Lịch sử phát triển robot
Từ "Robot" đã xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử, cụ thể là vào năm 1921, khi nhà viết kịch người Séc Karel Čapek sáng tác vở kịch mang tên R.U.R (Rossums Universal Robot) Vở kịch này mô tả cuộc nổi loạn của những cỗ máy phục vụ, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong nhận thức về robot.
Từ "Robot" đề cập đến những máy móc có khả năng thực hiện công việc giống như con người Điều này mở ra cơ hội cho các nhà sáng chế kỹ thuật hiện thực hóa những ước mơ về những cỗ máy có thể bắt chước các thao tác lao động của con người.
Sau này, các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) được phát triển và hoàn thiện hơn Teleoperator là những thiết bị phỏng sinh học, bao gồm các khâu, khớp và dây chằng, kết nối với hệ điều hành của người điều khiển thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí.
Teleoperator có khả năng cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển và xoay lật các đối tượng trong một không gian nhất định Mặc dù các thao tác của nó khá tinh vi và khéo léo, nhưng tốc độ hoạt động còn chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển chủ yếu dựa vào cơ khí.
Từ những năm 1950, sự tiến bộ trong kỹ thuật điều khiển theo chương trình số cứng và ngành vật liệu mới đã tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của các cơ cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ thống điện toán (computation).
Ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical Control) với các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) đã nhanh chóng được hình thành và nghiên cứu Sự kết hợp giữa tính linh hoạt của Teleoperator và độ thông minh của hệ điều khiển NC đã tạo ra một hệ máy móc tự động tiên tiến, được gọi là “Robot”.
Năm 1961, robot công nghiệp đầu tiên được ra mắt, đánh dấu sự khởi đầu của ngành công nghiệp robot Sau đó, nhiều quốc gia như Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật Bản (1968) và Đức (1971) cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo bản quyền.
Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có
Số lượng robot công nghiệp đã tăng nhanh chóng nhờ vào việc áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực vi xử lý, tin học và vật liệu mới Tại các nước Tây Âu, tỷ lệ sử dụng robot công nghiệp đạt 90%, trong khi ở Mỹ con số này là 30% Sự phát triển này không chỉ giúp giảm giá thành mà còn cải thiện đáng kể tính năng của robot.
Robot công nghiệp thể hiện ưu thế vượt trội trong các lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ và các hệ thống tự động điều khiển liên hợp Những ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.
Một số khái niệm định nghĩa về Robot
Định nghĩa theo từ điển New World College:
Robot là một cấu trúc cơ khí có hình dạng đa dạng, được thiết kế để thực hiện các công việc thủ công thay thế cho con người Định nghĩa này được đưa ra bởi Hiệp hội Robot Công nghiệp Nhật Bản.
Robot là một máy hoặc cơ cấu bao gồm nhiều phân đoạn liên kết với nhau qua các khớp quay hoặc khớp trượt, nhằm mục đích gắp hoặc di chuyển các đối tượng và thường có nhiều bậc tự do Chúng có thể được điều khiển bởi nguồn kích hoạt, hệ thống điều khiển điện tử lập trình được hoặc một hệ thống logic nhất định, theo định nghĩa của chuẩn AFNOR (Pháp).
Robot là một thiết bị tự động có thể lập trình, thực hiện các chương trình lặp lại và tổng hợp các chương trình trong các trục tọa độ Nó có khả năng định vị, định hướng và di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết và dụng cụ gá lắp, theo nhiều công nghệ khác nhau Định nghĩa này được đưa ra bởi Hiệp hội Robot Công nghiệp Hoa Kỳ.
Robot là thiết bị tay máy đa năng có khả năng lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, linh kiện và dụng cụ thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động nhằm thực hiện nhiều tác vụ khác nhau, theo định nghĩa của Hiệp hội Robot Anh.
Robot công nghiệp là thiết bị lập trình được, chuyên thực hiện nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển linh kiện, dụng cụ hoặc công cụ chế tạo Thiết bị này có khả năng thay đổi chương trình hoạt động để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau, theo định nghĩa của GOST (Nga).
Robot là một thiết bị tự động kết nối giữa tay máy và hệ thống điều khiển lập trình, thực hiện quy trình công nghệ một cách chủ động Robot có khả năng thay thế các chức năng tương tự của con người trong nhiều lĩnh vực.
Robot không thể tự mình tạo ra cuộc cách mạng tự động hóa công nghiệp; nó cần phải được kết nối chặt chẽ với máy móc và các thiết bị tự động khác trong một hệ thống liên hoàn.
Vì vậy trong quá trình phân tích thiết kế phải xem robot là một đơn vị cấu trúc của “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá”
Theo đó robot phải đảm bảo có:
- Thủ pháp cầm nắm chuyển đổi tối ưu
- Trình độ hành nghề khôn khéo linh hoạt
- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc môđun hoá.
Phân loại Robot
Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kĩ thuật khác nhau Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:
Phân loại theo số bậc tự do:
Một robot lý tưởng cần có 6 bậc tự do để cầm nắm một đối tượng tự do trong không gian ba chiều Robot được gọi là robot tổng quát (General Purpose Robot) nếu có đủ 6 bậc tự do Nếu robot có nhiều hơn 6 bậc tự do, nó được gọi là robot dư (Redundant Robot), trong khi robot có ít hơn 6 bậc tự do sẽ được gọi là robot thiếu.
Phân loại robot theo cấu trúc động học:
Robot được phân loại thành ba loại dựa trên cấu trúc động học của chúng: robot chuỗi hở, có cấu trúc dạng chuỗi động hở; robot song song, với cấu trúc dạng chuỗi đóng; và robot hỗn hợp, bao gồm cả hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng.
Robot song song mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng tải trọng cao hơn Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như không gian làm việc hạn chế và cấu trúc tương đối phức tạp.
Phân loại theo hệ thống truyền động:
Hệ truyền động gián tiếp kết nối các cơ cấu chấp hành với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động cơ khí phổ biến như hệ thống bánh răng thường, bánh răng hành tinh, bánh răng song, dây đai và bộ truyền xích.
Hệ thống này có nhược điểm là mòn, gây ra khe hở động học, dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ gia tăng Đồng thời, hiệu suất cũng sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ truyền.
Hệ truyền động trực tiếp:
Cơ cấu chấp hành được kết nối trực tiếp với nguồn động lực, giúp cấu trúc trở nên gọn nhẹ và hạn chế nhược điểm của các hệ thống truyền động gián tiếp.
Để đáp ứng các yêu cầu hiện tại, việc thiết kế và chế tạo động cơ với số vòng quay phù hợp là rất quan trọng, đồng thời cần phải cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.
Phân loại theo phương pháp điều khiển:
Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển của qui tắc điều khiển cơ bản:
- Điều khiển quĩ đạo liên tục
Trong hoạt động của robot, việc phân loại theo độ chính xác là rất quan trọng, bao gồm độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại Điều này giúp đánh giá mức độ tin cậy của robot trong mỗi chu kỳ làm việc.
Để đánh giá trên một miền kích thước hoặc một phạm vi chức năng rộng hơn, người ta sử dụng độ chính xác phân giải nhằm đo lường mức độ chính xác trong các miền phân giải khác nhau.
Ứng dụng của robot công nghiệp
Robot công nghiệp nổi bật với khả năng tích hợp linh hoạt các công việc phụ và chính trong quy trình sản xuất, tạo nên dây chuyền tự động hiệu quả So với các phương tiện tự động hóa khác, dây chuyền sử dụng robot mang lại nhiều lợi ích, như dễ dàng điều chỉnh chương trình làm việc, khả năng thiết lập dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và khả năng tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất.
Việc áp dụng robot trong các dây chuyền tự động giúp rút ngắn thời gian chuẩn bị kỹ thuật Điều này rất quan trọng vì từ khi quyết định phương án đến khi hoàn thành thiết kế dây chuyền máy tự động, sản phẩm hoặc quy trình công nghệ có thể nhanh chóng trở nên lỗi thời.
Theo nghiên cứu của các chuyên gia Mỹ, hơn một nửa trong số 70 đề án thiết kế khảo sát yêu cầu sử dụng máy tự động chuyên dụng mất hơn một năm để hoàn thành Do đó, việc áp dụng robot Unimate cùng với các máy tự động vạn năng đã được triển khai và mang lại hiệu quả lớn.
Robot công nghiệp có khả năng thực hiện quy trình thao tác một cách hợp lý, thậm chí vượt trội hơn so với người thợ lành nghề, với độ ổn định cao trong suốt thời gian làm việc Nhờ vào đó, robot công nghiệp không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn gia tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Việc ứng dụng robot trong sản xuất giúp giảm đáng kể chi phí lao động, từ đó giảm giá thành sản phẩm Đồng thời, robot cũng nâng cao năng suất của dây chuyền công nghệ Điều này là do việc tăng nhịp độ sản xuất khiến con người khó theo kịp và dễ bị mệt mỏi, trong khi robot có khả năng làm việc liên tục và hiệu quả hơn.
Robot có khả năng cải thiện điều kiện lao động, đây là một trong những ưu điểm quan trọng nhất mà chúng ta cần chú ý Trong thực tế sản xuất, nhiều người lao động phải làm việc trong môi trường độc hại cho sức khỏe hoặc có nguy cơ cao xảy ra tai nạn lao động.
Robot SCARA
Robot Scara, hay còn gọi là tay máy lắp ráp chọn lọc, là một trong những loại robot phổ biến nhất trong ngành công nghiệp Với chuyển động đơn giản, robot này rất phù hợp cho các dây chuyền sản xuất và ứng dụng hiệu quả trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm.
Cấu trúc động học của tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, với các trục quay và khớp thẳng đứng Tay máy có hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp tịnh tiến Các khớp quay được điều khiển bởi động cơ điện với phản hồi vị trí, trong khi khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.
Mô hình robot scara tại phòng thí nghiệm
Robot scara tại phòng thí nghiệm là robot serpent với tình trang hiện tại:
- Phần kết cấu cơ khi gần như hỏng hoàn toàn và rỉ sét
- Phần mạch điều khiển hỏng hoàn toàn và phải thay thế
- Robot không thể hoạt động được
- Có thể tận dụng được phần khung của robot
Với những điều kiện thực tế như vậy nên nhiệm vụ được giao của nhóm đồ án là:
- Bảo dưỡng và phục hồi lại phần cơ khí của robot
Thiết kế và xây dựng lại các mạch điều khiển tốc độ và vị trí cho từng khớp sử dụng phương pháp điều khiển số với vi điều khiển nhằm phục vụ cho việc điều khiển thử nghiệm Qua đó, có thể phát triển hệ điều khiển số cho robot một cách hiệu quả hơn.
Động học robot
Trong bài toán động học thuận, chúng ta xác định hướng của bàn kẹp trong hệ tọa độ gắn với giá đỡ của robot công nghiệp dựa trên một vector chứa các biến khớp của robot.
Cơ cấu chấp hành của robot là một hệ thống hở, bao gồm chuỗi các khâu kết nối bằng khớp, cho phép robot thao tác linh hoạt Để đạt được điều này, khâu cuối cùng cần có khả năng di chuyển theo một quỹ đạo cụ thể và định hướng chính xác Khâu cuối thường là bàn kẹp hoặc khâu gắp, gắn liền với dụng cụ làm việc Điểm tác động cuối cùng là yếu tố quan trọng, vì vậy cần chú ý đến vị trí và hướng của khâu cuối trong không gian làm việc của robot.
Để khảo sát chuyển động của robot, cần gắn hệ tọa độ động thứ n vào điểm tác động cuối và thiết lập các hệ tọa độ khác cho từng khâu động, đồng thời gắn một hệ tọa độ cố định lên giá đỡ Các hệ tọa độ này được đánh số từ 0 đến n, bắt đầu từ giá cố định Việc xác định vị trí và định hướng của điểm tác động cuối là rất quan trọng, bên cạnh đó còn cần biết vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cũng như các điểm khác của robot Đây là những yếu tố cốt lõi trong bài toán động học robot, được xây dựng dựa trên các mối quan hệ tọa độ động so với hệ tọa độ cố định.
Với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với khâu làm việc.
Ta có ma trận chỉ hướng và vị trí của khâu tác động cuối được viết như sau:
Bài toán động học thuận nhằm xác định các tham số nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz dựa vào các biến khớp Bằng cách so sánh các phần tử của hai ma trận 0 Tn và TE, chúng ta có thể tìm ra các giá trị này từ phương trình (2.1) 0 Tn = TE.
Bài toán động học ngược của robot rất quan trọng vì nó cung cấp cơ sở cho việc xây dựng chương trình điều khiển chuyển động theo quỹ đạo đã định Các giải pháp hiện có chủ yếu chỉ áp dụng cho những trường hợp cụ thể, tận dụng các đặc điểm động học riêng biệt để thiết lập các mối quan hệ cần thiết cho việc tìm ra lời giải.
Xuất phát từ phương trình động học cơ bản ta có:
Hai ma trận trong phương trình đều là ma trận thuần nhất 4x4, từ đó dẫn đến việc so sánh các phần tử tương ứng và tạo ra 6 phương trình độc lập Có hai phương pháp để giải bài toán động học ngược này.
Cách 1:Ta có thể viết:
Đối với công thức Tn = T1 i Tn (2.4) với i = 1…n, mỗi giá trị i sẽ tạo ra 6 phương trình độc lập khi so sánh các phần tử tương ứng của hai ma trận trong biểu thức trên, từ đó giúp xác định biến khớp qi (i = 1…n).
Cách 2: Từ hệ phương trình (2.3) ta có thể xác định sáu phương trình độc lập để xác định các biến khớp qi (i=1…n)
Từ (2.3) ta có các phương trình độc lập:
(2.5) Tùy theo cấu trúc của robot mà ta xác định 3 phương trình còn lại:
Giải bài toán động học ngược của cơ cấu robot rất phức tạp và chưa có thuật giải tổng quát Để đơn giản hóa tính toán, người ta thường sử dụng một số tính chất của các cơ cấu cụ thể, như đặc điểm hình học và ràng buộc biến khớp Phương pháp giải tích thông thường gặp nhiều khó khăn và đôi khi không khả thi, do đó, phương pháp số được áp dụng để giải quyết bài toán động học ngược của robot.
Khi giải bài toán động học ngược, ta thường nhận được nhiều nghiệm khác nhau Vấn đề đặt ra là lựa chọn nghiệm tối ưu trong số đó Để giải quyết, cần thực hiện tối ưu hóa các thí nghiệm dựa trên các tiêu chí như thời gian điều khiển và năng lượng tiêu thụ.
Động lực học robot
Trong lĩnh vực động học, chúng ta đã xác định được vị trí, động học vi sai, cấu trúc hình học và các chuyển động của robot Tuy nhiên, chưa xem xét đến các lực tác động gây ra các chuyển động này Khi di chuyển, robot sẽ tiếp xúc với môi trường và tạo ra lực cần thiết để thực hiện công việc, chẳng hạn như robot SCARA gắp một chi tiết đến vị trí định sẵn theo yêu cầu.
Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể theo quan hệ sau:
∑ = (2.7) Tương tự moomen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thê là
Để robot di chuyển tịnh tuyến hoặc quay, cần một lực hoặc mô-men đủ lớn từ cơ cấu chấp hành Mối quan hệ giữa lực, mô-men và các yếu tố như vị trí, tốc độ, gia tốc được thể hiện trong phương trình động lực học Trong đó, lực và mô-men đóng vai trò là tín hiệu đầu vào Dựa vào phương trình này, chúng ta có thể tính toán lực và mô-men cần thiết để robot đạt được tốc độ và gia tốc mong muốn Ngoài ra, phương trình động lực học cũng giúp đánh giá ảnh hưởng của khối lượng tải đến thiết kế hệ thống điều khiển robot Để xây dựng phương trình động lực học cho robot, chúng ta áp dụng các công thức liên quan.
Lagrange Quá trình tiến hành theo 5 bước:
- Tính tốc độ của điểm bất kỳ trên thanh nối
- Tính momen và lực của các khớp
2.2.1 Phương trình động lực học robot
Từ phương trình Lagrange bậc hai: ả ả ̇ − ả ả = ( = 1,2,3,4) (2.9) Trong đó:
- K và P là động năng và thế năng của hệ
- là lực động hình thành trong khớp động thứ i
- là biến khớp ̇ là đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian
Giải phương trình (2.9) ta sẽ tìm được lực động sinh ra khi robot chuyển động Động năng:
- Ki là động năng của khâu thứ i (i = 1,2,3,4)
- dKi là động năng của một chất điểm khối lượng dm thuộc khâu i
- rii là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ tọa độ thứ
- roi là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ tọa độ cơ bản : roi = (xo,yo,zo,1) T Ta có:
TrA = ∑ ; = (2.11) Đối với khớp quay:
(2.12) Đối với khớp tịnh tiến:
Với: ∫ là ma trận quán tính Ji của khâu i:
Vì động năng của robot bằng tổng đại số động năng của các khâu trên:
Thế năng Pi của khâu i:
= − = − ( ) ( = 1,2,3,4) (2.17) Với g là vecto gia tốc trọng trường: g=(0,0,-g,0)
Suy ra thế năng của cơ cấu robot:
Phương trình động lực học cơ cấu robot SCARA
Thay (2.9) và (2.11) vào (2.6) ta được:
( ) là vec tơ (4x1) lực động tạo nên ở 4 khớp động:
( ) = [ ( ), ( ), ( ), ( )] T (2.21) ( ) là vec tơ (4x1) biến khớp:
( ) = [ ( ), ( ), ( ), ( )] T (2.22) ̇ ( ) là vecto (4x1) tốc độ thay đổi của biến khớp: ̇ ( ) = [ ̇ ( ), ̇ ( ), ̇ ( ), ̇ ( )] T (2.23) ̈ ( ) là vecto (4x1) gia tốc của biến khớp: ̈ ( ) = [ ̈ ( ), ̈ ( ), ̈ ( ), ̈ ( )] T (2.24) D(q) là ma trân (4x4) có các phần tử Dik như nhau:
ℎ( , ̇ ) là vecto (4x1) lực ly tâm và Coriolit
( ) là vecto (4x1) lực trọng trường
Từ (2.27), (2.28), (2.29) và (2.30) ta thiết lập đựơc phương trình động lực học của cơ cấu robot SCARA.
Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot
Hệ thống điều khiển của robot đảm bảo tay robot di chuyển theo quỹ đạo đã định trong không gian làm việc, nhờ vào các hệ thống truyền động khớp robot Có hai loại hệ thống điều khiển chuyển động: điều khiển ở không gian khớp và điều khiển ở không gian làm việc Trong hệ thống điều khiển khớp, đại lượng điều khiển là vị trí của khớp robot, bao gồm góc quay cho khớp quay và độ dịch chuyển thẳng cho khớp tịnh tiến Bộ điều khiển được thiết kế để duy trì vị trí khớp theo đúng yêu cầu, với sai lệch vị trí khớp được giảm thiểu đến mức tối thiểu Vị trí khớp được xác định thông qua tính toán động học ngược từ vị trí tay robot trong không gian làm việc.
Phương pháp điều khiển ở không gian khớp có ưu điểm là cho phép bộ điều khiển tác động trực tiếp lên hệ thống truyền động của khớp Tuy nhiên, hệ thống này gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác vị trí của tay robot khi có sai lệch cơ khí hoặc thiếu thông tin về vị trí giữa tay robot và đối tượng Ngược lại, hệ thống điều khiển không gian làm việc duy trì sai lệch vị trí của tay robot trong không gian làm việc bằng không Lượng đặt của hệ thống là vị trí mong muốn của tay trong không gian làm việc và lượng phản hồi là vị trí thực tế của tay Phân đoạn tính toán động học ngược được tích hợp trong mạch vòng điều khiển phản hồi.
Hệ thống điều khiển không gian làm việc có ưu điểm là tác động trực tiếp đến các biến trong không gian làm việc Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là khối lượng tính toán cao, do cần thực hiện tính toán động học ngược trong mạch vòng điều khiển.
2.3.1 Hệ thống điều khiển độc lập các khớp a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm ba mạch vòng điều chỉnh cho gia tốc, tốc độ và vị trí, với ba bộ điều khiển tương ứng là Ra(p), Rw(p) và Rp(p) Bộ điều khiển mạch vòng trong cùng Ra(p) sử dụng cấu trúc tỷ lệ - tích phân (PI) để đảm bảo sai lệch tĩnh bằng không, trong khi các bộ điều khiển vòng ngoài có thể áp dụng cấu trúc tỷ lệ (P) Các hệ số Ka, Kw và Kp đại diện cho hệ số phản hồi của gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.
Cấu trúc các bộ điều khiển có dạng:
Rp(p) = KRp, Rw(p) = KRw, Ra = (2.31)
Phương pháp điều khiển phản hồi áp dụng cho mô hình hệ thống lý tưởng, bỏ qua các hằng số thời gian của động cơ và bộ biến đổi, cũng như tính đàn hồi của bộ truyền lực Để đạt hiệu quả, hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với thực tế do chất lượng hệ thống bị suy giảm bởi đặc tính động học của hệ thống cơ điện.
Phương pháp này không đáp ứng được độ chính xác với gia tốc và tốc độ khớp cao b) Hệ thống điều khiển tiền định
Hệ thống điều khiển tiền định gồm 3 vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị trí khớp
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định Hàm truyền hệ thống kín có dạng:
Hệ thống điều khiển bù tiền định giúp giảm sai số vị trí với chỉ một tham số KD Độ chính xác trong việc bám quỹ đạo đạt được khi các tham số của bộ điều khiển và khâu bù tiền định khớp với tham số của đối tượng Sai lệch về tham số sẽ làm giảm độ chính xác bám quỹ đạo Các khâu bão hòa trong hệ thống điều khiển hạn chế các đại lượng như tốc độ, gia tốc và điện áp động cơ trong quá trình quá độ Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tiền định cơ bản, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ hệ thống điều khiển PIDD 2, một dạng hệ thống điều khiển tiêu chuẩn trong công nghiệp.
2.3.2 Hệ thống điều khiển tập trung a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển này có khả năng bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành, với chức năng chính là tạo ra momen cần thiết để điều khiển khớp robot, đảm bảo rằng khớp robot luôn duy trì vị trí đã định.
Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD
Hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc PD đơn giản được thiết kế để bù hoàn toàn momen trọng lực G(p) Tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí thực của khớp q, và sai lệch này được khuếch đại bằng hệ số Kp Tín hiệu ra từ khâu tỷ lệ được cộng với tín hiệu tỷ lệ tốc độ của khớp, sau đó được gửi đến cơ cấu chấp hành của robot Một dạng hệ thống điều khiển khác bổ sung thêm tín hiệu đặt tốc độ và sai lệch tốc độ vào khâu khuếch đại KD, giúp hệ thống ổn định toàn cục Để nâng cao độ chính xác, cần tăng hệ số Kp, tuy nhiên, Kp và KD lớn có thể làm giảm độ ổn định và chất lượng quá độ Sự ảnh hưởng của momen trọng lực cũng làm giảm chất lượng hệ thống Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển PD, việc sử dụng bộ điều khiển PID là cần thiết.
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ b) Hệ thống điều khiển momen tính toán
Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển này là lựa chọn luật điều khiển nhằm khử các thành phần phi tuyến trong phương trình động lực học của robot và phân ly đặc tính động lực học của các thanh nối Kết quả là một hệ thống tuyến tính, dễ dàng thiết kế theo các phương pháp kinh điển, đảm bảo độ chính xác yêu cầu Phương trình mô tả bộ điều khiển moment được tính toán như sau:
Phương pháp này yêu cầu phải có đầy đủ và chính xác các thông số cũng như đặc tính động lực học của robot, tuy nhiên nhược điểm là các thông số này có thể thay đổi trong quá trình hoạt động Để loại bỏ hoàn toàn các thành phần phi tuyến và phân ly động lực học của các khớp, cần phải ước lượng chính xác các thông số của robot trong suốt quá trình làm việc.
Thuật toán tính toán luật điều khiển momen tính toán sẽ liên quan đến các phép toán trung gian nên khối lượng tính toán sẽ lớn
Vì vậy phương pháp này sẽ khó áp dụng được trong các robot công nghiệp
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiền momen tính toán c) Hệ thống điều khiển bù trọng lực với bộ điều khiển PD
Mục tiêu của phương pháp này là xác định cấu trúc bộ điều khiển nhằm đảm bảo hệ thống luôn ổn định xung quanh điểm cân bằng, bất chấp khối lượng của các thanh nối và tải Luật điều khiển được thiết lập dựa trên tiêu chuẩn ổn định Liapunov trực tiếp.
Mức độ ổn định và chất lượng quá trình động phụ thuộc vào giá trị Kp và KD
Hệ thống điều khiển bù trọng lực với cấu trúc PD gặp phải vấn đề về chất lượng quá trình quá độ, dẫn đến hiệu quả thấp khi áp dụng vào robot công nghiệp.
Kết luận Đối với hệ thống điều khiển độc lập các khớp:
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi chỉ phù hợp trong các trường hợp lý tưởng Khi áp dụng vào robot thực tế, chất lượng điều khiển sẽ giảm và không đạt yêu cầu.
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển tiền định giúp khắc phục nhược điểm về độ chính xác so với hệ thống điều khiển phản hồi, cho phép đạt được độ chính xác di chuyển cao với gia tốc và tốc độ khớp cao Nhờ đó, hệ thống điều khiển PIDD 2 đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp.
- Với phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi sử dụng bộ điều khiển PID sẽ đáp ứng được độ chính xác cao của hệ thống
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển bằng momen tính toán có độ phức tạp cao trong việc ước lượng thông số và tính toán, dẫn đến hiệu quả không đạt yêu cầu Do đó, phương pháp này hạn chế được áp dụng trong ngành công nghiệp.
- Với phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển bù trọng lực với bộ điều khiển
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN
Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mô hình hóa
Để xây dựng mạch vòng tốc độ, trước tiên cần tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn modul tối ưu Sau khi có thông số mô phỏng, chúng ta tiến hành xây dựng mạch điều khiển cho vòng tốc độ.
Hình 3.2 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Rϕ BBĐ Đo dòng Đo tốc độ Đo vị trí ĐộngCơ Encoder SET
R : Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng
Ru: Điện trở phần ứng
J: Moment quán tính của động cơ
Ti = R.C: Hằng số thời gian của mạch RC
Tv: Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu
Hình 3.3 Sơ đồ thu gọn của vòng điều chỉnh dòng điện
Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
(3.1) Thay Tsi = Ti + Tv
