế
Trang 9TÓM TẮT
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện cho robot hàn sử dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau [1-3] Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều khiển phi tuyến đơn giản được dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, nhưng chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học của hệ thống cơ khí
và các nhiễu từ bên ngoài Chung [2] đề xuất bộ điều khiển trượt mà kết hợp phần động học và động lực học cùng với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài, nhằm giải quyết vấn đề dò theo đường hàn của robot hàn Ngo [3] cũng đề xuất bộ điều khiển trượt thích nghi cho cùng loại robot hàn trên, trong các bộ điều khiển trên, robot hàn được khảo sát dựa vào mô hình động học với các thông số cho trước của nhiễu từ bên ngoài Tuy nhiên vận tốc tuyến tính của các điểm hàn không được giữ cố định như thiết kế ban đầu
Để giải quyết vấn đề, luận này thiết kế một bộ điều khiển trượt tích phân, tích hợp mô hình động học và mô hình động lực học với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài cho robot hàn để dò theo đường hàn cho trước Tính ổn định của hệ thống được chứng minh dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm được trình bày nhằm minh họa tính hiệu quả của bộ điều khiển trượt tích phân
Nội dung chính của luận văn gồm có:
- Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe
- Xây dựng mô hình toán cho robot hàn Mô hình hình học của robot hàn mô
hình động học, mô hình động lực học của robot hàn
- Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn
- Thiết kế, chế tạo robot hàn
- Chạy thực nghiệm robot hàn
- Kết luận và hướng phát triển của đề tài
Trang 10In the past years, there are many researches have been done for the welding mobile robot (WMR) using many kind of controller [1-3] In [1], the simple nonlinear controller of WMR was applied for tracking reference welding path but considered only the kinematic model which ignored the mechanical system dynamic and external disturbances Chung, et al [2] proposed the
sliding mode controller that integrates a kinematic controller and a dynamic controller with bounded external disturbances have been used to solve the path welding tracking problem for the WMR Ngo, et al [3] also proposed the adaptive sliding mode controller for the same WMR In the above controllers, the WMR is considered in terms of dynamic model with known parameters in the presence of external disturbances However, the linear velocity of welding point was not keep constant velocity smoothly as desired To solve the roblem, this research proposes a new nonlinear controller that makes the integration of a kinematic controller and a sliding mode dynamic controller with bounded external disturbances for the WMR to track a desired welding trajectory The system stability is proved using the Lyapunov stability theory The simulation results are shown to illustrate effectiveness of Integral sliding mode controller
The main contents of the thesis are:
- Research overview of the mobile welding robot two wheels
- Develop mathematical models for robot welding Geometric modeling of
welding robot kinematic model, the dynamics model of the welding robot
- Design of nonlinear controllers for robot welding
- Design, fabrication welding robot
- Run welding robot experiments
- Conclusions and directions of development topics
Trang 11MỤC LỤC
Trang tựa trang
NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1
1.1 Tổng quan về robot 1
1.2 Kỹ thuật điều hướng cho robot di động bằng bánh xe 15
1.3 Tóm tắt một số công trình đã nghiên cứu 17
1.4 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 23
1.5 Mục tiêu của luận văn 25
1.6 Nhiệm vụ của luận văn 25
1.7 Giới hạn của luận văn 26
1.8 Điểm mới của luận văn 26
1.9 Nội dung của luận văn 26
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27
2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 27
2.2 Điều khiển trượt 28
2.2.1 Xuất phát điểm của phương pháp điều khiển trượt 28
2.2.2 Nguyên lý điều khiển trượt 31
2.2.3 Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt 33
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG HAI BÁNH XE 34
3.1 Mô hình hình học của robot hàn di động hai bánh xe: 34
Trang 123.2 Mô hình động học của robot hàn di động hai bánh xe: 35
3.3 Mô hình động lực học của robot hàn di động hai bánh xe: 36
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TÍCH PHÂN 37
4.1 Đặt vấn đề 37
4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân 37
4.3 Kết quả mô phỏng 40
4.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 40
4.3.2 Các kết quả mô phỏng 40
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT HÀN 48
5.1 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí của robot hàn 48
5.1.1 Kích thước robot 48
5.1.2 Cấu tạo robot 50
5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn 53
5.3 Giới thiệu card DSP TMS320F28335 53
5.4 Bảng các chân kết nối của DSP 57
5.5 Các Module mạch cầu H 58
5.6 Module Arduino Pro Mini 61
CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 62
6.1 Giới thiệu 62
6.2 Kết quả thực nghiệm 64
6.2.1 Robot chạy bám theo đường hàn 64
6.2.2 Robot chạy có tải 65
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69
7.1 Những kết quả đạt được 69
7.2 Hạn chế của đề tài 70
7.3 Hướng phát triển của đề tài 70
7.4 Lời kết 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC
Trang 13DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
) , ( x y m Tọa độ tâm rô bốt rad Góc của rô bốt
v m/s Vận tốc dài của tâm rô bốt
rad/s Vận tốc góc của tâm rô bốt
lw
, rad/s Vận tốc góc của bánh xe phải và trái
) , ( xw yw m Tọa độ điểm hàn
w
rad
Góc tại điểm hàn
w
v m/s Vận tốc dài tại điểm hàn
w
rad/s Vận tốc góc tại điểm hàn
r
r y
x , m Tọa độ điểm tham chiếu
r
v m/s Vận tốc mong muốn
r
rad/s Vận tốc góc điểm tham chiếu
b m Khoảng cách giữa bánh xe và trục đối xứng
r m Bán kính bánh xe
l m Chiều dài cơ cấu giữ mỏ hàn
c
m kg Khối lượng của phần thân
w
m kg Khối lượng của bánh lái
w
I kgm2 Mô men quán tính của mỗi bánh lái quanh
trục bánh xe
Trang 14I kgm2 Mô men quán tính của mỗi bánh lái quanh
trục đường kính bánh xe
c
I kgm2 Mô men quán tính phần thân quanh trục
đứng qua phần giao nhau của trục đối xứng với trục bánh lái
rw
,
lw
kgm2
Mô men xoắn của động cơ tác dụng lên bánh
xe phải và trái
KC Kinematic controller
ISMC Integral sliding mode controller
WMR Welding mobile robot
WMR : Rô bốt di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot)
Trang 15DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ký hiệu các loại bánh xe 12
Bảng 4.1 Các giá trị của các thông số khi mô phỏng 41
Bảng 4.2 Các giá trị ban đầu 41
Bảng 6.1 Kết quả đo sai số đường hàn bám theo quỹ đạo hàn tham chiếu 65
Trang 16DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Máy hàn hồ quang điện 2
Hình 1.2 Máy hàn điểm 3
Hình 1.3 Máy hàn hồ quang điện ARC400 4
Hình 1.4 Máy hàn hồ quang điện HERO DC – 315 4
Hình 1.5 Máy hàn công nghệ Inverter 5
Hình 1.6 Máy Hàn Bán Tự Động MAG - VMAG350/500 5
Hình 1.7 Robot hàn OTC DAIHEN 6
Hình 1.8 Robot hàn ARC Mate1000B/2000B của hang Fanuc 6
Hình 1.9 Máy hàn của hang Panasonic 7
Hình 1.10 Rùa hàn tự động bám dầm Hit-8SS 7
Hình 1.11 Hàn hồ quang chìm tự động 8
Hình 1.12 ASLIB 9
Hình 1.13 Servo-Robot’s MWR-350 10
Hình 1.2 Các loại bánh xe 11
Hình 1.3.1 Chuyển động cơ bản của WMR a) di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm đích, b) di chuyển theo quỹ đạo 16
Hình 1.3.2 cấu trúc của robot di chuyển bằng bánh xe 17
Hình 1.3.3 Mô hình Robot hàn MR-SL 18
Hình 1.3.4 Các sai số bám e1, e2, e3 có sai lệch 18
Hình 1.3.5 Vận tốc của mỏ hàn và WMR 19
Hình 1.3.6 Robot super MARIO 20
Hình 1.3.7 Các sai số bám và của robot super MARIO 20
Hình 1.3.8 Các sai số khi robot MICRO bám đường thẳng 21
Hình 1.3.9 Các sai lệch bám của robot hàn 22
Hình 1.3.10 Vận tốc góc của robot của robot hàn 22
Hình 1.3.11 Robot bám theo đường thẳng 23
Hình 1.3.12 Robot bám theo đường cong 23
Trang 17Hình 2.1 Minh họa hàm Lyapunov 28
Hình 2.2 Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển 28
Hình 2.3 Đồ thị quỹ đạo pha 29
Hình 2.4 Giải thích hiện tượng trượt 30
Hình 2.5 Giải thích nguyên lý trượt 32
Hình 3.1 Cấu trúc hình học của robot hàn 34
Hình 4.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 40
Hình 4.3.2.Quỹ đạo (đường hàn) mong muốn cho WMR 40
Hình 4.3.3 Chuyển động bám đường hàn mong muốn của WMR 42
Hình 4.3.4 Sai lệch vị trí e1, e2, e3 43
Hình 4.3.5 Vận tốc góc của bánh phải và bánh trái 44
Hình 4.3.6 Mặt trượt S1 45
Hình 4.3.7 Mặt trượt S2 46
Hình 4.3.8 Momen bánh trái và phải 47
Hình 5.1.1 Cấu tạo Robot hàn 48
Hình 5.1.2 Cấu tạo robot hàn (tiếp) 50
Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn 53
Hình 5.3.1 Đế kết nối dạng Dock Station của Card DSP TMS320F28335 54
Hình 5.3.2 Card điều khiển sử dụng chip DSP TMS320F28335 54
5.5 Hình Module mạch cầu H 58
5.6 Hình Module Arduino Pro Mini 61
Hình 6.1 Vị trí đặt các biến trở xoay 63
Hình 6.2 Robot hàn di động 65
Hình 6.3 Quỹ đạo đường hàn 66
Hình 6.4 Robot chạy hàn 66
Hình 6.5 Kết quả đường hàn 67
Hình 6.6 Đồ thị kiển tra quỹ đạo di chuyển của đường hàn 68
Trang 18CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1 Tổng quan về robot
Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng
nó có giác quan giống như con người Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động
Ngày nay, ngành công nghiệp robot đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn Những cánh tay robot được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn hoặc sơn Trong công nghiệp điện tử, các cánh tay robot có thể sử dụng để lắp ráp linh kiện cho ti vi, máy tính, điện thoại di động với độ chính xác rất cao
Robot đã dần thay thế con người làm những công việc ở những nơi có môi trường độc hại cao, như hầm mỏ, nghề đúc kim loại, ngành nghề sản xuất phải tiếp xúc với các hóa chất độc hại, ngành hàn vv Ở đây người nghiên cứu đề cập đến robot ứng dụng trong ngành hàn
Công nghệ hàn hồ quang đã ứng dụng hồ quang điện để tạo ra nhiệt độ làm nóng chảy kim loại, khi ngắt hồ quang điện kim loại nóng chảy được để nguội, kim loại đông đặc lại và tạo ra liên kết giữa các vật hàn với nhau
Bản chất của hồ quang và sự ra đời của nó:
Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực, xảy ra trong chất khí ở áp suất thường, hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn Trên thực tế
nó là dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục, nó có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật nhờ nhiệt độ cao của các cặp điện cực Một cực của hồ quang là tấm