Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ứng dụng phương pháp trượt điều khiển cánh tay robot scara nhiều bậc tự do

Đặc điểm cơ bản của hệ thống điều khiển robot là thực hiện được điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN ANH QUÝ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT SCARA

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ANH DUY

Phản biện 1: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Phản biện 2: TS VÕ NHƢ TIẾN

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng

11 năm 2014

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử, thì sự tích hợp của 3 lĩnh vực đó là tự động hóa cũng phát triển và được coi là ngành mũi nhọn trong quá trình hiện đại hóa và công hiệp hóa đất nước Sản phẩm của tự động hóa rất nhiều nhưng robot thì thể hiện tất cả trong ba lĩnh vực trên

Đặc điểm cơ bản của hệ thống điều khiển robot là thực hiện được điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi, điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động Do vậy, khi điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước phải giải quyết được những vấn đề sau:

Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng các chuyển động thành phần và quỹ đạo chung của

cả hệ như: lực quán tính, lực ly tâm, lực ma sát v.v

Phương pháp điều khiển động lực học ngượccần phải biết chính xác thông số của đối tượng, trong khi đối tượng thực tế lại có thông số thay đổi và nhiễu không xác định trong môi trường làm việc

Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyếncó nhược điểm là hệ thống điều khiển có tính phi tuyến cao, do đó độ phức tạp trong điều khiển là khá lớn, khó có khả năng thực hiện trong thực tế Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩnchỉ thực hiện đơn giản cho mô hình tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các chuyển động thành phần trong hệ

Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệchcó luật điều khiển thích nghi được đơn giản hoá bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, do đó phương pháp này luôn tồn tại sai lệch quỹ đạo

Phương pháp điều khiển kiểu trượtcó ưu điểm là tính bền vững cao, đặc tính động học của hệ chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn mặt trượt Tại thời điểm đầu của quá trình quá độ, hệ thống điều khiển này rất nhạy cảm với các nhiễu và sai lệch để có thể bám vào quỹ đạo trượt vốn biến đổi theo thời gian nên thường xuất hiện tình trạng lập bập, điều này sẽ gây ra những rung động không mong muốn trong hệ điều khiển

Phương phápđiều khiển trượt có đầy đủ các yếu tố cần thiết cho việc thiết kế bộ điều khiển có các tính năng theo yêu cầu đề ra Tính ổn định của điều khiển trượt rất rộng và đồng quy và được ứng dụng trong việc thực hiện các điều khiển nhảy cấp lý tưởng Phương pháp này đảm bảo được tính bền vững và tính bất biến đối với tác động bên ngoài

Với ý nghĩa đó, tác giả chọn đề tài “Ứng dụng phương pháp

trượt điều khiển cánh tay robot Scara nhiều bậc tự do”

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Cánh tay robot Scara 3 bậc tự do

Phạm vi nghiên cứu

- Điều khiển quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot bám chính xác quỹ đạo đặt trước theo phương pháp trượt

- Giảm hiện tượng chartering dùng hàm sat

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển tự động, lý thuyết về điều khiển bền vững Xây dựng mô hình toán học đối tượng trên lý thuyết

+ Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển trượt cánh tay robot

Nghiên cứu thực nghiệm:

+ Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển và mô phỏng trên phần mềm Simulink Matlab

+ Nhận xét và đánh giá kết quả

5 Bố cục đề tài gồm 5 chương

- Chương 1 Tổng quan về robot công nghiệp

- Chương 2: Điều khiển trượt bền vững cho hoạt động tay máy

- Chương 3: Phương trình động học robot

- Chương 4: Xây dựng hệ thống điều khiển trượt cánh tay robot

- Chương 5: Mô phỏng và kết quả

6 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu dựa trên các tài liệu có liên quan đến nội dung về lý thuyết điều khiển tự động và lý thuyết về điều khiển hiện đại, robot công nghiệp, lý thuyết về các phương pháp điều khiển robot, phương pháp điều khiển trượt ứng dụng cho robot công nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 GIỚI THIỆU VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ROBOT

1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH HIỆN NAY CỦA ROBOT

1.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.3.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt

a Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn

b Điều khiển lặp lại

c Điều khiển kiểu robot thông minh

1.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính [5]

1.3.3 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến [2]

a Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc

b Điều khiển tuyến tính hình thức

c Điều khiển bù phi truyến

1.3.4 Các phương pháp điều khiển robot

a Phương pháp điều khiển động lực học ngược

b Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến

c Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch

d Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

e Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi

g Điều khiển trượt

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

2.2 TIÊU CHUẨN LYAPUNOV

2.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHỂN TRƯỢT CHO ROBOT N BẬC TỰ DO [6], [7], [8], [10]

2.3.1 Cơ sở toán học

Ta xem xét hệ động học sau: x(n) = a(X) + B(X).u (2.1) Trạng thái ban đầu Xd(0) phải là: Xd(0)  X(0) (2.2) Ngoài ra, ta định nghĩa bề mặt biến thiên theo thời gian s(t) trong không gian trạng thái R(n)

bằng phương trình vô hướng S(X;t) = 0

dt

d t

(   1 (2.3) với  là một hằng số dương

Việc giữ giá trị vô hướng S bằng 0 có thể giải quyết được bằng cách chọn luật điều khiển u trong (2.1)sao cho ở bên ngoài s(t) ta có:

S t

X S dt

Vì thế nó buộc các quỹ đạo hệ thống hướng tới bề mặt s(t) Xét một hệ phi tuyến bậc hai có phương trình trạng thái như sau:

u)X(B)X(a

với  T

x x

X   là ma trận biểu thị trạng thái của hệ thống

a Các giả thiết

* Giả thiết có phương trình động lực học của robot như sau:

)t(du)

q(B)q,q(a

* Hàm a(X) không được biết chính xác nhưng có ngưỡng giới

hạn

) X ( a ) X ( a )

b Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt

Sai lệch quỹ đạo:

x x e

x x e

,

(

) 1 (

d t

e Ce

Phương trình (2.24) chỉ có nghiệm duy nhất e = 0 Nói cách

khác, nó đặc trưng cho hệ động lực học ổn định tiệm cận có e = 0 là

giải pháp duy nhất, từ đó điều kiện bám qt qd được thoả mãn

2.3.2 Phương pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển

trượt

a Phương pháp dùng bộđiềukhiển với chế độ trượt bậc cao

HOSMC – High Order Sliding Mode Controller

Mặt trượt được sử dụng để minh họa hành vi động học của

khớp tay robot là một phương trình vi phân bậc nhất:

) (

) (

1 u u

1 c 2

nÕu u -



(2.45)

b Phương pháp lớp biên để làm giảm hiện tượng chattering

Để khắc phục hiện tượng chattering, thay hàm dấu sgn(S) bằng

hàm bão hòa sat(S):

S khi

S sat

1

1)

Lớp này bao quanh mặt trượt S = 0 với bề dày  và độ rộng 

giảm chattering, nhưng xảy ra sai lệch quỹ đạo

c Phương pháp dùng hàm Sat_PI - Chuyển mạch tích phân bão hòa

Bằng cách thay hàm chuyển mạch sign bằng hàm chuyển mạch tích phân-bão hòa (sat-PI), hiện tượng chattering sẽ giảm xuống và chất lượng điều khiển được nâng cao

S khi S

t I

)sgn(

~ 1

S K B u

Trong đó ueq và K được chọn như trong (2.14) và (2.15) và

n n 1

0Skhi0SKS

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT SCARA

3.1 KHÁI QUÁT

3.1.1 Cấu tạo robot Scara

Hình 3.1: Cấu hình và hệ trục tọa độ gắn trên khúc tay của robot

3.1.2 Thông sốkỹ thuật của robot Scara

Bảng 3.1: Các thông số động học của robot Scara

1 m1 = 4.1 Kg Khối thanh nối 1

2 m2 = 1.6 Kg Khối thanh nối 2

3 m3 = 1.8 Kg Khối thanh nối 3

4 m4 = 0.61

Kg

Khối thanh nối 4

5 a1 = 0.25 m Chiều dài thanh nối giữa hai khớp main và fore

5 a2 = 0.15 m Chiều dài thanh nối giữa hai khớp fore và cổ tay

3.1.3 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara

2 2

2 2 2

2 1 1

2 2

2 2 2

2 1 1

).

(

).

(

y x

x y

y x

y x

p p

p S a p C a a S

p p

p S a p C a a C

.a2.a

aappC

2 2 2

2 1

2 2 2 1 2 y 2 x 2

2 1

)q(

i

q

LLdt

i i

2

1.v

m2

Các phần tử của phương trình động lực học:

i i

i

q

Lq

Ldt

2Tθθ

θ.HHH

HHH

HHH

2 1

2 1 2 2

4 2 1

33 32 31

23 22 21

13 12 11

4 2

4 2 1







u u

12 11

u b u b u b a x

x x

22 21

u b u b u b a x

x x

42 41

u b u b u b a x

x x





(3.73)

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNTRƯỢT CÁNH TAY

ROBOT 4.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

4.1.1 Mô hình cơ cấu chuyển động

Phương trình động lực học có dạng tổng quát:

) q g(

) q , q h(

q ).

q H(

M





4.1.2 Hệ thống truyền động

4.2 XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHUẨN [4]

Để xác định đường đi mong muốn của robot theo thời gian, quỹ đạo có thể được tính toán thiết kế trong không gian biến khớp Thiết kế quỹ đạo là xác định quy luật chuyển động của các biến khớp để điều khiển chuyển động của từng khớp và tổng hợp thành chuyển động chung của robot Khi thiết kế quỹ đạo trong không gian biến khớp, tại mỗi nút phải xác định giá trị của các biến khớp bằng phương pháp tính toán động học ngược

Ta chọn một biến khớp qi thay cho góc quay i (i =1, 2, 3) Thời gian chuyển động từ vị trí đầu (x0, y0, z0) tới vị trí cuối (xc, yc,

zc) là td Giá trị ban đầu của q tại thời điểm ban đầu (t = 0) là q0 và giá trị tại t = td là qc

Đồ thị quỹ đạo chuyển động chuẩn ở trên Hình 4.5:

Hình 4.5: Quỹ đạo chuyển động chuẩn

Quỹ đạo chuyển động xuất phát từ q0 đến qc sẽ qua ba giai

đoạn: gia tốc, chuyển động với tốc độ không đổi và giảm tốc

4.2.1 Xác định giá trị q02 và qc1

0 0

0 0

02

2t t t

q q q q

0 1

2t t t q q q q

d

c c c

0 c

t2t

qq

4.2.3 Phương trình đoạn ac:

Quỹ đạo đoạn ac biểu diễn bởi phương trình dạng đa thức bậc bốn:

qac = a0ac + a1act + a2act2 + a3act3 + a4act4 (4.10)

Hệ phương trình động lực học Lagrange của tay máy Scara

được viết dưới dạng ma trận sau :

θ

2 1

2 2

4 2 1

33 32

31

23 22

21

13 12

H H

H

H H

H

H H

41 4

2 2 22

21 2

1 1 12

11 1

x

xX

x

xX

x

xX

4 2 1





u u

12 11

u b u b u b a x

x x

22 21

u b u b u b a x

x x

42 41

u b u b u b a x

x x





(4.25)

4.3.3 Thiết kế bộ điều khiển kiểu trƣợt dùng hàm Sign

Chọn mặt trượt cho từng khớp có dạng sau:



Khớp 1

 sgn( ) ˆ ( )

) ( ˆ ) sgn(

.

) ( ˆ ) sgn(

.

4 4 4 42 42 4 13

2 2 2 22 22 2 12 1 1 1 12 12 1 11

1

X a S K x e C H

X a S K x e C H X a S K x e C H

.

) ( ˆ ) sgn(

.

4 4 4 42 42 4 23

2 2 2 22 22 2 22 1 1 1 12 12 1 21 2

X a S K x e C H

X a S K x e C H X a S K x e C H

.

) ( ˆ ) sgn(

.

4 4 4 42 42 4 33

2 2 2 22 22 2 32 1 1 1 12 12 1 31

4

X a S K x e C H

X a S K x e C H X a S K x e C H

4.3.4 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt dùng hàm Sat

Thay hàm Sign bằng hàm bão hòa Sat V(S/)

1 )

/ (S  S 

V

1 /

1 / 1

1 /

) ( ˆ

) ( ˆ

4 4 4 4 42 42 4 13

2 2 2 2 22 22 2 12 1 1 1 1 12 12 1 11 1

X a S V K x e C H

X a S V K x e C H X a S V K x e C H u

) ( ˆ ) ( ˆ

4 4 4 4 42 42 4 23

2 2 2 2 22 22 2 22 1 1 1 1 12 12 1 21 2

X a S V K x e C H

X a S V K x e C H X a S V K x e C H u

) ( ˆ

) ( ˆ

4 4 4 4 42 42 4 33

2 2 2 2 22 22 2 32 1 1 1 1 12 12 1 31 4

X a S V K x e C H

X a S V K x e C H X a S V K x e C H u

CHƯƠNG 5

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

5.1 SƠ ĐỒ MÔ HÌNH HÓA CÁC KHÂU CỦA HỆ THỐNG 5.1.1 Mô hình chung của robot

Hình 5.1: Sơ đồ khối mô hình hóa robot Scara

5.1.2 Mô hình khối tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn

Các điều kiện đầu và cuối của quỹ đạo chuyển động chuẩn được tính thông qua các tọa độ đặt trong không gian (x0, y0, z0), (xc, yc, zc) và thời gian chuyển động (td) Quỹ đạo chuyển động chuẩn của cả 3 khớp được xác định theo 3 giai đoạn: gia tốc, tốc

độ không đổi và giảm tốc, biểu diễn bằng các phương trình (4.8) đến (4.16) Toàn bộ chương trình tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn

được viết trong tệp qdcdc.m trong phần Phụ lục

Sơ đồ Simulink khối tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn được thể hiện trong phần phụ lục

5.1.3 Mô hình bộ điều khiển

Để xác định tín hiệu điều khiển cho từng khớp ta đi xây dựng

mô hình simulink cho robot với các tín hiệu ui được thể hiện trên sơ

đồ Simulink trong phần phụ lục

a Phương pháp điều khiển trượt dùng hàm Sign

b Phương pháp điều khiển trượt sử dụng hàm Sat_ Giảm hiện tượng chartering

5.1.4 Mô hình khối robot Scara

5.2 CÁC THÔNG SỐ ROBOT SCARA

Khi chạy chương trình mô phỏng ta đánh lệnh

dkhientruotRBSC trên cửa sổ chính của chương trình Matlab, trên màn hình hiện ra sơ đồ điều khiển sau:

Hình 5.3: Mô hình điều khiển robot

Tay robot được thiết kế chuyển động theo một quỹ đạo xuất phát

từ vị trí ban đầu có tọa độ DDau = [x0, y0, z0] đến vị trí cuối có toạ độ DCuoi = [xc, yc, zc] với thời gian chuyển động là td và thời gia tốc (giảm tốc) là ta Với tải định mức: m t = 1.5kg Khi thực hiện mô phỏng trên một tay máy ba bậc tự do ta sử dụng các tham số như sau:

Việc mô phỏng được thực hiện với trường hợp có tải (khối lượng tải mt = 1.5 kg và mômen quán tính của tải Jt = 0,0003 kg.m2) của các hàm Sign, bão hòa (Sat) được sử dụng trong bộ điều khiển Các thông số của mô hình được nhập vào các Block Parameter trong sơ đồ Simulink

5.3 KẾT QUẢ

Với vị trí ban đầu [x0, y0, x0] = [0.35; 0.1;0]

Vị trí cuối [xC; yC; zC] = [0; -0.3; 0]

Thời gian đặt td = 1s

Thời gian gia tốc (giảm tốc) ta = 0.1s

Ta thu được kết quả về các quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực, sai số giữa quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực tế, đáp ứng momen tại các khớp 1,

2 và 4 của robot như sau:

5.3.1 Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực, sai số và đáp ứng momen tại các khớp khi sử dụng hàm Sign

a Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực, sai số tại các khớp

Hình 5.4: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực và sai số tại các khớp –

Sign

Kết quả mô phỏng phương pháp trượt khi sử dụng hàm Sign cho kết quả quỹ đạo thực tế cùng dạng và bám chính xác với quỹ đạo

chuẩn đặt trước Sai lệch quỹ đạo là rất nhỏ nằm trong giới hạn cho phép

5.3.2 Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực, sai số và đáp ứng momen tại các khớp khi sử dụng hàm Sat

a Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tại các khớp

Hình 5.8: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực và sai số tại các khớp - Sat

Kết quả mô phỏng phương pháp trượt khi sử dụng hàm Sat cho kết quả quỹ đạo thực tế cùng dạng và bám chính xác với quỹ đạo chuẩn đặt trước Sai lệch quỹ đạo là rất nhỏ dù nó có lớn hơn so với phương pháp trượt sử dùng hàm Sign nhưng nằm trong giới hạn cho phép

Ngoài ra khi sử dụng hàm Sat để điều khiển đã giảm được hiện tượng rung động (chattering) khi cánh tay robot di chuyển Điều này thể hiện rõ trong đồ thị mô phỏng sai số quỹ đạo và sự dao động như khi sử dụng hàm Sign không còn

Sai số quỹ đạo khi dùng hàm Sign

Hình 5.9: Độ dao động trong sai lệch quỹ đạo khi sử dụng

hàm Sign