Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển thích nghi cho robot NDOF trên cơ sở bộ quan sát

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Điều khiển thích nghi cho robot NDOF trên cơ sở bộ quan sát" tiến hành nhằm nắm bắt đƣợc lý thuyết về các phương pháp điều khiển Robot, lý thuyết điều khiển thích nghi và xây dựng thuật toán; ứng dụng thuật toán thích nghi và bộ quan sát trạng thái để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động; sử dụng được phần mềm MATLB SIMULINK làm công cụ xây dựng mô hình mô phỏng kết quả.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển thích nghi cho robot NDOF trên cơ sở bộ quan sát

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Điều khiển thích nghi Robot nDOF trên cơ sở bộ quan sát” do em tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn c ủa PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trác h nhiệm. Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2 016 Ngƣời thực hiện Khƣơng Đức Hạnh
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................................1 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài: ..........................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu: .....................................................................................................1 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: ..................................................................................1 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: .............................................................................................2 5. Ý nghĩa kho a học và thực tiễn của đề tài ....................................................................2 6. C ấu trúc lu ận văn: ..........................................................................................................2 Chƣơng 1 : TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT ..............................3 1.1. Tổng quan robot ..........................................................................................................3 1.1.1. Lịch sử phát triển robot .....................................................................................3 1.1.2. Cấu tạo robot ......................................................................................................4 1.1.3. Cơ cấu cơ khí của robot ....................................................................................5 1.1.4. Các thông số đặc trƣng của hệ thống robot ....................................................8 1.1.5. Hệ thống truyền động robot .............................................................................9 1.1.6. Hệ thống điều khiển chuyển động ................................................................ 10 1.1.7. Cảm biến .......................................................................................................... 10 1.1.8. Ứng dụng robot công nghiệp ........................................................................ 10 1.2. Phƣơng pháp điều khiển robot ............................................................................... 12 1.2.1. Phƣơng pháp PD bù trọng trƣờng ................................................................ 15 1.2.2. Thuật toán PID ................................................................................................ 16 1.2.3. Phƣơng pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình ............................. 17 1.2.4. Phƣơng pháp điều khiển Li - Slotine ........................................................... 18 Chƣơng 2 :BỘ ĐIỀU KHIỂN LI - SLOTINE THÍCH NGHI VÀ BỘ QUAN SÁT THÍCH NGHI ........................................................................................................................ 22 2.1. Cơ sở lý thuyết hệ phi tuyến................................................................................... 22 2.1.1. Hệ phi tuyến .................................................................................................... 22 2.1.2. Điểm cân bằng và điểm dừng của hệ ........................................................... 24 2.1.3. Tính ổn định của điểm cân bằng................................................................... 24 2.1.4. Tiêu chuẩn Lyapunov .................................................................................... 25 2.2. Phƣơng pháp điều khiển thích nghi Li - Slotine .................................................. 30
2.3. Bộ quan sát trạng thái thích nghi ........................................................................... 32 2.3.1. Bộ quan sát trạng thái của Luenberger ........................................................ 32 2.3.2. Bộ quan sát thích nghi cho robot .................................................................. 33 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN ROBOT PLANAR ............................................................ 36 3.1. Cấu trúc và tham số robot ....................................................................................... 36 3.2. Bài toán động học thuận vị trí ................................................................................ 36 3.2.1. Tham số thanh nối khớp ................................................................................ 37 3.2.2. Phƣơng pháp thiết kế khung tọa độ .............................................................. 37 3.3. Bài toán động học ngƣợc vị trí ............................................................................... 39 3.4. Động lực học robot .................................................................................................. 40 3.5. Thiết kế quỹ đạo chuyển động ............................................................................... 43 Chƣơng 4 : MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK ................................................. 45 4.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển .................................................................................... 45 4.2. Sơ đồ các khối mô phỏng trong Matlab/simulink ............................................... 46 4.3.Kết quả mô phỏng cho robot Pelican ..................................................................... 48 4.3.1. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát thích nghi ............................................ 49 4.3.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi Li-SIotine ............................ 52 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 57 PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 58
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ BẢNG Bảng 3.1: Thông số robot Pelican ....................................................................................... 36 Bảng 4.1: Tham số ƣớc lƣợng cho robot ............................................................................ 48 Bảng 4.2: Bảng tham số bộ điều khiển ............................................................................... 48 Bảng 4.3: Tham số bộ quan sát ............................................................................................ 49 HÌNH VẼ Hình 1.1. Bộ phận cấu thành Robot .......................................................................................5 Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay .................................................................................6 Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy.........................................................................................7 Hình 1.4: Dạng tay gắn vào thân ...........................................................................................8 Hình 1.5: D ạng hệ tọa độ cực .................................................................................................8 Hình 1.6: Dạng hình trụ .........................................................................................................8 Hình 1.7: Dạ ng SCARA ..........................................................................................................8 Hình 1.8: Robot sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp ........................................ 12 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ................................................................................ 13 Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiển robot .................................................... 14 Hình 1.11: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển PD bù trọng trƣờng...................... 16 Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PID ........................................................................................ 16 Hình 1.13: Sơ đồ nghiệm khi ∆ = 0 .................................................................................... 17 Hình 1.14 Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình ......................................................... 18 Hình 1.16. Sơ đồ luật điều khiển Li-Slotine ...................................................................... 20 Hình 2.1: Minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận ........................................... 26 Hình 2.2: Tƣ tƣởng phƣơng pháp Lyapunov ..................................................................... 27 Hình 2.3: Tạo họ đƣờng cong kín chứa gốc tọa độ ........................................................... 27 Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển Li-slotine thích nghi .............................................................. 32 Hình 3.1: Robot Pelican ....................................................................................................... 36 Hình 3.2: Khung tọa độ cho robot Planar ........................................................................... 38 Hình 3.3: Tọa độ thanh nối robot ........................................................................................ 40 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ................................................................................ 45 Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển chung ....................................................................................... 46 Hình 4.3 Khối điều khiển thích nghi Li-Slotine ................................................................ 46 Hình 4.4: Khối tính giá trị V, r ............................................................................................ 47
Hình 4.5: Khối robot Planar ................................................................................................. 47 Hình 4.6: Khối quan sát thích nghi ..................................................................................... 48 Hình 4.7: Khảo sát vị trí khớp 1 .......................................................................................... 49 Hình 4.8: Khảo sát vị trí khớp 1 với tín hiệu đặt hình sin ................................................ 49 Hình 4.9: Khảo sát vị trí khớp 2 .......................................................................................... 50 Hình 4.10: Khảo sát vị trí khớp 2 với tín hiệu đặt hình sin .............................................. 50 Hình 4.11: Khảo sát tốc độ khớp 1. .................................................................................... 51 Hình 4.12: Khảo sát tốc độ khớp 2...................................................................................... 51 Hình 4.13: Sai lệch quan sát tốc độ..................................................................................... 52 Hình 4.14: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số .......................................... 52 Hình 4.15: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hàm hình sin ................................. 53 Hình 4.16: Sai lệch vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số............................................ 53 Hình 4.17: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số ................................................... 54 Hình 4.18: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệ u đặt là hàm hình sin .......................................... 54 Hình 4.19: Sai lệch vị trí khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số............................................ 54
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lƣợng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phƣơng tiện tự động hóa sản xuất. Xu hƣớng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng ngƣời máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các robot công nghiệp cũng ngày càng phát triển và có ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp. Sự phát triển của đất nƣớc và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lƣọng sản xuất cũng thúc đẩy sự phát triển của robot công nghiệp và đƣa công nghiệp chế tạo robot trở thành một ngành hứa hẹn trong tƣơng lai. Để đáp ứng điều đó đòi hỏi phải trang bị cho Robot một bộ điều khiển thông minh, phức tạp. Chính vì thế các thuật toán điều khiển robot đã và đang đƣợc đầu tƣ nghiên cứu, ứng dụng và phát triển mạnh mẽ. 2. Mục tiêu nghiên cứu: - Nắm bắt đƣợc lý thuyết về các phƣơng pháp điều khiển Robot, lý thuyết điều khiển thích nghi và xây dựng thuật toán. - Ứng dụng thuật toán thích nghi và bộ quan sát trạng thái để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động. - Sử dụng đƣợc phần mềm MATLB SIMULINK làm công cụ xây dựng mô hình mô phỏng kết quả. 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: - Robot 2 bậc tự do Planar. - Bộ điều khiển thích nghi Li - Slotine và bộ quan sát thích nghi. - Kết hợp bộ điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát thích nghi để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển động. 1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển Robot, trong đó nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển Li – Slotine. - Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát thích nghi. - Từ kết quả tính toán, sử dụng công cụ mô phỏng để trình bày kết quả nghiên cứu đạt đƣợc. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài s ẽ mang lại một hƣớng đi mới trong việc điều khiển robot công nghiệp. Phƣơng pháp ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề bất định của đối tƣợng nhƣ vị trí, tốc độ. Qua đó tạo ra một công c ụ điều khiển mạnh trong quá trình tự độ ng hóa sản xuất. 6. Cấ u trúc luận văn: Cấu trúc luận văn gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan các vấn đề về Robot; về lịch s ử phát triển Robot công nghiệp; các khái niệm cơ bản của Robot công nghiệp. Chƣơng 2: Trình bày về bộ điều khiển Li – Slotine thích nghi và b ộ quan sát thích nghi. Chƣơng 3: Trình bày về mô hình toán học Robot Planar, bài toán động học thuận và động học ngƣợc vị trí. Chƣơng 4: Mô phỏng trên Matlab/Simulink. Dƣới s ự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh luận văn của em đã hoàn thiện. Do quá trình công tác và điều kiện đi lại nên luận văn còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận đƣợc s ự đóng góp của thầy cô và các b ạn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2 016 Ngƣời thực hiện Khƣơng Đức Hạnh 2
Chƣơng 1 TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1. Tổ ng quan robot 1.1.1. Lịch s ửphát triển robot “Robot” đƣợc ra đời từ những mong ƣớc c ủa con ngƣời là muốn có những cỗ máy gần giống con ngƣời có thể làm những công việc thay thế con ngƣời. Năm 1921 trong vở kịch Rosum’s Universal Robot của Karel Capek thì Rossum và con trai đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con ngƣời để phục vụ con ngƣời. Có lẽ đây là những gợi ý đầu tiên cho các nhà sáng chế kĩ thuật về các cơ cấu máy móc b ắt chƣớc hoạt động của con ngƣời. Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự độ ng vạn năng gọi là “ ngƣời máy công nghiệp” và ngày nay đƣợc đặt tên là Robot công nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng nhƣ tay ngƣời đƣợc điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng đƣợc gọi là robot công nghiệp. Về mặt kĩ thuật thì robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực đó là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Các cơ cấu điều khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Còn các máy công c ụ điều khiển s ố ra đời vào những năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Tiếp theo Mỹ, các nƣớc khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển và Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, Ý- 1973, … Tính năng làm việc của robot ngày càng đƣợc nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trƣờng Đại họ c tổng hợp Standford c ủa Mỹ đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết và định hƣớng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các c ảm biến. 3
Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đƣa ra loại robot đƣợc điều khiển bằng máy tính có thể nâng đƣợc vật có khối lƣợng đến 40 kg. Có thể nói, Robot là s ự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chƣơng trình số cũng nhƣ kĩ thuật chế tạo các b ộ c ảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển trí khôn nhân tạo,… Trong những gần đây, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng đƣợc phát triển. Các hoạt động đƣợc trang bị thêm các loại c ảm biến khác nhau để nhận biết môi trƣờng chung quanh cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt. Số lƣợng robot ngày càng gia tăng, chủng loại robot cũng không ngừng đƣợc gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự độ ng hóa. Hiện nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR. Và theo ƣớc tính chƣa đầy đủ của Liên đoàn Robot quốc tế (IRF), năm 2005 trên thế giới có khoảng 800.000 robot đang đƣợc sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Trong đó Nhật Bản là nƣớc sử dụng nhiều nhất chiếm khoảng 45,5%, EU khoảng 30,3%, Bắc Mĩ khoảng 13,5% còn lại là các nƣớc khác. 1.1.2. Cấu tạo robot Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot: Ta y máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tƣợng. Các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dƣới 5, bàn kẹp 6. 4
Hình 1.1. B ộ phận cấ u thành Robot H ệ thố ng truy ền động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động. H ệ thống điều khi ển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trƣớc hoặc nhận biết trong quá trình làm việc. H ệ thống cả m bi ế n tín hi ệ u thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trƣờng, đối tƣợng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu). 1.1.3. Cơ cấu cơ khí của robot Cấu trúc cơ khí của robot bao gồm một chuỗi thanh nối đƣợc gắn với nhau bởi các khớp. Mỗi khớp đƣợc truyền động tạo nên một chuyển động độc lập. Số bậc tự do của robot phụ thuộc vào số chuyển động độc lập của nó và độ dịch chuyển linh hoạt khi chuyển động sẽ tăng khi số bậc tự do tăng. Hai loại khớp cơ bản trong hệ thống robot là khớp tịnh tiến và khớp quay. 5
Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay Các khớp đƣợc truyền động nhờ động cơ chấp hành gắn trên trục của nó. Chuyển động của khớp tạo nên chuyển động tƣơng đối giữa hai thanh nốii gắn với nó, một gọi là thanh nối đầu vào, một gọi là thanh nối đầu ra. Từ các khớp cơ bản trên ngƣời ta còn phân loại các khớp theo chuyển động tƣơng đối giữa các liên kết với khớp thành năm loại khớp chính sau : Khớp tuyến tính ( kí hiệu là khớp L ) : dạng khớp này tạo ra chuyển động tƣơng đối giữa hai thanh nối là chuyển động trƣợt tuyến tính, trục của hai thanh nối song song với nhau. Khớp trực giao (O) : vẫn là chuyển động trƣọt nhƣng hai trục của thanh nối đầu vào và đầu ra vuông góc với nhau. Khớp quay (R ): dạng khớp này tạo ra chuyển động quay xung quanh trục vuông với góc các trục của thanh nối đầu vào và đầu ra. Khớp xoắn (T): vẫn là chuyển động quay nhƣng trục quay của khớp songsong với trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra. Khớp chữ V : với dạng khớp này, trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra vuông góc với nhau, trục quay của khớp song song với trục của thanh nối đầu vào. Mỗi robot thƣờng có một đế gắn cố đinh đƣợc gọi là thanh nối 0. Một robot n bậc tự do thông thƣờng có n khớp đánh số từ 1 đến n và n+1 thanh nối. Khớp i 6
nối giữa thanh nối i+1 và i . Thanh nối n đƣợc gọi là khâu tác động cuối, cấu tạo của robot đƣợc chia làm hai phần chính : phần cánh tay và phần bàn tay. Phần cánh tay thƣờng có 3 bậc tự do, phần bàn tay thƣờng có 2 đến 3 bậc tự do. Phần cánh tay có nhiệm vụ định vị nhằm di chuyển khâu tác động cuối tới vị trí đặt trong không gian. Phần bàn tay làm nhiệm vụ định hƣớng, dùng để xoay chuyển hƣớng của khâu tác động cuối phù hợp với công nghệ yêu cầu, ví dụ nhƣ xoay bàn kẹp theo hƣớng nắm bắt một vật nào đó, hoặc định hƣớng một súng hàn ... Để xoay chuyển vật, phần bàn tay phải thực hiện đƣợc các động tác quay, lắc, gật gù với 3 bậc tự do. Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy Với cấu tạo nhƣ vậy robot có thể đƣa đầu cuối bàn tay của nó đến nhiều điểm trong không gian theo hƣớng mong muốn, tại đó sẽ thực hiện một công việc nào đó. Tập hợp tất cả các điểm mà tay máy có thể chạm đến gọi là không gian làm việc của robot. Với năm loại khớp đã mô tả ở trên có 125 tổ hợp các khớp có thể sử dụng để thiết kế phần cánh tay máy với ba bậc tự do. Một số tay máy điển hình trong công nghiệp đƣợc minh họa trên hình (1.4÷ 1.7). Ngƣời ta kí hiệu dạng của robot theo các chữ cái kí hiệu các khớp liên tiếp : • Dạng hệ tọa độ cực (TRL) • Dạng hình trụ TLO • Dạng tay gắn vào thân TRR hoặc VVR • Dạng tọa độ vuông góc LOO hoặc VVR 7
• Dạng SCARA Hình 1.4: Dạ ng tay g ắn vào thân Hình 1.5: Dạ ng hệ tọa độ c ực Hình 1.6: Dạ ng hình trụ Hình 1.7: Dạng SCARA 1.1.4. Các thông số đặc trƣng của hệ thống robot Hệ thống điều khiển robot cũng đƣợc đặc trƣng bởi các khái niệm về độ phân giải, độ chính xác, độ lặp lại. Độ phân gi ả i đặc trƣng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn đƣợc trên toàn bộ dải chuyển động của một khớp : 8
CR=(dải chuyển động)/2n (1.1) trong đó n là số bit để biểu diễn một số trong hệ thống điều khiển. Tuy nhiên đây mới là độ phân giải cho một khớp robot. Đối với robot ngƣời ta đƣa ra khái niệm về độ phân giải không gian. Khái niệm này kết hợp độ phân giải của hệ thống điều khiển vớii sai số do hệ thống cơ khí gây ra trên các khớp và các mối liên kết. Nói chung sai số cơ khí tuân theo phân bố xác suất chuẩn và ngƣời ta xác định độ phân giải không gian, kí hiệu là SR, nhƣ sau : SR = CR + 6 (1.2) Độ chính xác đặc trƣng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó. Độ chính xác = CR/2 + 3 (1.3) Độ chính xác liên quan đến độ phân giải không gian đƣợc xác định là : Độ chính xác = SR/2 (1.4) Độ l ặ p l ạ i đặc trƣng cho khả năng của robot đƣa đầu cuối bàn tay của nó chạm vào một điểm theo chƣơng trình định sẵn. Mỗi lần robot định chạm vào một điểm đãđƣợc lập trình trƣớc đó, nó sẽ chỉ chạm đƣợc vào gần đó do hệ thống cơ khí có sai số. Do đó độ lặp lại của robot đƣợc xác định bằng : Độ lặp lại =(+/-) 3 (1.5) 1.1.5. Hệ thống truyền động robot Các khớp có thể đƣợc thực hiện các chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp hành đƣợc truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau nhƣ truyền động điện, thủy lực, khí nén. Các hệ thống truyền động điện cho khả năng về điều khiển linh hoạt tốt hơn cả và dễ dàng phối hợp với máy tính trong hệ thống điều khiển. Các hệ truyền động thủy lực có tốc độ cao hơn và công suất cũng lớn hơn. Các hệ khí nén chỉ đƣợc dùng trong công suất nhỏ và cho các ứng dụng đơn giản nhƣ cơ cấu vận chuyển, bàn kẹp. 9
1.1.6. Hệ thống điều khiển chuyển động Chức năng của các bộ điều khiển trong hệ thống là đảm bảo cho robot chuyển động theo đúng quỹ đạo mong muốn đƣợc đặt trƣớc. Bộ điều khiển có thể đƣợc thiết kế từ các vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển logic khả trình PLC hoặc máy tính. Dựa vào hệ thống có hay không sử dụng các tín hiệu phản hồi thông báo thông tin về trạng thái hiện tại của robot, có thể phân chia các hệ thống điều khiển thành hệ thống mạch kín và hệ thống mạch hở. Hệ thống mạch kín gồm hai cảm biến đo vị trí góc và tốc độ góc. Bài toán điều khiển trong không gian khớp đƣợc đề cập cho hệ thống này. Vị trí khớp và tốc độ khớp đƣợc so sánh với các tín hiệu đặt tƣơng ứng. Các sai số này sẽ đƣợc sử đụng để tổng hợp tín hiệu điều khiển theo thuật toán phù hợp. Hệ thống mạch hở không có cảm biến gắn trên khớp, rõ ràng bộ điều khiển không biết vị trí của tay máy trong quá trình chuyển động. Tuy nhiên trên mỗi trục có gắn với một công tắc hành trình, khớp sẽ ngừng chuyển động khi nó chạm phải công tắc này hoặc bộ truyền động động cơ ngắt tín hiệu điều khiển sau một khoảng thời gian định trƣớc. 1.1.7. Cảm biến Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: • Cảm biến ngoại tuyến tăng khả năng nhận thức cho robot về môi trƣờng xung quanh. • Cảm biến nội tuyến cung cấp các thông tin về đặc tính của bản thân robot. Cảm biến nội tuyến đƣợc gắn trực tiếp trên trục động cơ hoặc khớp, thƣờng là các encoder, chiết áp đo vị trí, tốc độ khớp. 1.1.8. Ứng dụng robot công nghiệp Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng nhƣ trong đời sống sinh hoạt của con ngƣời, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, năng cao chất lƣợng cũng nhƣ khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra. 10
Robot có thể thay thế con ngƣời làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của qui trình công nghệ. Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công ở những nƣớc mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao nhƣ : Nhật Bản, các nƣớc Tây Âu, Hoa Kỳ... Tất nhiên nguồn năng lƣợng từ robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mói thay thế đƣợc sức lao động của con ngƣời. Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhƣng dễ nhầm lẫn, nhàm chán. Robot có khả năng nghe đƣợc siêu âm, cảm nhận đƣợc từ trƣờng Bên cạnh đó, một ƣu điểm nổi bậc của robot là môi trƣờng làm việc. Chúng có thể thay con ngƣời làm việc ở nhũng môi trƣờng độc hại, ẩm ƣớt, bụi bặm hay nguy hiểm. Ở những nơi nhƣ các nhà máy hoá chất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dƣơng, hay các hành tinh khác ... thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng. • Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí: Trong lĩnh vực cơ khí, robot đƣợc ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao. Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí... Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng robot phục vụ cho các công nghệ đúc, một môi trƣờng nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đ òii hỏi độ tin cậy. Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau. • Ứng dụng trong các lĩnh vực gia công lắp ráp: Các thao tác này thƣờng đƣợc tự động hóa bởi các robot đƣợc gia công chính xác và mức tin cậy cao. 11
Hình 1.8: Robot s ử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp • Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất: Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vực quân s ự, y tế, ...rất đƣợc quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, robot đặc biệt là tay máy đƣợc dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao. Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot đƣợc thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng đƣợc các ƣu điểm lớn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc. 1.2. Phƣơng pháp điề u khiển robot Khi xét bài toán điều khiển tay máy cho một robot nào đó, trƣớc hết chúng ta sẽ phải mô hình hóa tay máy đó là một cơ cấu - đối tƣợng đƣợc điều khiển, trong đó các cảm biến đƣợc đặt tại các khớp để quan sát trạng thái của các khớp. Chúng ta luôn muốn điều khiển các khớp của robot bám đúng quỹ đạo đƣợc thiết kế. Do vậy chúng ta phải sử dụng các hệ điều khiển để tính toán các lệnh phù hợp nhất cho các phần tử này sao cho chúng thục hiện đúng các quy luật chuyển động mong muốn. Trong nhiều trƣờng hợp nhờ sử dụng tín hiệu phản hồi, moment đầu ra thực tế sẽ đƣợc kiểm soát để tính toán moment mong muốn. 12
Quỹ đạo đặt Thuật toán Động lực học ĐKchuyển động M Robot Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển Từ các giá trị đầu vào vị trí q d, vận tốc qd , gia tốc q , bộ điều khiển có nhiệm vụ tính toán vector moment Mdk để điều khiển robot chuyển động theo quỹ đạo mong muốn. Nhƣ vậy, tín hiệu phản hồi sẽ đƣợc sử dụng để tính toán sai lệch giữa vị trí E và sai lệch vận tốc E . E = qd – q E qd q Hệ điều khiển sẽ dựa vào các sai lệch trên để điều chỉnh tín hiệu mô men sao cho các sai lệch E , E giảm dần về 0 khi thời gian t → ∞. Trên cơ sở đó, có hai hệ thống điều khiển chuyển động: h ệ thống điều khi ể n trong không gian kh ớ p và h ệ th ống điề u khi ể n trong không gian làm vi ệ c. • Điều khiển trong không gian khớp Đại lƣợng điều khiển là vị trí của khớp robot : góc quay đối với khớp quay; độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến. Bộ điều khiển đƣợc thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất. Vectơ khớp : q = [q 1 , q 2,q 3....q n]T T q = [ q 1, q 2,…., q n] Giá trị đặt biến khớp : q d =[q 1d , q2d,...qnd]T Yêu Cầu đặt ra là tìm M để q → q d khi t→∞. 13
• Điều khiển trong không gian làm việc Tín hiệu đặt là vị trí bàn tay máy Qũy đạo chuyển động của tay máy E là T X x, y, z, x , y , z Qũy đạo đặt của tay máy E là T Xd xd , yd , zd , xd , yd , z d Bài toán điều khiển chuyển động trong không gian Decac là tìm tín hiệu điều khiển momen M sao cho X Xd khi t Thuật toán điều khiển chuyển ĐK chuyển động trong ĐK chuyển động trong không gian khớp không gian làm việc Phƣơng ĐK phi ĐK ma Thuật ĐK ma pháp PD tuyến toán Li- trận trận pháp trên cơ slotine Jacobi Jacobi bù trọng PID sở mô thích trƣờng đảo hình nghi vị Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiể n robot Đề tài giới hạn điều khiển chuyển động trong không gian khớp khi chƣa biết chính xác các thông số động lực học, một số biến điều khiển không đo đƣợc. Từ đó tìm ra giải pháp để nghiên cứu, đánh giá, qua đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển phù hợp. 14
1.2.1.Phƣơng pháp PD bù trọng trƣờng Yêu cầu đặt ra là tổng hợp bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt đối xung quanh điểm cân bằng (E= q d - q = 0). Xét tính ổn định của hệ thống theo Lyapunov. Phƣơng trình điều khiển: M K p E Kd E G(q) (1.6) Các thông số bộ điều khiển bao gồm K p là ma trận đƣờng chéo xác định dƣơng Kd là ma trận đƣờng chéo xác định dƣơng E là sai số vị trí khớp robot E q d q E là sai số tốc độ khớp robot E = qd - q Phƣơng trình động lực học kín : 1 H (q )q H (q ) S (q , q ) q K PE K Dq (1.7) 2 Do qT S (q, q )q 0 1 d T q H (q )q E T K p E qT K D q (1.8) 2 dt Rõ ràng V ( E , E ) là hàm xác định dƣơng V ( E, E ) 0 Hàm V ( E , E ) chỉ bằng 0 khi đồng thời E , q đều bằng 0. E qd q 0 V (E , E ) 0 q 0 q 0 khi t Thay vào phƣơng trình (1.7) ta đƣợc: K pE 0 khi t E qd q 0 khi t Điều đó có nghĩa là sai số vị trí hội tụ về 0 khi t tiến tới vô cùng 15