zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Tự động hoá

Bài giảng Robot công nghiệp: Chương 4 - Nhữ Quý Thơ (ĐH Công nghiệp Hà Nội)

Chia sẻ: Nguyen Van Tien | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:32

Báo xấu

205
lượt xem 55
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 4 - Cơ sở điều khiển robot của Bài giảng Robot công nghiệp có nội dung phân tích cơ sở lý thuyết điều khiển robot công nghiệp, giải quyết bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot công nghiệp trong không gian khớp và không gian công tác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Robot công nghiệp: Chương 4 - Nhữ Quý Thơ (ĐH Công nghiệp Hà Nội)

Robot công nghiệp Handout for mechatronics class 2011 © Giảng viên: Nhữ Quý Thơ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa cơ khí – Bộ môn Cơ điện tử Phone: 04.37655121(Ext 324) Mobile: 0947593636 Email: nhuquytho@haui.edu.vn Homepage: www.haui.edu.vn Copyright NhuQuyTho 2011 1
Chương 4 Cơ sở điều khiển robot Phân tích cơ sở lý thuyết điều khiển robot công nghiệp, giải quyết bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot công nghiệp trong không gian khớp và không gian công tác. Copyright NhuQuyTho 2011 2
Nội dung chính của điều khiển robot liên quan tới những vấn đề sau: Quan hệ giữa quỹ đạo hoạt động của phần công tác với các thông số động học, động lực học của tay máy. Luật, phương pháp điều khiển và cấu trúc của hệ điều khiển. Các cơ cấu của hệ thống điều khiển như cơ cấu phát động, cảm biến, bộ điều khiển, cùng các cơ cấu chuyển đổi và truyền tín hiệu giữa chúng. Lập trình cho robot. Copyright NhuQuyTho 2011 3
4.1. Thiết kế quỹ đạo Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định. Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot. Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển.  Phân biệt hai thuật ngữ đường dịch chuyển hàm ý chỉ tập hợp các điểm trong không gian mà khâu cần điều khiển phải đi qua trong quá trình làm việc, nó chứa đựng các yếu tố hình học thuần túy.  Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt là quỹ đạo bao gồm cả yếu tố hình học của đường dịch chuyển lẫn yếu tố thời gian thực hiện chuyển động đó như vận tốc, gia tốc. Vì vậy bài toán thiết kế quỹ đạo liên quan đến các vấn đề động học và động lực học.  Các yếu tố đầu vào của bài toán bao gồm đường dịch chuyển và Copyright NhuQuyTho 2011 4
4.1. Thiết kế quỹ đạo  Các yếu tố đầu ra là quỹ đạo của phần công tác. Nói chung, mô tả chính xác đường dịch chuyển là rất khó khăn. Người ta giảm bớt các tham số bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt động, thêm các điểm trung gian mà đường phải đi qua, sau đó xấp xỉ (nội suy) bằng các đường đơn giản. tương tự như vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định cho từng điểm mà thường quy định cho cả đoạn đường. Chúng cũng thường được quy định bằng các giá trị giới hạn như vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép, hoặc gán bằng các giá trị mặc định.  Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra trong cả không gian khớp lẫn vùng hoạt động. Các ràng buộc về đường dịch chuyển thuần túy các yếu tố hình học thường đựơc mô tả trong vùng hoạt động. Ngược lại lực chuyển động của hệ thống thường xuất phát từ các khớp, nên việc điều khiển các động cơ dẫn động đòi hỏi xác định quy luật biến thiên theo thời gian của các biến khớp, việc này thực hiện trong không gian khớp. Copyright NhuQuyTho 2011 5
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp  Chuyển động của tay máy thường được mô tả trong vùng làm việc bằng các điểm nút (gồm điểm đầu, điểm cuối, và có thể có một số điểm trung gian) và thời gian chuyển động. Vì vậy, để thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp phải giải bài toán ngược động học để xác định giá trị các biến khớp tại các điểm nút. Sau đó thiết lập các hàm nội suy q(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhận được.  Thuật toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp yêu cầu: + Không đòi hỏi tính toán quá nhiều; + Vị trí, vận tốc, có thể cả gia tốc của các khớp phải được biểu diễn bằng các hàm liên tục; + Giảm thiểu các hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo không trơn. Copyright NhuQuyTho 2011 6
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp • 4.1.1.1. Chuyển động điểm điểm: • Chuyển động điểm điểm sử dụng cho 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 các tọa độ điểm đầu, điểm cuối của đường dịch chuyển và thời gian chuyển động giữa các điểm đó chứ không quan tâm đến dạng hình học của đường dịch chuyển. Nhiệm vụ đặt ra là xác định quỹ đạo chuyển động thỏa mãn các yêu cầu chung và có thể thêm cả một số tiêu chí tối ưu nào đó. • Copyright NhuQuyTho 2011 7
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp a, Thiết kế theo quy luật tối ưu hóa năng lượng • Gọi I là mômen quán tính của một vật rắn quay quanh trục của nó, cần xác định quy luật thay đổi của góc q, giữa giá trị đầu qi (i: initial) và giá trị cuối qf trong khoảng thời gian tf. (f: finish). Lực phát động là mô men từ một động cơ. Tiêu chuẩn tối ưu đặt ra là năng lượng tiêu thụ trên động cơ là nhỏ nhất. • Quan hệ của góc quay và vận tốc góc thể hiện dưới dạng đạo hàm nhưq ' sau: • Quan hệ với momen động cơ: I ' Copyright NhuQuyTho 2011 8
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp • Vì chỉ xét trong khoảng thời gian ti đến tf nên cần có điều kiện: tf (t ) dt qf qi 0 • Tiêu chuẩn tối ưu: tf 2 (t ) dt min 0 • Lời giải tổng quát: (t ) at 2 bt c • Quỹ đạo chuyển động sẽ có dạng: q (t ) a3 t 3 a2 t 2 a1t a0 q ' (t ) 3a3t 2 2a 2 t a1 • Phương trình vận tốc: q" (t ) 6a3t 2a2 • Gia tốc thay đổi theo quy luật bậc nhất: Copyright NhuQuyTho 2011 9
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp • Để xác định được 4 hệ số giả định thường cần có 4 điều kiện đầu, thường là vị trí đầu qi và vị trí cuối qf, vận tốc đầu q’i vận tốc cuối q’f. Thường chọn vận tốc đầu và vận tốc cuối bằng không qi = qf = 0. Các hệ số giải định được xác định từ hệ phương trình: a 0 qi a1 q'i 3 2 a3 t f a2t f a1t f a0 q f 2 3a3t f 2a2t f a1 q' f Copyright NhuQuyTho 2011 10
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp Ví dụ 1: Cho trước quy luật chuyển động một bậc tự do của tay máy như sau: Góc xuất phát qi = 0, góc cuối cùng qf = ; Thời gian chuyển động ti = 0, thời gian cuối tf = 1; Vận tốc đầu và vận tốc cuối bằng không: vi = vf = 0. Copyright NhuQuyTho 2011 11
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp VÞ trÝ (rad) q 3 qf 2 qm 1 qc 0 Thê i gian (s ) qi 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 VËn tè c q (rad/s ) 5 4 3 q' c 2 1 0 Thê i gian (s ) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 VËn tè c q (rad/s ^2) q"c 20 10 0 0 10 q"c 20 Thê i gian (s ) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Copyright NhuQuyTho 2011
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp a, Thiết kế theo quy luật vận tốc hình thang VÞ trÝ (rad) q • Một dạ3 ng quỹ đạo thường sử dụng qf trong công 2 nghiệp là dạng đa thức hỗn hợ1p, dạng quỹ đạo này chọn qm quy luật v0 ận tốc hình thang. Thê i gian (s ) qc qi t • Quỹ đ0 ạo 0.2chia 0.4 ra 0.6làm 0.8 ba 1 phần rõ 0 tc tm t f t c tf rệt, khởi VËn tèđộc ng với gia tốc không q' đổi, chuy5 ển động tiếp với vận tốc (rad/s ) không 34đổi, về đích với gia tốc không đ2ổi. q' c 1 • Giả thiế0 t qi’ = qf’ = 0, giả thiThêếi gian (s t thờ ) i t gian tăng 0 tốc 0.2 và 0.4thờ0.6i gian 0.8 1 giảm tốc 0 tc t f t c tf bằng nhau (q” có giá tr VËn tè c ị bằng nhau ở q" điểm đầ20 u (rad/svà ^2) điểm cuối). Các điều q"c kiện trên d 10 ẫn đến quỹ đạo đối xứng t f t c tf t nhau qua đi ểm giữa 0 0 tc 10 qm = (q f – qi)/2 tại tm = tf/2. q"c 20 Thê i gian (s ) Copyright NhuQuyTho 2011 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 13
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp Để đảm bảo quỹ đạo là hàm liên tục, vận tốc tại các điểm tiếp giáp đoạn parabol và đoạn thẳng không được nhảy bậc, nghĩa là trên đồ thị chuyển vị đoạn thẳng phải trở thành tiếp tuyến của đoạn parabol, hay hệ số góc của đoạn thẳng phải bằng hệ số góc của đoạn parabol tại điểm tc. Hệ số góc của đường thẳng: q m qc tg t m tc Phương trình của đoạn chuyển động nhanh dần đều ứng với đoạn parabol là 1 2 qc qi qc "t c 2 Copyright NhuQuyTho 2011 14
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp Điều kiện liên tục tại điểm tiếp giáp được thể hiện như sau: qm qc qc "t c tm tc Trong đó qc là giá trị biến khớp q đạt tới tại thời điểm kết thúc đoạn parabol tc dưới dạng nhanh dần đều, với gia tốc qc”. Vì q’(0) = 0 nên: 1 2 q c qi qc "t c 2 Kết hợp với ràng buộc liên tục nói trên được phương trình: 2 q "t q "t t q q 0 c c c f c f i q c "; t f ; q i ; q f Nếu cho trước đây là phương trình bậc hai một ẩn với tc, giải phương trình này trong khoảng nhtf ận tc được nghiệm như sau: 2 Copyright NhuQuyTho 2011 15
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp 2 tf 1 t f q c " 4( q f qi ) tc 2 2 qc " 4qf qi Điều kiện: qc " 2 tf Nếu biểu thức trên nhận dấu bằng thì không có đoạn nằm ngang của vận tốc, biểu đồ vận tốc có dạng tam giác. Copyright NhuQuyTho 2011 16
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp Như vậy, với các giá trị cho trước của qi; qf và tf từ biểu thức này cho phép tính được gia tốc qc”, sau đó tính được tc, cuối cùng xác định được quỹ đạo từ ba đoạn: 1 qi qc "t 2 ;0 t t c 2 tc q (t ) qi qc "t c (t ); t c t t f t c 2 1 qf qc " (t f t ) 2 ; t f t c t t f 2 Chú ý rằng quy luật vận tốc hình thang không đảm bảo tối ưu về năng lượng như đạt được với quỹ đạo là đa thức bậc ba, nó tăng khoảng 12,5% so với giá trị tối ưu Copyright NhuQuyTho 2011 17
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp 4.1.1.2. Chuyển động theo đường • Trong nhiều hoạt động, ví dụ hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong không gian có nhiều chướng ngại vật, robot cần được điều khiển theo đường. Khi đó số lượng điểm của mỗi đường lớn hơn hai. Đó có thể không chỉ là điểm phải đi qua đơn thuần mà tại đó có thể phải khống chế cả vận tốc và gia tốc để đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các điểm như vậy gọi là các điểm chốt, số lượng điểm này nhiều hay ít tùy thuộc yêu cầu độ chính xác của quỹ đạo. • Bài toán đặt ra là xác định quỹ đạo qua N điểm chốt. Như vậy mỗi biến khớp phải thỏa mãn N điều kiện ràng buộc. Để thực hiện điều đó, có thể nghĩ đến quỹ đạo dạng đa thức bậc (N–1). Copyright NhuQuyTho 2011 18
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp 4.1.1.2. Chuyển động theo đường • Giải pháp này có các nhược điểm: – Không thể khống chế được vận tốc tại điểm đầu và điểm cuối. – Bậc đa thức càng cao thì khả năng dao động càng lớn, ảnh hưởng xấu đến trạng thái làm việc của robot. – Độ chính xác tính toán các hệ số của đa thức giảm khi bậc của đa thức tăng. – Hệ phương trình ràng buộc phức tạp và khó giải. – Các hệ số của đa thức phụ thuộc tất cả các điểm, vì vậy khi cần sắp xếp lại một điểm thì cũng phải tính toán lại toàn bộ. • Có thể khắc phục các nhược điểm trên bằng cách sử dụng một quỹ đạo lai, trong đó một số đoạn đa thức bậc cao được thay thế bằng các đoạn đa thức có bậc thấp hơn. Các đa thức thay thế gọi là đa thức nội suy. Copyright NhuQuyTho 2011 19
4.1.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp • Để đảm bảo tính liên tục của vận tốc tại các điểm chốt, bậc của đa thức nội suy không thể nhỏ hơn bậc ba, xét quy luật biến thiên theo thời gian của một biến khớp q(t). Đường cong biến thiên của nó gồm N – 1 đoạn đa thức nội suy bậc ba với k = 1..(N1). Hàm q(t) nhận giá trị qk tại điểm tk (k = 1..N). Tại điểm đầu t1 = 0, giá trị q1 = qi (i : initial), tại điểm cuối tN = tf (f: finish) có qN = qf. Các giá trị qk chính là đại diện cho các điểm chốt của quỹ đạo Copyright NhuQuyTho 2011 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.