Điều khiển đa biến robot scara

LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA LỜI GIỚI THIỆU Kể từ sự xuất hiện lần đầu tiên của thuật ngữ “Robot” trong tiếng Anh, năm 1921, cho đến sự phát triển rộng rãi ngày nay c

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

VŨ QUANG HUY

ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN

ROBOT SCARA

MÃ SỐ NGÀNH : 2.05.01

LUẬN ÁN THẠC SĨ

Trang 2

LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA

LỜI GIỚI THIỆU

Kể từ sự xuất hiện lần đầu tiên của thuật ngữ “Robot” trong tiếng Anh,

năm 1921, cho đến sự phát triển rộng rãi ngày nay của các ứng dụng robot,

ngành công nghiệp robot đã đạt được những thành tựu đáng kể với sự phong

phú về chủng loại và sự đa dạng về những ứng dụng thực tiễn Trong quá trình

phát triển đó, các nhà khoa học không ngừng sáng tạo và nỗ lực để hoàn thiện

các kỹ thuật chế tạo cũng như các kỹ thuật điều khiển robot Kết quả là các kỹ

thuật này ngày càng tinh vi và phức tạp hơn, đáp ứng được những đòi hỏi ngày

càng cao của nền công nghiệp robot: các robot phải làm việc ngày càng nhanh

hơn, chính xác hơn, với những công việc có tính phức tạp hơn mà vẫn đảm bảo

tính ổn định và an toàn

Song song với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp robot

là sự phát triển của lĩnh vực điều khiển với các lý thuyết và phương pháp điều

khiển hiện đại không ngừng được khám phá và xây dựng bởi các nhà khoa học

ưu tú trên thế giới Một trong các phương pháp đó là phương pháp điều khiển

mô hình nội được đề xuất bởi Garcia và Morari vào năm 1985 Đến năm

1987, Morari cùng với Zafiriou đã hoàn thiện nguyên lý mô hình nội áp dụng

cho đối tượng ổn định và mở rộng cho đối tượng không ổn định Nhờ vào tính

đơn giản hóa trong quá trình thiết kế cũng như tính hiệu quả phương pháp này

mang lại khi xây dựng bộ điều khiển bền vững mà nó đã giành được sự quan

tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Trang 3

LUAÔN AÙN CAO HÓC ÑIEĂU KHIEƠN ÑA BIEÂN ROBOT SCARA

Xuaât phaùt töø caùc öu ñieơm tređn, taùc giạ ñaõ söû dúng phöông phaùp ñieău

khieơn mođ hình noôi ñeơ ñeă ra moôt höôùng tieâp caôn môùi trong vieôc thieât keẩ robot

Scara Boô ñieău khieơn mođ hình noôi ñöôïc xađy döïng phuø hôïp vôùi ñoâi töôïng ñieău

khieơn Sau ñoù, heô thoâng ñieău khieơn duøng mođ hình noôi ñöôïc khạo saùt vaø so saùnh

tính oơn ñònh vaø beăn vöõng vôùi heô thoâng ñieău khieơn ñöôïc thieât keâ döïa tređn

phöông phaùp moment tính, moôt phöông phaùp ñaõ ñöôïc kieơm chöùng trong thöïc

tieên vaø ñaõ ñöôïc aùp dúng roông raõi trong cođng nghieôp robot

Trang 4

ABSTRACT

The aim of this thesis is to apply the internal model control approach to a

nonlinear plant : a selective compliance assembly robot arm (SCARA) We

introduce a control system with two loops The inner loop is based on the

manipulator dynamic model The outer loop, which is a linear internal model

controller, operates on the tracking error The function of the inner loop is to

obtain a linear and decoupled input/output relationship, whereas the task of the

outer loop is to track the setpoint and to stabilize the overall system

Simulations show that the proposed controller has good performance and

robust against variations of the load as well as the friction coefficients

Comparison between the proposed method and the computed torque approach

was also carried out It is remarkable that the output of the internal model

controller is much weaker than the one of the computed torque approach

Trang 5

MỤC LỤC

Lời giới thiệu i

Abstract iii

Mục lục iv

Danh mục hình ix

Thuật ngữ xiv

1 ROBOT 1.1

1.1 Tổng quan về robot 1.1

1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1

1.1.2 Định nghĩa robot 1.2

1.1.3 Phân loại robot .1.3

1.2 Động học tay máy 1.7

1.2.1 Cấu trúc tay máy 1.7

1.2.2 Các bài toán động học 1.8

1.3 Hệ thống chấp hành 1.9

1.3.1 Cấu trúc hệ thống chấp hành 1.9

1.3.2 Cơ cấu truyền động cơ khí 1.10

1.3.3 Bộ khuyếch đại công suất 1.11

1.3.4 Nguồn cung cấp 1.11

1.3.5 Servomotor 1.12

Trang 6

2 HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO 2.1

2.1 Giới thiệu 2.1

2.2 Hoạch định quỹ đạo trong không gian khớp nối 2.2

2.2.1 Chuyển động điểm –điểm ( point to point motion) 2.3

2.2.2 Chuyển động theo đường dẫn (path motion) 2.8

2.3 Hoạch định quỹ đạo trong không gian hoạt động 2.13

2.4 Phạm vi động học của quỹ đạo 2.13

3 ĐIỀU KHIỂN DÙNG MOMENT TÍNH 3.1

3.1 Khái niệm 3.1

3.2 Bài toán chuyển động 3.2

3.2.1 Động học thuận và động học ngược 3.3

3.2.2 Điều khiển trong không gian hoạt động 3.3

3.2.3 Điều khiển trong không gian khớp 3.4

3.3 Điều khiển trong không gian khớp 3.5

3.3.1 Điều khiển phân tán và điều khiển tập trung 3.5

3.3.2 Điều khiển PD bù trọng lực 3.6

3.3.3 Điều khiển dùng moment tính 3.7

3.3.4 Bền vững hóa điều khiển dùng moment tính 3.10

3.4 Điều khiển trong không gian hoạt động 3.14

3.4.1 Các dạng sơ đồ chung 3.14

3.4.2 Điều khiển PD bù trọng lực 3.16

3.4.3 Điều khiển động lực học ngược 3.17

4 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI 4.1

Trang 7

4.2.6 Chất lượng bền vững 4.7

4.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển IMC 4.10

4.3.1 Cấu trúc IMC 4.10

4.3.2 Điều kiện ổn định nội 4.11

4.3.3 Chất lượng điều khiển 4.14

4.4 Thiết kế bộ điều khiển IMC 4.15

4.4.1 Chất lượng danh định 4.15

4.4.2 Bộ lọc IMC 4.16

4.4.3 Ổn định bền vững 4.18

B HỆ MIMO 4.20

4.5 Cơ sở lý thuyết hệ MIMO 4.20

4.5.1 Định nghĩa và lý thuyết cơ bản 4.20

4.5.2 Hồi tiếp kinh điển 4.23

Trang 8

4.6.1 Ổn định bền vững 4.27

4.7 Thiết kế bộ điều khiển IMC 4.32

4.7.1 Cấu trúc IMC 4.32

4.7.2 Điều kiện ổn định của IMC 4.33

4.7.3 Quy trình thiết kế bộ điều khiển IMC 4.34

5 MÔ PHỎNG 5.1

5.1 Đối tượng điều khiển 5.1

5.1.1 Robot Scara 5.1

5.1.2 Mô hình động học của robot 5.2

5.1.3 Hệ phương trình biến trạng thái mô tả robot 5.3

5.1.4 Quỹ đạo đầu mút cánh tay robot 5.4

5.1.5 Đặc điểm của robot 5.6

5.1.6 Sơ đồ robot trong mô phỏng 5.7

5.2 Bộ điều khiển Moment tính 5.8

5.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển moment tính 5.8

5.2.2 Sơ đồ bộ điều khiển moment tính trong mô phỏng 5.10

5.3 Bộ điều khiển Mô hình nội 5.12

5.3.1 Cấu trúc bộ điều khiển mô hình nội 5.12

5.3.2 Điều kiện ổn định bền vững 5.15

5.3.3 Sơ đồ bộ điều khiển mô hình nội trong mô phỏng 5.17

5.4 Liên hệ giữa moment và điện áp động cơ 5.19

5.5 Quỹ đạo điều khiển 5.22

Trang 9

5.5.1 Tối ưu hóa quỹ đạo dịch chuyển 5.22

5.5.2 Quỹ đạo dịch chuyển điểm –điểm (Point to Point) 5.23

5.5.3 Quỹ đạo hoa văn 5.23

5.6 Kết quả mô phỏng 5.26

5.6.1 Đáp ứng của hệ thống danh định 5.26

5.6.2 Tính bền vững đối với sự thay đổi tải trọng 5.35

5.6.3 Tính bền vững đối với sự thay đổi của ma sát 5.44

5.6.4 Ả nh hưởng của nhiễu 5.50

Kết Luận 5.52

Tài liệu tham khảo -1-

Phụ lục

Phụ lục A Ảnh hưởng khi thay đổi thời gian đáp ứng A.1

Phụ lục B Ảnh hưởng khi thay đổi thời hằng bộ lọc B.1

Phụ lục C Ảnh hưởng khi thay đổi giới hạn moment C.1

Phụ lục D Ảnh hưởng khi tín hiệu điều khiển là điện áp D.1

Trang 10

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phân loại robot 1.4

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot 1.9

Hình 1.3 DC - Driver 1.12

Hình 1.4 Một số loại động cơ 1.14

Hình 1.5 Robot của hãng FANUC 1.15

Hình 1.6 Robot trong nhà máy sản xuất 1.15

Hình 1.7 Robot Scara của hãng MASSUSHITA 1.16

Hình 1.8 Robot đa năng 1.17

Hình 1.9 Một số robot dùng trong thám hiểm không gian 1.18

Hình 1.10 Robot Asimo P3 của hãng Honda 1.19

Hình 2.1 Quỹ đạo với quy luật hình thang 2.5

Hình 2.2 Quỹ đạo với các điểm chốt và đa thức nội suy 2.9

Hình 2.3 Vị trí, vận tốc và gia tốc với luật điều

khiển tuyến tính kết

hợp đa thức bậc hai 2.12

Hình 2.4 Phạm vi động học của một số robot 2.14

Hình 2.5 Không gian làm việc của robot Scara (hãng Masshushita) 2.15

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển theo không gian hoạt động của robot 3.4

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển theo không gian khớp nối của robot 3.4

Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển PD bù trọng lực 3.9

Trang 11

Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển PD kết hợp bù thành phần phi tuyến 3.13

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển dùng ma trận Jacobian nghịch đảo 3.15

Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển dùng ma trận Jacobian chuyển vị 3.15

Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng lực 3.17

Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển theo thuật toán động lực học ngược 3.18

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống để khảo sát ổn định nội 4.5

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống có cấu trúc IMC 4.10

Hình 4.3 Sơ đồ khối xác định điều kiện ổn định 4.12

Hình 4.4 Sơ đồ hệ thống cóù cấu trúc IMC 4.12

Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống tương đương có cấu trúc hồi tiếp kinh điển 4.13

Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc hồi tiếp kinh điển 4.23

Hình 4.7 Sơ đồ mô tả các sai số mô hình 4.24

Hình 4.8 Sơ đồ khối cấu trúc M −Δ để phân tính bền vững 4.28

Hình 4.9 Sơ đồ khối kiểm tra chất lượng bền vững 4.31

Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc IMC 4.32

Hình 4.11 Sơ đồ khối để kiểm tra tính ổn định nội 4.32

Hình 4.12 Sơ đồ khối để kiểm tra tính ổn định nội 4.33

Hình 5.1 Robot Scara 5.2

Hình 5.2 Vị trí đầu mút cánh tay robot trong hệ tọa độ Decarter 5.5

Hình 5.3 Phạm vi động học của robot Scara 5.6

Hình 5.4 Sơ đồ mô hình động học của robot Scara 5.7

Hình 5.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng moment tính 5.8

Hình 5.6 Sơ đồ khối mô tả cấu trúc hồi tiếp phi tuyến 5.9

Trang 12

Hình 5.8 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển dùng moment tính 5.10

Hình 5.9 Sơ đồ bộ điều khiển moment tính 5.11

Hình 5.10 Sơ đồ thành phần hồi tiếp phi tuyến dùng moment tính 5.11

Hình 5.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dùng mô hình nội 5.12

Hình 5.12 Sơ đồ khối mô tả cấu trúc hồi tiếp phi tuyến (IMC) 5.13

Hình 5.13 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc IMC 5.15

Hình 5.14 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc IMC với sai số nhân đầu vào 5.15

Hình 5.15 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc IMC với sai số nhân đầu ra 5.16

Hình 5.16 Sơ đồ khối hệ thống có cấu trúc IMC với sai số cộng 5.16

Hình 5.17 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển

dùng mô hình nội 5.17

Hình 5.18 Sơ đồ mô hình robot Scara sau khi hồi tiếp

tuyến tính hóa 5.17

Hình 5.19 Sơ đồ bộ điều khiển mô hình nội 5.18

Hình 5.20 Sơ đồ bộ bù tuyến tính hóa của hệ thống điều khiển dùng mô

hình nội 5.18

Hình 5.21 Mạch tương đương của động cơ DC 5.19

Hình 5.22 Mô tả mỗi tọa độ (x, y) tương ứng có hai nghiệm cho cặp góc

[θ1 θ2] 5.22

Hình 5.23 Quỹ đạotrong chuyển động điểm-điểm 5.23

Hình 5.24 Quỹ đạo hoa 1 5.23

Trang 13

Hình 5.29 Đáp ứng bước (hệ thống mô hình nội) 5.27

Hình 5.30 Đáp ứng bước (đáp ứng danh định) 5.28

Hình 5.31 Chuyển động điểm – điểm (đáp ứng danh định) 5.29

Hình 5.32 Quỹ đạo hoa 1 (đáp ứng danh định) 5.30

Hình 5.37 Đáp ứng bước (bền vững tải trọng) 5.35

Hình 5.38 Chuyển động điểm-điểm (bền vững tải trọng) 5.37

Hình 5.39 Quỹ đạo hoa 3 (bền vững tải trọng) 5.39

Hình 5.40 Quỹ đạo hoa 4 (bền vững tải trọng) 5.41

Hình 5.41 Quỹ đạo hoa 5(bền vững tải trọng) 5.43

Hình 5.42 Đáp ứng bước (bền vữngma sát) 5.44

Hình 5.43 Chuyển động điểm-điểm (bền vữngma sát) 5.46

Hình 5.44 Quỹ đạo hoa 4 (bền vữngma sát) 5.47

Hình 5.45 Quỹ đạo hoa 5 (bền vữngma sát) 5.49

Hình 5.46 Quỹ đạo hoa 1 (ảnh hưởng của nhiễu) 5.62

Hình 5.47 Quỹ đạo hoa 3 (ảnh hưởng của nhiễu) 5.63

Hình A.1 Quỹ đạo hoa 4 A.2

Trang 14

Hình B.1 Đáp ứng bước B.2

Hình B.2 Chuyển động điểm –điểm B.2

Hình B.3 Quỹ đạo hoa 3 B.3

Hình C.1 Đáp ứng bước C.1

Hình C.2 Chuyển động điểm-điểm C.2

Hình C.3 Quỹ đạo hoa C.4

Hình D.1 Chuyển động điểm-điểm D.1

Hình D.2 Quỹ đạo hoa D.3

Trang 15

THUẬT NGỮ CHỮ VIẾT TẮT (ABBREVIATIONS)

KÝ HIỆU (SYMBOLS)

1

2

Trang 16

CHƯƠNG 1:

ROBOT

1.1.1 Lịch sử phát triển

Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đầu tiên trong tiếng Anh năm 1921 trong vở

kịch được viết bởi Karel Capek [7],[10] Trong vở kịch này robot là một loại máy

giống như con người bao gồm sự nhận thức, trí thông minh và phẩm chất nhưng làm

việc không biết mệt mỏi Hình ảnh này còn được củng cố bởi bộ phim “Metropolis”

của Đức năm 1926 và robot C3PO vào năm 1977 trong phim “Chiến tranh giữa các

vì sao” Robot công nghiệp xuất hiện một cách khiêm tốn hơn khi so sánh với sự

mong đợi được tạo bởi các phương tiện truyền thông trong suốt sáu thập kỷ

Sự phát triển của robot công nghiệp bắt đầu sau chiến tranh thế giới thứ hai

Vào năm 1948, tại phòng thí nghiệm, Argonne và Oak Ridge đã nghiên cứu chế tạo

loại tay máy đôi (master-slave manipulator) điều khiển từ xa đầu tiên Vào giữa

thập kỷ 1950 hãng General Mills đã cho ra đời tay máy hoạt động sử dụng động cơ

servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Năm 1968, R.S Mosher thuộc

hãng General Electric đã chế tạo một thiết bị 4 chân biết đi có chiều dài 3 mét nặng

1400 kg

Những robot đầu tiên có thể lập trình để đáp ứng theo các tín hiệu thu nhận

được từ các cảm biến, phản ảnh môi trường hoạt động mà không có sự can thiệp trực

Trang 17

tiếp từ con nguời đã được nghiên cứu từ những năm 1940 ở các phòng thí nghiệm trí

tuệ nhân tạo Năm 1952, Học viện công nghệ Masachusetts đã cho ra đời máy điều

khiển chương trình số đầu tiên Tiếp theo, năm 1954 Gerge Devol đã thiết kế robot

lập trình với chương trình đđđiều khiểnđsố đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh

Đến 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám

hiểm Viking của cơ quan không gian NASA để lấy mẫu đất của sao

Hỏa Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của

cánh tay vì thế ta có thuật ngữ “tay máy ”

1.1.2 Định nghĩa robot

-Viện nghiên cứu của Mỹ đã đưa ra định nghĩa như sau :

“Robot là một tay máy có nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt

động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những

công việc đặc biệt thông qua những chuyển đổi khác nhau đã được lập trình nhằm

mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng.”

-Mikell.P.Groove, một nhà nghiên cứu hàng đầu về robot, mở rộng hơn như

sau:

“Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương

trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người.”

-Theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo), một robot công

nghiệp phải thỏa mãn 5 yếu tố sau:

+ Có khả năng thay đổi chuyển động

+ Có khả năng cảm nhận đối tượng thao tác

Trang 18

+ Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động

+ Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

-Theo Isaac asimov [2] một robot được chế tạo phải tuân theo 3 luật cơ bản

sau:

+ Robot không được phép làm bị thương con người

+ Robot phải tuân theo các yêu cầu của con người, ngoại trừ các yêu cầu

chống lại luật thứ nhất

+ Robot phải bảo vệ sự tồn tại của nó nhưng không được đi ngược lại

luật thứ nhất và thứ hai

1.1.3 Phân loại robot

- Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng Vì vậy, phân loại chúng

không đơn giản Có rất nhiều cách phân loại khác nhau Mỗi quan điểm phục vụ một

mục đích riêng Tuy nhiên có các phân loại cơ bản như sau:

+ Phân loại theo kết cấu : Theo kết cấu hình học người ta phân robot thành

các loại như tọa độ Decart, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, và kiểu tay

người(Anthropomorphic) [7]

• Robot tọa độ vuông góc : robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản

gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc

• Robot tọa độ trụ: ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động

tịnh tiến và một trục chuyển động quay

• Robot tọa độ cầu:ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và

hai trục quay

Trang 19

• Robot khớp bản lề: Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay

Hình 1.1 Phân loại robot

+ Phân loại theo điều khiển : có hai kiểu điều khiển

• Điều khiển hở : dùng truyền động bước ( động cơ điện, động cơ thủy

lực hoặc khí nén) Kiểu này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp

• Điều khiển kín (điều khiển servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để

tăng độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường Đối với điều khiển điểm –điểm phần công tác chuyển động từ điểm này đến điểm kia với tốc độ cao

Nó chỉ dừng tại điểm làm việc Kiểu làm việc này được dùng nhiều trong các robot hàn điểm, vận chuyển, bắn đinh… Điều khiển theo đường đảm bảo cho phần công tác chuyển động theo quỹ đạo bất kỳ

Trang 20

với vận tốc có thể điều khiển được Có thể gặp robot loại này trên các robot hàn hồ quang, sơn …

+ Phân loại theo thế hệ :

• Robot thế hệ thứ nhất :robot hoạt động theo một chu trình lặp đi lặp lại

không đổi

• Robot thế hệ thứ hai: robot được trang bị cảm biến cho phép tạo được

những vòng điều khiển kín

• Robot thế hệ thứ ba: robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh

trong điều khiển, cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác

• Robot thế hệ thứ tư: robot sử dụng thuật toán và cơ chế điều khiển

thích nghi, có khả năng lựa chọn ứng xử phù hợp với môi trường thao tác

• Robot thế hệ thứ năm : là tập hợp các robot được trang bị trí tuệ nhân

tạo

Ngoài các yếu tố trên người ta còn phân loại robot theo các yếu tố sau:

Dấu hiệu phân loại Tên gọi tay máy

-Theo số bậc chuyển

động (kể cả bậc chuyển

động chuyển dời của tay

Trang 21

thời:

+ Có nguồn dẫn động và điều khiển riêng + Có nguồn dẫn động chung và điều khiển riêng

+ Có chung nguồn dẫn động

- Theo tải trọng nâng

của tay máy

+ Loại siêu nhẹ + Loại nhẹ + Loại trung + Loại nặng + Loại siêu nặng

- Theo nguồn dẫn động

của cơ cấu chấp hành

+ Khí nén + Thủy lực + Cơ điện + Hỗn hợp

+ Theo vị trí

+ Hỗn hợp

- Theo số robot được

điều khiển đồng thời

+ Điều khiển riêng rẽ + Điều khiển theo nhóm

Trang 22

+ Kiểu phòng nhiệt + Kiểu phòng nổ

1.2 ĐỘNG HỌC TAY MÁY

1.2.1 Cấu trúc tay máy

Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot công nghiệp

[2] Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian

và khả năng làm việc, nâng hạ vật, lắp ráp …Ý tưởng ban đầu cho việc thiết kế và

chế tạo tay máy là phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người , về sau điều này

không còn bắt buộc nữa Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại Trong thiết kế

và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả

năng làm việc của chúng như:

+ Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…

+ Tầm với hay vùng làm việc : hình dáng và kích thước mà phần công tác có

thể với tới

+ Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong

vùng làm việc Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu, được nối với

nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở Tính từ thân đến phần

công tác Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay Tùy theo số

lượng và cách bố trí mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ Decart, tọa độ trụ, tọa độ

cầu, SCARA, và kiểu tay người(Anthropomorphic) Trong đa số trường hợp, tay máy

là một chuỗi động học hở, được cấu tạo bởi một số khâu (links), được nối với nhau

nhờ các khớp Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước một cặp khâu –khớp

Trang 23

Tùy theo kết cấu mà mỗi loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng

chuyển động nhất định Hai loại khớp thông dụng nhất trong kỹ thuật tay máy là

khớp trượt và khớp quay Mỗi khớp được đặc trưng bởi hai thông số :

+ Các thông số không thay đổi trong quá trình làm việc của tay máy được gọi

là tham số

+ Các thông số thay đổi trong quá trình làm việc được gọi là biến khớp

1.2.2 Các bài toán động học

- Bài toán thuận: Cho trước các yếu tố chuyển động và quy luật ta phải xác

định quy luật chuyển động của các khâu và các khớp Bài toán nhằm để mô tả vị trí

và hướng của phần công tác đưới dạng hàm số của các biến khớp Một trong các

phương pháp giải bài toán thuận là dùng trực tiếp hình học giải tích

- Bài toán nghịch: Cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên

khâu tác động cuối cùng (hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí

và hướng của nó ) được biểu diễn trong hệ thục tọa độ, ta phải xác định quy luật

chuyển động của các khâu thành viên thông qua các hệ tọa độ suy rộng

Việc giải bài toán ngược gặïp nhiều khó khăn vì:

+ Các phương trình có dạng phi tuyến và siêu việt, thường không cho lời giải

chính xác

+ Có thể có nhiều lời giải

+ Có thể gặp nghiệm vô định, vì các liên kết thừa( liên kết siêu tĩnh)

+ Có thể có nghiệm tìm được bằng toán học lại không chấp nhận được về

mặt vật lý, do các kết cấu ràng buộc về mặt vật lý

Trang 24

1.3 HỆ THỐNG CHẤP HÀNH

1.3.1 Cấu trúc hệ thống chấp hành

Bao gồm các thành phần sau :

+ Bộ khuếch đại công suất

+ Cơ cấu truyền động cơ khí

Các thành phần được kết nối được trình bày bởi sơ đồ sau:

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot

Pc Liên quan đến tín hiệu điều khiển

Pu Công suất cơ học được yêu cầu đưa đến khớp nối để thực hiện thao tác chuyển

động

Pp Công suất nguồn cung cấp cho toàn bộ hê thống

Pa Công suất cung cấp cho động cơ

Pm Công suất ra trên trục động cơ

Pda , Pds, Pdt là tổn hao trên bộ khuếch đại , động cơ và cơ cấu truyền chuyển động

Pm

Pdt

Pu

Pds Pda

Pc

POWER SUPPLY

POWER AMPLIFIER SERVOMOTOR TRANSMISSION

Trang 25

Việc chọn lựa các thành phần của hệ thống chấp hành dựa trên yêu cầu về

công suất Pu và vận tốc chuyển động của các khớp

1.3.2 Cơ cấu truyền động cơ khí

Thao tác chuyển động của tay máy trong thực tế gặp khó khăn bởi tốc độ

chậm và moment lớn Các yêu cầu đặt ra khi thiết kế là hệ thống không bị ảnh

hưởng bởi các đặc tính của động cơ Điều này có nghĩa là phải thiết kế hệ thống điều

khiển sao cho tốc độ chuyển động cao nhưng moment thấp và dẫn đến cần phải có

cơ cấu truyền chuyển động để tối ưu hóa việc truyền công suất cơ Pm từ động cơ

thành công suất Pu đưa đến khớp chuyển động

Việc chọn lựa cơ cấu truyền động dựa trên yêu cầu về công suất, các loại

chuyển động mong muốn và loại động cơ sử dụng Nó cho phép tối ưu hóa chất

lượng tĩnh và động của cánh tay robot [2]

Các loại cơ cấu truyền dẫn thường được sử dụng:

• Cơ cấu bánh răng-trục vít : thay đổi đặc tính chuyển động quay của động cơ

bằng cách thay đổi hệ trục tọa độ Loại này thường được dùng kết nối bánh

răng lớn với trục, có tỷ số truyền lớn

• Cơ cấu vít me-đai ốc: dùng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển

động tịnh tiến, chúng được dùng khi cần làm giảm ma sát Ngoài ra, chúng

còn được sử dụng làm tăng độ cứng vững với tải trọng cho trước và giảm hiện

tượng khe hở

• Truyền động đai răng và truyền động bánh xích: là thiết bị được xây dựng từ

quan điểm động học ngược của hệ thống Chúng được sử dụng để biến đổi

chuyển động của động cơ thành chuyển động của các khớp khi khoảng cách

Trang 26

phụ nên đai được sử dụng nhiều trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao trong

khi công suất thấp Trong khi đó, xích hay bị dao động nên dùng cho các ứng

dụng có vận tốc nhỏ

Giả sử trong các chuyển động không tồn tại khe hở, tỉ số truyền của các bộ truyền động cơ khí là không đổi (hằng số) Thỉnh thoảng, đặc tính cơ của

động cơ sử dụng trong một hệ thống chấp hành cho phép nối trực tiếp trục động cơ

với khớp nối mà không dùng các cơ cấu chuyển động Khi không có hệ thống giảm

tốc, không được bỏ qua tính phi tuyến trong động học của hệ thống Việc dùng trực

tiếp không phổ biến trong công nghiệp do kích cỡ của động cơ cũng như sự phức tạp

của điều khiển

1.3.3 Bộ khuếch đại công suất

Bộ khuếch đại công suất có nhiệm vụ điều chỉnh công suất cung cấp dưới tác

động của tín hiệu điều khiển Thiết bị nhận được công suất vào từ các nguồn

cung cấp phải đưa đến các cơ cấu chấp hành để thực hiện việc chuyển động

Nói một cách khác, bộ khuếch đại làm việc với vai trò nguồn cung cấp nhưng tỉ

lệ theo tín hiệu điều khiển Nó sẽ đưa công suất hữu dụng này đến động cơ

Tín hiệu vào của bộ khuyếch đại nhận được từ công suất nguồn Pp và công

suất của tín hiệu điều khiển là Pc Toàn bộ công suất cung cấp cho động cơ là

Pa và phần bị mất đi là công suất Pda

1.3.4 Nguồn cung cấp

Nhiệm vụ của nguồn là cung cấp năng lượng cần thiết cho bộ khuếch đại cần

cho hoạt động của toàn bộ hệ thống Trong trường hợp động cơ điện DC được sử

Trang 27

dụng, nguồn sẽ được chỉnh lưu cầu, cho phép biến đổi dòng điện xoay chiều thành

dòng một chiều thích hợp với yêu cầu của bộ khuếch đại

Hình 1.3 DC – Driver

1.3.5 Servomotor

Động cơ có nhiệm vụ tác động làm chuyển động các khớp Tùy thuộc công

suất vào của động cơ sẽ được chia làm 3 nhóm

+ Động cơ khí nén : Năng lượng khí nén được chuyển đổi sang dạng cơ thông

qua pistons hoặc turbines

+ Động cơ thủy lực :Năng lượng thủy lực được chuyển đổi sang dạng cơ thông

qua các bơm và van điều hành

+ Động cơ điện: năng lượng điện được biến đổi thành năng lượng cơ từ nguồn

điện phân phối

Một phần công suất vào Pa được biến đổi thành công suất cơ (công suất ra)

và phần còn lại là tổn hao điện, cơ, khí, thủy lực và ma sát tùy theo loại động cơ

được sử dụng Loại động cơ được dùng cho robot là các động cơ được phát triển sử

dụng trong công nghiệp tự động hóa có công suất giới hạn từ 10 W đến 10 KW Tùy

theo mục đích sử dụng và yêu cầu về chất lượng, động cơ sẽ được chọn lựa cho phù

Trang 28

+ Quán tính nhỏ

+ Có thể hoạt động trong trường hợp quá tải và moment cung cấp là tín hiệu

xung

+ Có khả năng đạt được gia tốc cao

+ Phạm vi thay đổi vận tốc lớn (1-1000)

+ Moment cung cấp ít bị mấp mô để đảm bảo rotor quay liên tục ngay cả khi

quay với tốc độ thấp

Các yêu cầu nâng cao chất lượng bám theo quỹ đạo và độ chính xác của

chuyển động thuộc về hệ thống chấp hành Vì thế, động cơ đóng vai trò là

servomotor.Về khía cạnh này, các động cơ khí nén và thủy lực gặp nhiều khó khăn

nên các động cơ điện được sử dụng nhiều trong robot là servomotor điện

Servomotor điện ưu và nhược điểm

Ưu điểm:

+ Công suất cung cấp ở phạm vi rộng (từ rất nhỏ cho đến lớn)

+ Chi phí thấp và các sản phẩm có phạm vi rộng

+ Chuyển đổi công suất đạt hiệu quả cao

+ Không có ô nhiễm với môi trường xung quanh

Khuyết điểm :

+ Bị ảnh hưởng bởi các thành phần trọng lực của cánh tay khi duy trì trạng

thái tĩnh Vì thế phải cần đến thắng

+ Cần phải được bảo vệ đặc biệt trong các môi trường lửa và dễ cháy

Trang 29

Hình 1.4 Một số loại động cơ Servomotor biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ : động cơ sử dụng nam

châm vĩnh cửu, và động cơ điện DC

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng

dụng ban đầu gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm, phun sơn

+ Ứng dụng robot trong công nghiệp cắt, hàn đường ( hàn theo vết hoặc

đường dẫn liên tục )

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên, năng suất thấp do chất

lượng của bề mặt mối hàn liên quan đến thao tác đầu mỏ hàn và môi trường hàn

Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chi

tiết và sau đó robot chuyển động theo quỹ đạo lập trình trước Ưu điểm của robot là

chất lượng hàn ổn định

Trang 30

Hình 1.5 Robot của hãng FANUC

+ Ứng dụng robot trong lắp ráp

Một kỹ thuật sản xuất với mục tiêu lâu dài cần có nhà máy tự động hoàn toàn

Robot sẽ được sử dụng để tự động hóa quá trình lắp ráp trong nhà máy Hiện nay các

nhà máy lớn đều áp dụng mô hình tự động hóa hoàn toàn

Hình 1.6 Robot trong nhà máy sản xuất

+ Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trang 31

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống tự động hóa hoàn toàn

: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị… , hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của

con người trừ chương trình máy tính điện tử

Hình 1.7 Robot Scara của hãng MASSUSHITA

+ Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm

Robot được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm Chúng được dùng để làm

các công việc thủ công bởi vì robot thực hiện rất tốt các thao tác lặp đi lặp lại Các

nhà chế tạo cho rằng chúng có ba ưu điểm: tăng năng suất, tăng chất lượng thí

nghiệm, giảm sơ suất của con người

+ Ứng dụng robot trong các thao tác khuếch đại lực

Được chế tạo để bốc dỡ hàng hóa, vật liệu có trọng lượng lớn, cồng kềnh

trong các ngành công nghiệp nặng

+ Ứng dụng robot trong nông nghiệp

Trang 32

Người ta đã thiết kế ra robot cắt lông cừu ở Úc Ngoài ra người ta còn chế tạo

robot mổ xẻ thịt heo thay công nhân

Hình 1.8 Robot đa năng

+ Ứng dụng robot trong nhà máy điện hạt nhân

Dùng để giám sát các bó nhiên liệu trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt

nhân

+ Ứng dụng robot trong tàu lặn

Thám hiểm đáy biển, sinh vật biển, xác tàu đắm

+Ứng dụng robot trong lĩnh vực không gian

Tay máy được Canada chế tạo trên trạm Alpha dùng để bốc dỡ hàng hóa, lắp

ghép với trạm không gian khác, thám hiểm các hành tinh Một số dùng để thám

hiểm các hành tinh

Trang 33

Hình 1.9 Một số robot dùng trong thám hiểm không gian

+ Ứng dụng robot trong giáo dục

Robot được sử dụng trong phòng học dưới ba dạng riêng biệt :

• Phương tiện giảng dạy

• Giảng dạy về sự nhận thức máy tính

• Tạo phòng học hay phòng thí nghiệm robot

+ Ứng dụng robot để hỗ trợ người tàn tật

Gần đây các nhà nghiên cứu chế tạo các tay máy giúp người tàn tật có thể

điều khiển bằng cách suy nghĩ

+ Ứng dụng robot trong sinh hoạt và giải trí

Các loại robot bắt chước các vật nuôi trong gia đình Một số loại nhận ra được giọng

nói , cử chỉ và có các phản ứng khác nhau phù hợp với hoàn cảnh Các nhà nghiên

cứu của Mỹ và Nhật cho biết sẽ chế tạo ra các robot hoàn toàn có khả năng thay thế

con người trong việc giải quyết các công việc hàng ngày

Trang 34

Trang 35

CHƯƠNG 2:

HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO

2.1 GIỚI THIỆU

Mục đích của việc thiết kế quỹ đạo là xây dựng tín hiệu vào cung cấp cho hệ

thống điều khiển để thực hiện các yêu cầu chuyển động tay máy robot đến các vị trí

đã được định trước Người điều khiển sẽ nhập vào một số các thông số để mô tả

quỹ đạo thiết kế Chiến lược quỹ đạo được xây dựng từ các giá trị rời rạc theo thời

gian và bằng phương pháp nội suy các hàm đa thức để suy ra được quỹ đạo thiết kế

cho mục đích điều khiển theo yêu cầu đề ra Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét

khởi tạo chiến lược điều khiển cho chuyển động của tay máy từ một điểm đầu đến

một điểm cuối (point to point motion) và thiết kế các chiến lược điều khiển cho một

tập hợp các điểm rời rạc cho trước

Yêu cầu cơ bản nhất của robot là khả năng có thể chuyển động từ một điểm

đầu đến một điểm cuối cho trước (point to point motion) Các trạng thái chuyển đổi

được xây dựng bởi các luật điều khiển phải có đặc tính sao cho các tín hiệu điều

khiển không vượt quá giới hạn của cơ cấu chấp hành và không vượt quá các giới hạn

cho phép của cấu trúc động học

Trang 36

Đường dẫn (path motion) là tập hợp các điểm trong không gian chuyển động

của các khớp hoặc trong không gian chuyển động của tay máy Vì thế, đường dẫn là

sự mô tả chuyển động thuần túy theo hình học

Quỹ đạo (trajectory) là đường dẫn (tức là có mô tả hình học sự chuyển động

của tay máy) và bao gồm luật điều khiển theo thời gian, vận tốc và gia tốc của các

khớp hoặc các tay máy robot theo thời gian tại mỗi điểm chuyển động

Tổng quát, để hình thành một giải thuật cho hoạch định quỹ đạo phải xem xét

đến các đường dẫn, các giới hạn đường dẫn (giới hạn hình học hay phạm vi chuyển

động của đối tượng), các giới hạn về động học, vùng hoạt động của đầu mút tay

máy, các hoạch định theo thời gian, các thông số vị trí ,vận tốc và gia tốc của đối

tượng

Một mô tả đường dẫn chuyển động không thể đầy đủ từ người vận hành do

nhiều lý do phức tạp Tiêu biểu là các điểm cực trị, các điểm trung gian, các đường

hình học từ nội suy Các luật điều khiển theo thời gian thì không chỉ quan tâm đến

từng điểm chuyển động theo đường chuyển động hình học mà còn xem xét toàn bộ

chiến lược điều khiển theo thời gian thông qua các giới hạn tối đa về tốc độ, gia tốc

mà còn vận tốc và gia tốc được thiết kế tại các điểm Dựa trên những thông tin này,

giải thuật cho hoạch định quỹ đạo được xây dựng với các biến thời gian liên quan

đến vị trí của đầu mút tay máy và thỏa mãn các điều kiện Khi các hoạt động điều

khiển dựa trên điều khiển các khớp thì cần có một giải thuật động học ngược thích

hợp cho việc xây dựng mối liên hệ của chuyển động các khớp nối với chuyển động

của tay máy trong không gian

Trang 37

2.2 HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO CÁC KHỚP NỐI

Sự chuyển động của tay máy có thể được thiết kế trong không gian tương

ứng với các thông số trong quỹ đạo chuyển động như vị trí điểm đầu và điểm cuối

của đầu mút tay máy, các điểm trung gian và các trạng thái thay đổi theo thời gian

của đường dẫn trong quá trình chuyển động Nếu chúng được thiết kế trong không

gian khớp nối thì các giá trị không gian khớp nối phải được xác định từ các vị trí của

đầu mút Điều này sau đó cần đến một giải thuật động học ngược (kinematic).Việc

hoạch định có thể được thực hiện gián tiếp hoặc trực tiếp Sau đó, các hàm nội suy

được thiết lập để mô tả quỹ đạo nhận được

Giải thuật xây dựng một hàm nội suy q(t) với các biến khớp nối tại mỗi điểm

và đảm bảo không vi phạm các giới hạn cho phép Tổng quát, một giải thuật xây

dựng quỹ đạo phải đảm bảo có các đặc tính sau:

- Vị trí và vận tốc là các hàm liên tục theo thời gian

- Giảm đến mức thấp nhất các ảnh hưởng không mong muốn như xây

dựng các quỹ đạo nội suy mềm

- Các quỹ đạo khởi tạo không đòi hỏi quá nhiều việc tính toán

2.2.1 Chuyển động điểm –điểm (point to point motion)

Chuyển động điểm-điểm được ứng dụng trong một số loại robot, như robot

hàn điểm, tán đinh, xếp dỡ vật liệu… Trong dạng chuyển động này, người ta chỉ

quan tâm đến điểm đầu và cuối của đường chuyển động và thời gian chuyển động

mà không quan tâm đến dạng hình học của đường chuyển động

Trang 38

tính của tay máy với khớp nối , τ là moment quán tính cung cấp bởi động cơ Để

xác định quy luật thay đổi của góc q giữa giá trị điểm đầu q i với giá trị điểm cuối

f

q , bài toán này có nhiều lời giải, nhưng lời giải cần tìm là sao cho năng lượng cung

cấp cho động cơ là cực tiểu nhưng vẫn thỏa các yêu cầu đặt ra Bài toán tối ưu có thể

được trình bày như sau :

0

)(

Lời giải tổng quát có dạng như sau :

c bt at t

)(

Việc chọn lựa hàm đa thức bậc ba để xây dựng quỹ đạo khớp nối đã đưa ra

một lời giải hữu dụng cho vấn đề của bài toán Vì thế, để giải quyết chuyển động

của khớp nối, hàm đa thức bậc ba có thể được chọn như sau:

0 1 2 2 3 3

3)

Trang 39

Để xác định 4 hệ số trên cần 4 điều kiện Điều này có thể thực hiện được dựa

vào vị trí ban đầu qi và qf , bên cạnh đó, còn các điều kiện ban đầu của vận tốc

tại điểm đầu và cuối

Hình 2.1 Quỹ đạo với quy luật hình thang

Trang 40

f f

f

f f

f f i i

q a t a t a

q a t a t a t a

q a

&

=++

=+++

=

1 2 2 3

0 1 1 2 2 3 3 1 0

23

Nhược điểm của quy luật này là gia tốc tại điểm đầu và điểm cuối lớn dẫn

đến sinh lực va đập do quán tính (sự tương tác giữa các cánh tay trong tay máy)

Để xác định quỹ đạo chuyển động ta phải giải hệ phương trình trên Nếu có

yêu cầu thiết kế cho điểm đầu và điểm cuối của gia tốc thì sáu giới hạn phải được

thỏa mãn và một đa thức ít nhất bậc năm là cần thiết Luật điều khiển khớp nối sau

đó có thể là :

0 1 2 2 3 3 4 4 5 5

)

Một dạng khác mô tả quỹ đạo theo thời gian được dùng nhiều trong thực tế

(công nghiệp) là đa thức hỗn hợp (Blended polynominal) Đối với quỹ đạo dạng

này, thường chọn quy luật vận tốc là hình thang Nó cho phép kiểm tra vận tốc và

gia tốc một cách trực tiếp thông qua cơ cấu vật lý Trong trường hợp này, tay máy

chuyển động theo quỹ đạo qua 3 giai đoạn: giai đoạn đầu tiên tay máy chuyển

động với vận tốc tăng dần ( gia tốc hằng), giai đoạn tiếp theo vận tốc không đổi

(gia tốc bằng zero) và giai đoạn cuối cùng là một gia tốc âm đưa vận tốc chuyển

động về zero Quỹ đạo nhận được bao gồm 2 đoạn parapol và được nối với nhau

bởi một đoạn thẳng (hình 2.1)

Giả thiết q&i =q&f =0 và thời gian tăng tốc và giảm tốc (quá trình thay đổi vận

tốc) bằng nhau Các điều kiện trên dẫn đến quỹ đạo là đối xứng với điểm giữa

Để đảm bảo quỹ đạo là hàm liên tục, vận tốc tại các điểm tiếp giáp đoạn

parabol và đoạn thẳng không nhẩy bậc :

Định dạng
Số trang	175
Dung lượng	2,51 MB