ROBOT GỠ XỈ HÀN_ WELDING SLAG REMOVING MOBILE ROBOT

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

392
lượt xem 158
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo đề nghị một phương pháp giản đơn dùng để gỡ xỉ hàn tự động. Hệ thống bao gồm một robot di động ba bánh xe và một dụng cụ để gỡ xỉ hàn ( tạm gọi là đĩa gỡ xỉ hàn). Robot di động được điều khiển bằng bộ điều khiển ổn định đơn giản dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng được dùng để kiểm chứng độ ổn định của bộ điều khiển...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ROBOT GỠ XỈ HÀN_ WELDING SLAG REMOVING MOBILE ROBOT

ROBOT Gì xØ hµn Welding Slag Removing Mobile Robot NguyÔn TÊn TiÕn*, Lª Hoµi Quèc* vµ Kim Sang Bong** *Khoa C¬ KhÝ, §¹i häc B¸ch khoa Tp HCM 268 Lý Th−êng KiÖt, Q. 10, Tp. HCM, ViÖt nam **Khoa Mechatronics, §¹i häc Quèc gia Pukyong, Pusan, Korea Tãm t¾t: Bµi b¸o ®Ò nghÞ mét ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n dïng ®Ó gì xØ hµn tù ®éng. HÖ thèng bao gåm mét robot di ®éng ba b¸nh xe vµ mét dông cô ®Ó gì xØ hµn (t¹m gäi lµ dÜa gì xØ hµn). Robot di ®éng ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng bé ®IÒu khiÓn æng ®Þnh ®¬n gi¶n dùa trªn tiªu chuÈn æn ®Þnh Lyapunov. KÕt qu¶ m« pháng ®−îc dïng ®Ó kiÓm chøng ®é æn ®Þnh cña bé ®Iòu khiÓn. ThÝ nghiÖm ®· ®−îc thùc hiÖn cho thÊy kh¶ n¨ng øng dông cña ph−¬ng ph¸p ®Ò nghÞ. Abstract: This paper proposes a simple method for welding slag removing. The system includes a three wheeled-mobile robot flatform and a tool for removing welding slag (namely, welding slag removing disk). A simple robust nonlinear controller design method based on Lyapunov stability for tracking trajectory and velocity of welding slag path is derived. The effectiveness of the proposed controller is shown through simulation and experimental results. Keyword: Robot gì xØ hµn (Welding Slag Removing Mobile Robot - WSRMR) 1. Giíi thiÖu Qu¸ tr×nh hµn ®−îc dïng réng r·i trong c¸c ngµnh c«ng nghiÖp, ®Æc biÖt lµ c«ng nghiÖp ®ãng tµu. V× m«i tr−êng hµn lµ mét m«i tr−êng ®éc h¹i nªn rÊt nhiÒu nghiªn cøu vÒ tù ®éng hãa qu¸ tr×nh hµn ®· ®−îc thùc hiÖn víi môc ®Ých n©ng cao chÊt l−îng hµn, n©ng cao n¨ng suÊt hµn vµ c¶i thiÖn ®iÒu kiÖn lao ®éng. Trong c«ng nghiÖp ®ãng tµu, c¸c kÕt cÊu hµn th−êng lµ nh÷ng tÊm thÐp ph¼ng liªn kÕt khèi hép víi nhau nªn ®©y lµ mét trong nh÷ng m«i tr−êng lý t−ëng ®Ó ¸p dông c¸c qu¸ tr×nh hµn tù ®éng. Santos[8], 2000, chÕ t¹o robot hµn bèn ch©n ROWER dïng ®Ó hµn c¸c kÕt cÊu thÐp trong x−ëng ®ãng tµu. ROWER ®· ®uîc øng dông thµnh c«ng trong thùc tÕ, tuy nhiªn gi¸ thµnh cña robot nµy rÊt cao. Theo h−íng ®¬n gi¶n vµ rÎ tiÒn, viÖc sö dông robot di ®éng hai b¸nh xe trong tù ®éng ho¸ qu¸ tr×nh hµn ®· ®−îc thùc hiÖn bëi Jeon[5,7], 2000-2001; Kam[6], 2001; NguyÔn[1,3], 2002. Sau qu¸ tr×nh hµn lµ c«ng viÖc c¹y xØ hµn, lµm s¹ch bÒ mÆt vµ s¬n. Cho ®Õn thêi ®iÓm hiÖn nay, trªn thÕ giíi, viÖc c¹y xØ hµn vÉn cßn ph¶i lµm b»ng tay. Bµi b¸o ®Ò nghÞ mét ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n ®Ó gì xØ hµn dïng robot di ®éng ba b¸nh xe. C¸c nghiªn cøu tr−íc ®©y cña chóng t«i[1-3] ®Ò cËp ®Õn vÊn ®Ò m« h×nh hãa, ®IÒu khiÓn robot hµn di ®éng hai b¸nh xe vµ ®· øng dông thµnh c«ng trong phßng thÝ nghiÖm. Tuy nhiªn ®Ó øng dông vµo thùc tÕ, cÇn cã sù c¶I tiÕn vÒ hÖ thèng ®ì cña robot. Trong robot di ®éng hai b¸nh xe, th©n robot ®−îc n©ng ®ì bëi hai b¸nh xe vµ hai biªn bi ®ì (ball transfer). Do ®ã robot tiÕp xóc víi mÆt ph¼ng nÒn qua bèn ®iÓm. Khi mÆt ph¼ng nÒn kh«ng hoµn toµn ph¼ng, robot cã thÓ kh«ng lµm viÖc ®−îc v× b¸nh xe kh«ng tiÕp xóc ®−îc víi mÆt nÒn. §iÒu nµy cã thÓ kh¾c phôc ®−îc khi dïng robot di ®éng ba b¸nh xe. Khi ®−îc trang bÞ thªm dông cô thÝch hîp, robot nµy cã thÓ dïng ®Ó gì xØ hµn hay lµm s¹ch bÒ mÆt hµn. 1. m« h×nh hãa hÖ thèng
WSRMR dïng trong bµi b¸o nµy gåm: 1 robot di ®éng ba b¸nh xe, trªn ®ã mang mét gi¸ ®ì cã thÓ chuyÓn ®éng theo hai ph−¬ng lªn xuèng vµ vµo ra, cïng mét dông cô gì xØ hµn. H×nh WSRMR cho ë h×nh H.1. H.1 Welding Slag Removing Mobile Robot (WSRMR) DÜa gë xØ hµn ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c gièng nh− m¸y nghiÒn bóa (H.2). Trong bµi b¸o nµy, dÜa ®−îc chÕ t¹o gåm 20 bóa nhá lµm b»ng thÐp t«i cøng ®−îc s¾p xen kÎ nhau trªn mét ®Üa quay vµ ®−îc dÉn ®éng b»ng mét ®éng c¬ riªng. Khi quay víi tèc ®é cao, c¸c bóa nµy tÝch tr÷ ®éng n¨ng vµ cã t¸c dông bÏ g·y xØ hµn khi va ®Ëp víi bÒ mÆt xØ. H.2 Welding Slag Removing Disk H×nh H.3 biÓu diÔn hÖ täa ®é Cartesian cña WSRMR vµ ®−êng hµn tham chiÕu mµ robot ph¶i theo sau. Gi¶ thiÕt c¸c b¸nh xe chØ quay, kh«ng tr−ît. Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña robot ®−îc biÕt ®Õn nh− sau  x  cos φ & 0  y  =  sin φ v &    0    ω (1) & φ   0    1    ë ®©y, O( x, y ) lµ täa ®é cña ®iÓm gi÷a cña hai b¸nh xe chñ ®éng, φ lµ gãc xoay cña ®Çu robot, v vµ ω lµ vËn tèc dµi vµ vËn tèc gãc cña robot t¹i ( x, y ) . Quan hÖ gi÷a v , ω vµ vËn tèc gãc cña hai b¸nh chñ ®éng ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau
ω rw  1 / r b / r  v ω  = 1 / r − b / r  ω  (2)  lw     y e3 reference welding path φr φ ( xr , yr ,φr ) R e2 e1 l ( xw , yw ,φw )W yw slag removing X Y b disk carrier yc r ω C r φ y v O 2r a xw x xc x H.3 HÖ täa ®é Cartesian cña WSRMR ë ®©y, ω rw , ω lw lµ vËn tèc gãc cña b¸nh xe ph¶I vµ b¸nh xe tr¸i, b lµ b¸n kho¶ng c¸ch hai t©m xe, r lµ ®−êng kÝnh b¸nh xe. Täa ®é ®iÓm tiÕp xóc gi÷a ®Üa gì xØ hµn vµ ®−êng hµn, W ( x w , y w ) , vµ gãc xoay cña robot, φ w , cã thÓ ®−îc suy ra tõ c«ng thøc sau  x w = x c − l sin φ   y w = y c + l cos φ (3) φ = φ  w Quan hÖ h×nh häc gi÷a O vµ C  x c = x + a cos φ  (4)  y c = y + a sin φ víi a = OC . Do ®ã ta cã  x w = v cos φ − aω sin φ − lω cos φ − l& sin φ &    y w = v sin φ + aω cos φ − lω sin φ + l& cos φ & (5) & φ w = ω  §iÓm R ( x w , y w ) di chuyÓn víi vËn tèc h»ng sè, vr ,trªn ®−êng hµn tham chiÕu tháa m¶n ph−¬ng tr×nh sau  x r = v r cos φ r &   y r = v r sin φ r & (6) & φ r = ω r
r víi φ r ®−îc ®Þnh nghÜa lµ gãc gi÷a vr vµ trôc x ; ω r lµ ®¹o hµm cña φ r theo thêi gian. 3. thiÕt kÕ bé ®IÒu khiÓn Môc tiªu ®Æt ra lµ thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn ®Ó diÓm W chuyÓn ®éng theo ®−êng hµn nh»m thùc hiÖn nhiÖm vô gì xØ hµn. Tõ h×nh H.3, ta cã thÓ ®Þnh nghÜa c¸c sai sè nh− sau  e1   cos φ sin φ 0  x r − x w  e  = − sin φ cos φ 0  y r − y w  (6)  2     e3   0    0 1 φ r − φ w    Bé ®IÒu khiÓn cã nhiÖm vô ®IÒu khiÓn c¸c sai sè ei → 0 khi t → ∞ . Ph−¬ng tr×nh (6) ®−îc viÕt l¹i nh− sau  e1   v r cos e3  − 1 & e2 + l  e  = v sin e − l& +  0 − e − a   v  &  2  r 3   1  ω  (7)  e3    &   ωr  0   −1     Chän hµm Lyapunov sau 1 2 1 2 1 2 V1 = e1 + e 2 + e3 ≥ 0 (8) 2 2 2 Suy ra & V1 = e1e1 + e2 e2 + e3e3 & & & (9) = e1 (−v + lω + vr cos e3 ) + e2 (vr sin e3 − l& − aω ) + e3 (−ω + ω r ) & §Ó V1 x¸c ®Þnh ©m, ta chän (v, ω ) nh− sau  v = l (ω r + k 3 e3 ) + v r cos e3 + k1 e1  (10) ω = ω r + k 3 e3 Gi¸ ®ì mang ®Üa gì xØ hµn chuyÓn ®éng ra vµo theo qui luËt l& = v r sin e3 + aω + k 2 e2 (11) Sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh (2), (10) vµ (11), ta cã thÓ tÝnh vËn tèc cÇn thiÕt cña hai b¸nh xe ω rw vµ ω lw . Tïy thuéc vµo t©m vËn tèc tøc thêi cña robot (H.4), b¸nh xe bÞ ®éng ph¶I ®−îc l¸I theo mét gãc α nh− sau
 bω 3 tan α = v wl v wr ≥ 0  v  (12) tan α = v 3 v wl v wr < 0   bω instantaneous center α α r r r ωwl vl ωwl x r v r r r r ω r vl ω v vr r vr x O 2r O 2r 2b 2b r r ωwr ωwr −x H.4 M« h×nh tÝnh gãc l¸i cho b¸nh bÞ ®éng 4. KÕt qu¶ m« pháng vµ thùc nghiÖm M« pháng vµ thÝ nghiÖm ®−îc thùc hiÖn víi c¸c sè liÖu cho ë b¶ng B.1. B.1 Th«ng sè dïng trong m« pháng vµ thùc nghiÖm Th«ng sè Gi¸ trÞ §¬n vÞ Th«ng sè Gi¸ trÞ §¬n vÞ a 0.089 m φ r (0) 30 ®é b 0.105 m xw(0) 0.110 m r 0.025 m yw(0) 0.390 m l(0) 0.240 m φ w ( 0) 45 ®é vr(0) 0 mm/s k1 1.60 xr(0) 0.110 m k2 0.80 yr(0) 0.410 m k3 0.34 VËn tèc gì xØ ë ®©y lÊy b»ng vËn tèc hµn, 7.5 mm/s. Bé vi xö lý 80C196KC ®−îc dïng trong m« h×nh thùc nghiÖm (H.9). KÕt qu¶ m« pháng cho ë h×nh H.5-8 vµ kÕt qu¶ gì xØ hµn cho ë h×nh H.10. 15 35 30 10 error e1 (mm) working point velocity vw error e2 (mm) 25 WSRMR velocity v Tracking Error ei Velocity (mm/s) 5 error e3 (deg) reference velocity vr 20 0 15 10 -5 5 -10 0 -15 -5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (s) Time (s) H.5Sai sè (tracking errors) H.6 VËn tèc ®iÓm lµm viÖc W
8 100 80 Steering wheel angular (deg) 6 Angular velocities of WMR 60 4 40 wheels (rpm) 20 2 0 0 left wheel -20 -2 right wheel -40 -60 -4 -80 -6 -100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (s) Time (s) H.7 VËn tèc gãc hai b¸nh xe chñ ®éng H.8 Gãc l¸i cña b¸nh bÞ ®éng α H.9. Bé ®IÒu khiÓn cho robot dïng vi xö lý 80C196KC H.10 Mét ®o¹n hµn sau khi gì xØ b»ng ph−¬ng ph¸p ®Ò nghÞ Tõ kÕt qu¶ trªn ®©y cã thÓ kÕt luËn nh− sau: - Sai sè (tracking errors) héi tô vÒ zero trong kho¶ng thíi gian kh¸ ng¾n nh− thÓ hiÖn trªn hÝnh H.5. Ta cã thÓ hiÖu chØnh c¸c th«ng sè k i cña bé ®iÒu khiÓn ®Ó ®¹t hiÖu qu¶ cña hÖ thèng nh− mong muèn. Trong ¸p dông thùc tÕ, sai sè e1 rÊt quan träng nªn k i ph¶i chän sao cho e1 héi tô vÒ zero nhanh nhÊt cã thÓ, cßn c¸c sai sè cßn l¹i cã thÓ dao ®éng trong kho¶ng cho phÐp. - VËn tèc gãc cña hai b¸nh xe (as control inputs to the system) thay ®æi trong ph¹m vi nhá (H.7). - Gãc l¸i cña b¸nh bÞ ®éng thay ®æi trong ph¹m vi chÊp nhËn ®−îc (H.8). - KÕt qu¶ ¸p dông trong thÝ nghiÖm (H.10) cho thÊy ph−¬ng ph¸p ®Ò nghÞ cã thÓ dïng ®Ó gì xØ hµn. Tuy nhiªn dÜa gì xØ hµn nªn phèi hîp víi bµnh c−íc s¾t vµ mét vßi hót ch©n kh«ng ®Ó lµm s¹ch mèi hµn.
Tõ nhËn xÐt trªn, t¸c gi¶ tin t−ëng r»ng ph−¬ng ph¸p gì xØ hµn dïng robot di ®éng nh− ®Ò nghÞ trong bµI b¸o nµy cã thÓ ¸p dông ®−îc trong thùc tÕ. 6. kÕt luËn Trong bµi b¸o nµy, m« h×nh robot di ®éng ba b¸nh xe ®−îc sö dông víi môc ®Ých kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña robot di ®«ng hai b¸nh xe. M« h×nh ®énh häc cña robot di ®éng ba b¸nh ®−îc x©y dùng vµ thÝch hîp trong tr−êng hîp nµy v× vËn tèc gì xØ hµn kh«ng lín. §Ó thiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn cho robot, cÊu h×nh sai sè ®−îc ®Ò nghÞ. Bé diÒu khiÓn ®−îc thiÕt kÕ dùa trªn c¬ së tiªu chuÈn æn ®Þnh Lyapunov. KÕt qu¶ m« pháng vµ thùc nghiÖm ®−îc dïng ®Ó chøng minh tÝnh kh¶ thi cña ph−¬ng ph¸p ®Ò nghÞ. 7. H−íng nghiªn cøu - Hoµn thiÖn m« h×nh trªn - Ph¸t triÓn bé ®iÒu khiÓn ®Ó cã thÓ gì xØ hµn cho biªn d¹ng cong bÊt kú. Tµi liÖu tham kh¶o [1] NguyÔn TÊn TiÕn vµ ®ång sù, ”Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot: Part I – Kinematic Model Approach”, Héi nghÞ Khoa häc vµ Kü thuËt lÇn thø 8, §¹i häc B¸ch khoa Tp. HCM, ViÖt nam, pp. 7-14, th¸ng T− 2002. [2] NguyÔn TÊn TiÕn vµ ®ång sù, ”Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot: Part II – Dynamic Model Approach”, Héi nghÞ Khoa häc vµ Kü thuËt lÇn thø 8, §¹i häc B¸ch khoa Tp. HCM, ViÖt nam,, pp. 15-22, th¸ng T− 2002. [3] T.T. Nguyen, T.L. Chung, T.H. Bui, and S.B. Kim, ”A Simple Nonlinear Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, Korean Transaction on Control, Automation and Systems Engineering, (code: 02-02-E04, accepted to publish). [4] T.L. Chung, T.T. Nguyen, J.H. Suh and S.B. Kim, ”Control of Two-Wheeled Mobile Robot Tracking Complicated Curvature Wall”, Proc. of the 2002 Spring Conf. of the Korean Society for Power System Engineering, Cheju Island, Korea, pp. 196-202, May 10-11, 2002. [5] Y.B. Jeon, S.S. Park and S.B. Kim, ”Modeling and Motion Control of Mobile Robot for Lattice Type of Welding Line”, KSME International Journal, Vol. 16, No. 1, pp. 83-93, 2002. [6] B.O. Kam, Y.B. Jeon and S.B. Kim, ”Motion Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot with Seam Tracking Sensor”, Proc. of the 6th IEEE Int. Symposium on Industrial Electronics, Korea, Vol. 2, pp. 851-856, June 12-16, 2001. [7] Y.B. Jeon, B.O. Kam, S.S. Park and S.B. Kim, ”Seam Tracking and Welding Speed Control of Mobile Robot for Lattice Type of Welding”, Proc. of the 6th IEEE Int. Symposium on Industrial Electronics, Korea, Vol. 2, pp. 857-862, June 12-16, 2001. [8] P. Gonzalez De Santos, M.A. Armada and M.A. Jimenez, “Ship Building with ROWER”, IEEE Robotics & Automation Magazine, pp. 35-43, Dec. 2000. [9] N. Sarkar, X. Yun and V. Kumar, “Control of Mechanical Systems With Rolling Constrains: Application to Dynamic Control of Mobile Robots”, The Int. Journal of Robotics Research, Vol. 13, No. 1, pp. 55-69, Feb. 1994.