Tài liệu MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG pdf

MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học - 264 Đội Cấn, Ba Đì

Trang 1

MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn

Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học - 264 Đội Cấn, Ba Đình, Hà Nội

E-mail: mechatronic@hn.vnn.vn

Tóm tắt:

Với nhiều lợi thế mà robot cơ cấu song song đem lại

như: độ chính xác, độ cứng vững cao, tốc độ làm

việc lớn, tiện lợi trong quá trình di chuyển, lắp đặt…

robot cơ cấu song song ngày càng được quan tâm và

ứng dụng rộng rãi Bài báo đưa ra một giải pháp

hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song Đầu

tiên là một số phân tích về xử lý song song, xử lý

phân tán trong điều khiển robot tiếp theo sẽ trình

bày về ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-loop

trong mô phỏng điều khiển robot, cuối cùng đưa ra

lựa chọn thiết bị và thuật toán điều khiển robot cơ

cấu song song mà phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học

đang phát triển

1 Đặt vấn đề

Robot cơ cấu chuỗi đã được ứng dụng trên thế giới

từ rất sớm và ngày càng được phát triển Tuy nhiên,

do tính chất kết cấu nên nó vẫn bộc lộ một số nhược

điểm vì vậy khả năng ứng dụng còn hạn chế

Ra đời và phát triển sau nhưng với nhiều lợi thế hơn

so với robot cơ cấu chuỗi, robot cơ cấu song song

bắt đầu được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:

cơ khí, y tế, quân sự, vật lý, hàng không…

Nhận thấy khả năng ứng dụng rất lớn cùng những

thế mạnh của robot cơ cấu song song, phòng Cơ điện

tử - Viện Cơ học đã triển khai nghiên cứu nhằm mục

đích chế tạo robot cơ cấu song song mẫu ứng dụng

trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác

Sau khi nghiên cứu khả năng ứng dụng và khả năng

phát triển của các loại robot cơ cấu song song, robot

cơ cấu song song 6 bậc tự do (Hexapod) đã được

chọn, đóng vai trò là bàn gá phôi cho máy phay

thông thường để gia công khuôn mẫu (hình 1)

Hình 1: Hexapod làm bàn gá phôi

trong gia công cơ khí

2 Lựa chọn hệ thống điều khiển

Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển

Mỗi hệ thống tự động bất kỳ đều gồm ba phần cơ

bản: bộ điều khiển (Controller), đối tượng điều khiển (Object) và thiết bị đo (Measure) (hình 2)

Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống tự động

Robot cũng là một hệ thống tự động với các nhiệm

vụ khác nhau tuỳ theo yêu cầu đặt ra

Để thiết kế robot với các nhiệm vụ phức tạp người ta thường phân chia nhiệm vụ phức tạp thành các nhiệm vụ đơn giản hơn và thiết kế nhiều bộ phận (là các hệ tự động đơn giản với các thành phần cơ bản nêu trên) để mỗi bộ phận chịu trách nhiệm xử lý một nhiệm vụ đơn giản và các bộ phận sẽ được phối hợp quản lý để đạt được mục tiêu chung của toàn hệ thống Cách phân chia như vậy được gọi là “xử lý phân tán theo chức năng” Theo cách này, mỗi bộ phận sẽ chỉ phải xử lý một nhiệm vụ đơn giản do đó

sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích, thiết kế và xử lý lỗi; mặt khác, các công việc được xử lý đồng thời sẽ tăng được tốc độ của toàn hệ thống

Với robot Hexapod mà đặc trưng là một chuỗi nhiều khâu khép kín, để thực hiện một di chuyển của tấm trên robot theo một quỹ đạo yêu cầu, cần đồng thời

có các tác động điều khiển tới sáu chân của robot và chuyển động của các chân này phải có sự liên hệ chặt chẽ Không như robot chuỗi, nếu không có được sự liên hệ chặt chẽ này sẽ gây ra hiện tượng

“giằng”, “xé” nhau giữa các chân Chính vì vậy, yêu cầu về độ chính xác của điều khiển robot Hexapod đòi hỏi cao hơn, quá độ của mỗi khâu cũng phải được kiểm soát chặt chẽ Và cuối cùng là việc phối hợp giữa các khâu đóng vai trò đặc biệt quan trọng

quyết định tới độ chính xác của quỹ đạo robot

Hệ thống điều khiển

Để đạt được các yêu cầu trên, phương án thiết kế hệ điều khiển cho robot Hexapod được chọn như trên hình 3, trong đó:

− ĐKPH: bộ điều khiển phối hợp,

− ĐKTP: các bộ điều khiển thành phần

y

u Set point

M

Trang 2

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cho Hexapod

Các bộ ĐKTP chịu trách nhiệm điều khiển bộ phận

mình phụ trách, để đạt được những yêu cầu cục bộ

Thực chất chúng là các bộ điều khiển vị trí, có

nhiệm vụ đưa các chân tương ứng của robot tới độ

dài mong muốn theo một vận tốc nào đó Ở đây, mỗi

chân robot được chọn sử dụng một hệ truyền động

động cơ, do đó bộ điều khiển sẽ là bộ điều khiển vị

trí động cơ

Bộ ĐKPH sẽ chịu trách nhiệm phối hợp các bộ

ĐKTP để đạt được yêu cầu tổng thể Bộ ĐKPH ở

đây sẽ lấy thông tin của toàn hệ là độ dài thực của

các chân robot so với độ dài yêu cầu được tính bằng

phần mềm tính toán động lực học hệ nhiều vật

alaska để đưa ra các quyết định điều khiển cho từng

bộ ĐKTP, [1]

Các thuật toán điều khiển được thực hiện ở từng bộ

ĐKTP cũng như bộ ĐKPH Để đảm bảo được độ

chính xác của robot trong quá trình hoạt động, các

thuật toán điều khiển đóng vai trò rất quan trọng

Mô phỏng Hardware-in-the-loop

Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên

lý Hardware-in-the-loop nhằm:

− Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển

− Giảm chi phí trong quá trình thiết kế

− Tránh được những sai sót không đáng có khi

ứng dụng thực tế

Mô phỏng thời gian thực (real time simulation) theo

nguyên lý Hardware-in-the-loop nghĩa là có sử dụng

phần cứng (hardware) để mô phỏng vòng điều khiển

Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh

giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả

năng của phần mềm điều khiển dưới điều kiện diễn

biến thời gian sát với thực tế Điều này có ý nghĩa

quan trọng khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp

nhiều phần tử

Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, động cơ

được chọn đã được mô phỏng theo nguyên lý trên,

bằng cách sử dụng một số công cụ sau:

− Phần mềm: Matlab, RTS

− Phần cứng: PLC, PC, Card AD/DA

Matlab/Simulink được sử dụng như là công cụ hỗ

trợ cho việc xây dựng và tối giản mô hình toán của

đối tượng điều khiển trong trường hợp này là động

cơ servo, xác định tham số cho mô hình để từ đó chọn tham số của các thuật toán điều khiển

RTS (Run Time Simulation) là phần mềm được phát triển bởi phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, với mục đích tạo ra một công cụ hỗ trợ cho việc mô phỏng thời gian thực Giao diện chính của RTS được đưa ra trên hình 4

Phần mềm RTS được phát triển theo cấu trúc module, gồm 3 module sau:

+ Module giao tiếp: module này có nhiệm vụ tạo mối liên hệ giữa mô hình của đối tượng và bộ điều khiển Hiện tại, có hai phương thức giao tiếp được hỗ trợ là giao tiếp qua cổng nối tiếp và qua card AD/DA

+ Module tính toán: module này thực hiện tất cả các công việc tính toán, ví dụ như giải phương trình vi phân để tính đáp ứng đầu ra của đối tượng khi có kích thích đầu vào vv

+ Module đồ họa: module này có nhiệm vụ thể hiện đáp ứng đầu ra của đối tượng dưới dạng mô hình và đồ thị, biểu diễn sự thay đổi trạng thái của đối tượng trong quá trình mô phỏng (ví dụ trong trường hợp này là vị trí và tốc độ của động cơ)

Phần mềm RTS cho phép thể hiện mô hình thời gian thực của một số đối tượng điều khiển trên máy tính Khi có tín hiệu điều khiển, mô hình thời gian thực của đối tượng sẽ cung cấp đáp ứng đầu ra cho hệ thống giống như đối tượng thật phản ứng khi có tín hiệu điều khiển Bằng cách ghép nối bộ điều khiển với mô hình thời gian thực của đối tượng ta có thể kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển trong quá trình thiết kế

Hình 4 Giao diện phần mềm RTS

Việc mô phỏng Hexapod đã được tiến hành theo các bước sau:

− Mô hình hóa động cơ servo

− Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline

− Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý Hardware-in-the-loop

ĐKPH

Trang 3

Bước 1: Mô hình hoá động cơ servo

Tuy có sự khác nhau về kết cấu và nguyên lý làm

việc nhưng động cơ servo có thể được mô hình hóa

giống như động cơ điện một chiều Thông qua biến

phức s, sự cân bằng điện của phần ứng được mô tả

bởi phương trình, [2]:

g a a a

Trong đó:

− Va, Ra, La, Ia lần lượt là điện áp, điện

trở, điện kháng, dòng điện phần ứng

− Vg là sức điện động của phần ứng, tỷ lệ với

vận tốc góc ω của rotor, Vg = kvω

Hệ số kv thể hiện quan hệ giữa vận tốc góc của

rotor và sức điện động Nó phụ thuộc kết cấu của

động cơ và tính chất điện từ của phần cảm

Tương tự, phương trình cân bằng cơ học của động

cơ có dạng:

r m

m

Cm = ktIa

với:

− Cm và Cr là mô men chủ động và momen

phản lực,

− Im và Fm là mô men quán tính và hệ số cản

nhớt trên trục động cơ

− kt Hệ số tỷ lệ biểu diễn quan hệ giữa mô

men của động cơ và dòng điện phần ứng

Nếu hệ số cản nhớt rất nhỏ so với hệ số hãm điện

năng, nghĩa là (Fm << kvkt / Ra), đồng thời giả

thiết Cr = 0 thì có mối quan hệ giữa đại lượng vào

(điện áp điều khiển Vc) với đại lượng ra (vận tốc

góc ω) như sau, [1]:

c t v

m a t

v

m a

s k k

I R s k k

I L

k

1

2+ +

=

ω

Đặt

t

v

m

a

k

I

L

t v

m a k k

I R

ξ

v k

k = 1 , ta sẽ có:

c V Ts s

T

k

1 2 2

=

ξ

ω (1)

(1) mô hình gần đúng của động cơ servo

Bước 2: Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng

offline Matlab/ Simulink đã được sử dụng để tiến hành mô phỏng offline với mục đích lựa chọn thuật toán điều khiển và tham số của bộ điều khiển

Trên nền Simulink có thể xây dựng hệ thống điều chỉnh bao gồm đối tượng điều khiển, khâu điều khiển, phản hồi tín hiệu đầu ra với hệ số là 1 Bằng cách dùng tín hiệu đầu vào có dạng bước nhảy đơn vị, thay đổi thực nghiệm tham số của bộ điều khiển (phương pháp dò tìm) và quan sát đáp ứng để lựa chọn bộ tham số tốt nhất

Bước 3: Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý Hardware-in-the-loop

Bước cuối cùng này nhằm thử nghiệm thiết bị điều khiển, với thuật toán điều khiển chạy trên phần cứng thực, ở đây là PLC S7-300 với các module cần thiết Đối tượng điều khiển được thực hiện dưới dạng mô hình thời gian thực, tức là mô hình chạy trực tiếp trên phần cứng tốc độ cao

Trong trường hợp này, mô hình của đối tượng được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính Tín hiệu đầu

ra dưới dạng tương tự của thiết bị điều chỉnh sẽ được biến đổi thành dạng tín hiệu số nhờ bộ biến đổi A/D để điều khiển mô hình của đối tượng, được thực hiện trên máy tính Ngược lại, đáp ứng đầu ra của mô hình lại được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ biến đổi D/A

Hình 5: Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển và mô hình

đối tượng qua card AD/DA Đối tượng điều khiển được thực hiện dưới dạng mô hình thời gian thực chạy trực tiếp trên phần cứng do đó phần cứng này cần đảm bảo một số yêu cầu:

− Tốc độ xử lý nhanh: đảm bảo tính năng thời gian thực của quá trình mô phỏng đối tượng

− Có khả năng truyền thông, truy cập online để thay đổi các tham số khi đang thực hiện mô phỏng tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan

A/D D/A

D/A A/D

Controller

Trang 4

sát các trạng thái đang diễn biến trong quá

trình mô phỏng

Bộ điều khiển và mô hình của đối tượng được ghép

nối qua card AD/DA Card AD/DA phải có tốc độ

biến đổi và bộ nhớ đủ lớn để không ảnh hưởng tới

việc giao tiếp giữa bộ điều khiển và đối tượng điều

khiển Hình 5 giới thiệu sơ đồ ghép nối giữa bộ điều

khiển và mô hình của đối tượng qua card AD/DA

Kết quả cho thấy, với thuật toán điều khiển động cơ

tìm được, các động cơ khi hoạt động đã thỏa mãn

những yêu cầu đặt ra như: độ chính xác, độ quá điều

chỉnh, tốc độ đáp ứng

Lựa chọn thiết bị cho điều khiển robot Hexapod

Để đạt được tính đồng thời, phương án thiết bị phải

đảm bảo một số yêu cầu cơ bản: khả năng nhớ và

quản lý từng khâu động học độc lập Bộ điều khiển

theo kiểu này là một tập hợp các phần tử xử lý độc

lập liên lạc với nhau qua trao đổi thông tin

- Phương án tự thiết kế mạch dùng bộ vi xử lý

Mỗi bộ xử lý độc lập đóng vai trò là bộ ĐKTP sẽ

thực hiện các chỉ thị của chính nó và làm việc trên

một tập các dữ liệu riêng biệt Các bộ ĐKTP này sẽ

được ghép nối và giao tiếp với bộ ĐKPH (có thể là

một máy tính) thông qua các cổng vào ra

Phương án này có ưu điểm là gọn nhẹ nhưng khả

năng linh hoạt kém, tính phức tạp của hệ thống cao,

độ ổn định và độ chính xác khó đảm bảo bởi hoạt

động của robot cơ cấu song song rất phức tạp

- Phương án sử dụng PLC

PLC (Programable Logic Control) là thiết bị điều

khiển logic khả trình cho phép thực hiện các thuật

toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình,

thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch

điện tử PLC là một thiết bị điều khiển nhỏ gọn, có

thể thay đổi thuật toán một cách linh hoạt và đặc biệt

thuận lợi cho việc trao đổi thông tin do đây là một hệ

đã được chuẩn hóa Toàn bộ chương trình điều khiển

được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các

khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ

vòng quét Cấu trúc module được sử dụng để tăng

tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế [3]

Với những ưu điểm của mình, phương án sử dụng

PLC được chọn dùng để xây dựng hệ điều khiển cho

robot Hexapod

Độ dài của 6 chân quyết định vị trí của tấm trên

robot, và được điều khiển bởi 6 động cơ Động cơ

được chọn phải có khả năng hoạt động ở một dải tốc

độ rộng, có thể duy trì mô men xoắn thích hợp để

giữ tải tại một vị trí nhất định Với những tiêu chí

trên thì động cơ servo là một lựa chọn phù hợp cho

bài toán

Hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC

S7-300 của Siemens cùng với module chức năng điều

khiển động cơ FM357-2 và bộ khuếch đại công suất

SIMODRIVE 611 được chọn cho hệ điều khiển

robot Hexapod Sơ đồ hệ điều khiển này được đưa ra trên hình 6, [3]

Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot Hexapod

dùng PLC FM357-2 kết hợp với SIMODRIVE 611 tạo thành các bộ ĐKTP điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ theo như sơ đồ trên hình 6 Trong đó:

− Vòng điều khiển vị trí chân robot (hình 7) do module FM357-2 chịu trách nhiệm Tín hiệu phản hồi vị trí động cơ từ encoder được đưa về FM357-2, kết hợp với vị trí yêu cầu để đưa ra tốc độ yêu cầu (set point) cho bộ khuếch đại công suất Mỗi module FM357-2 chỉ điều khiển được tối đa 4 trục, do đó để điều khiển 6 chân robot, ta cần dùng 2 module này

− Bộ khuếch đại công suất SIMODRIVE 611

(KĐCS) đảm nhiệm việc điều khiển tốc độ Bộ KĐCS sẽ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ từ encoder so sánh với tốc độ yêu cầu nhận được

từ FM357-2 và đưa ra tín hiệu điều khiển động

cơ

Hình 7: Sơ đồ điều khiển vị trí.

Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển thực hiện nhiệm vụ phối hợp hoạt động của các chân robot, quản lý toàn bộ 6 chân để đạt được yêu cầu chung của hệ thống do CPU S7-300 thực hiện Như

Thiết bị lập trình (PC)

Bộ điều khiển trung tâm (PLC S7 - 300)

Bộ khuếch đại công suất (SIMODRIVE 611)

Động cơ

Module chức năng (FM 357 – 2)

Đặt tốc độ

ĐC Servo Encoder

Tốc độ thực Vòng ĐK tốc độ

Vị trí thực DAC

FM357-2

Trang 5

vậy CPU S7-300 sẽ đóng vai trò là bộ ĐKPH Và

như trên đã nói, thuật toán điều khiển ở phần này là

đặc biệt quan trọng, quyết định tới quỹ đạo chuyển

động của robot

3 Tính toán thông số điều khiển robot

Từ hình dạng của mỗi khuôn mẫu cần gia công, lập

quỹ đạo chuyển động của bàn gá phôi (tấm trên của

robot) trong không gian và rời rạc hóa quỹ đạo

chuyển động này Tại mỗi điểm, tiến hành giải bài

toán động học ngược để xác định tọa độ và hướng

của tấm trên Tiếp theo là tính độ dài của các chân

robot sao cho tấm trên của robot chuyển động theo

một quỹ đạo và hướng cho trước với vận tốc yêu cầu

(hình 8) Tất cả những công việc này được phần

mềm alaska đảm nhiệm, [5]

Hình 8: Sơ đồ thuật toán tính các thông số điều

khiển robot Việc rời rạc hóa quỹ đạo chuyển động của robot phải

dựa trên yêu cầu về chất lượng của khuôn mẫu cần

gia công, khả năng đáp ứng của hệ điều khiển

4 Thuật toán điều khiển

Độ dài tính được ứng với các điểm trên quỹ đạo làm

việc chính là dữ liệu đầu vào của bộ ĐKPH (PLC

S7-300) Trên cơ sở những dự liệu này Bộ ĐKPH sẽ

điều khiển lần lượt các bộ ĐKTP (FM 357-2) theo

thuật toán điều khiển được trình bày trong hình 9,

trong đó:

− n là số điểm rời rạc trên quỹ đạo làm việc

− k = 0 ÷ 5 là chỉ số của bộ ĐKTP

Hình 9: Thuật toán điều khiển cho bộ ĐKPH

Hình 10: Thuật toán điều khiển cho các bộ ĐKTP

Bắt đầu

Nhận giá trị vị trí yêu cầu từ ĐKPH

So sánh và đưa ra tốc độ yêu cầu cho động cơ

Nhận giá trị vị trí thực của động cơ

Kết thúc

Bắt đầu

i = 0

Xuất tham số điều khiển thứ i cho bộ ĐKTP thứ k

S

Kết thúc

i = i + 1

k = 0

i = n -1

Đ

k = 5

k = k + 1

S

Đ

Đưa robot về vị trí 0

Nhận dữ liệu về độ dài chân robot

Nhập dữ liệu về khuôn

mẫu cần gia công Đưa ra quỹ đạo chuyển động

Tính tọa độ và hướng của

tấm trên robot

Tính độ dài của các chân

Bắt đầu

Kết thúc Đưa ra dữ liệu về độ dài chân

và vận tốc dịch chuyển

Trang 6

Mỗi bộ ĐKTP sẽ nhận từ bộ ĐKPH tham số điều khiển là vị trí của động cơ tương ứng rồi so sánh với

vị trí thực tế để đưa ra tín hiệu điều khiển vị trí và tốc độ quay cho động cơ đó theo thuật toán được đưa ra trên hình 10

5 Kết luận

Bài báo đã đưa ra một giải pháp điều khiển robot Hexapod, từ lựa chọn phương án điều khiển, mô phỏng để tìm ra tham số cho bộ điều khiển đến lựa chọn thiết bị điều khiển Trong thời gian tới robot Hexapod này sẽ được chế tạo và đưa vào ứng dụng

cụ thể

Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên

6 Tài liệu tham khảo

[1] Institute of Mechatronics, Inc., Chemnitz:

alaska, version 3.0, User Manual, Simulation

Tool in Multibody System Dynamics 1998 [2] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật robot; NXB KH&KT,

2003

[3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước: Tự động hóa với SIMATIC S7-300; NXB KH&KT, 2000

[4] Siemens: FM357-2 manual, SIMODRIVE manual, Sinumerik & Simodrive

[5] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác; Báo cáo Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ

2, 5/2004, tp Hồ Chí Minh

Tiêu đề	Một giải pháp điều khiển robot cơ cấu song song
Tác giả	Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn
Chuyên ngành	Cơ điện tử
Thể loại	Bài báo khoa học
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	6
Dung lượng	350,76 KB