MT GII PHÁP ĐIU KHIN ROBOT CƠ CU SONG SONG
Đinh Công Huân, Vương Th Diu Hương, Đỗ Th Ngc Oanh, Nguyn Huy Thy, Phm Anh Tun
Phòng Cơ đin t - Vin Cơ hc - 264 Đội Cn, Ba Đình, Hà Ni
E-mail: mechatronic@hn.vnn.vn
Tóm tt:
Vi nhiu li thế mà robot cơ cu song song đem li
như: độ chính xác, độ cng vng cao, tc độ làm
vic ln, tin li trong quá trình di chuyn, lp đặt…
robot cơ cu song song ngày càng được quan tâm và
ng dng rng rãi. Bài báo đưa ra mt gii pháp
hoàn chnh điu khin robot cơ cu song song. Đầu
tiên là mt s phân tích v x lý song song, x
phân tán trong điu khin robot tiếp theo s trình
bày v ng dng nguyên lý Hardware-in-the-loop
trong mô phng điu khin robot, cui cùng đưa ra
la chn thiết b và thut toán điu khin robot cơ
cu song song mà phòng Cơ đin t - Vin Cơ hc
đang phát trin.
1. Đặt vn đề
Robot cơ cu chui đã được ng dng trên thế gii
t rt sm và ngày càng được phát trin. Tuy nhiên,
do tính cht kết cu nên nó vn bc l mt s nhược
đim vì vy kh năng ng dng còn hn chế.
Ra đời và phát trin sau nhưng vi nhiu li thế hơn
so vi robot cơ cu chui, robot cơ cu song song
bt đầu được ng dng trong rt nhiu lĩnh vc như:
cơ khí, y tế, quân s, vt lý, hàng không…
Nhn thy kh năng ng dng rt ln cùng nhng
thế mnh ca robot cơ cu song song, phòng Cơ đin
t - Vin Cơ hc đã trin khai nghiên cu nhm mc
đích chế to robot cơ cu song song mu ng dng
trong lĩnh vc gia công cơ khí chính xác.
Sau khi nghiên cu kh năng ng dng và kh năng
phát trin ca các loi robot cơ cu song song, robot
cơ cu song song 6 bc t do (Hexapod) đã được
chn, đóng vai trò là bàn gá phôi cho máy phay
thông thường để gia công khuôn mu (hình 1).
Hình 1: Hexapod làm bàn gá phôi
trong gia công cơ khí
2. La chn h thng điu khin
Yêu cu đối vi h thng điu khin
Mi h thng t động bt k đều gm ba phn cơ
bn: b điu khin (Controller), đối tượng điu
khin (Object) và thiết b đo (Measure) (hình 2).
Hình 2: Sơ đồ khi h thng t động
Robot cũng là mt h thng t động vi các nhim
v khác nhau tu theo yêu cu đặt ra.
Để thiết kế robot vi các nhim v phc tp người ta
thường phân chia nhim v phc tp thành các
nhim v đơn gin hơn và thiết kế nhiu b phn (là
các h t động đơn gin vi các thành phn cơ bn
nêu trên) để mi b phn chu trách nhim x lý mt
nhim v đơn gin và các b phn s được phi hp
qun lý để đạt được mc tiêu chung ca toàn h
thng. Cách phân chia như vy được gi là “x
phân tán theo chc năng”. Theo cách này, mi b
phn s ch phi x lý mt nhim v đơn gin do đó
s thun li hơn cho vic phân tích, thiết kế và x
li; mt khác, các công vic được xđồng thi s
tăng được tc độ ca toàn h thng.
Vi robot Hexapod mà đặc trưng là mt chui nhiu
khâu khép kín, để thc hin mt di chuyn ca tm
trên robot theo mt qu đạo yêu cu, cn đồng thi
có các tác động điu khin ti sáu chân ca robot và
chuyn động ca các chân này phi có s liên h
cht ch. Không như robot chui, nếu không có
được s liên h cht ch này s gây ra hin tượng
“ging”, “xé” nhau gia các chân. Chính vì vy, yêu
cu v độ chính xác ca điu khin robot Hexapod
đòi hi cao hơn, quá độ ca mi khâu cũng phi
được kim soát cht ch. Và cui cùng là vic phi
hp gia các khâu đóng vai trò đặc bit quan trng
quyết định ti độ chính xác ca qu đạo robot.
H thng điu khin
Để đạt được các yêu cu trên, phương án thiết kế h
điu khin cho robot Hexapod được chn như trên
hình 3, trong đó:
ĐKPH: b điu khin phi hp,
ĐKTP: các b điu khin thành phn.
y
u
Set point C O
M
Hình 3: Sơ đồ cu trúc h điu khin cho Hexapod
Các b ĐKTP chu trách nhim điu khin b phn
mình ph trách, để đạt được nhng yêu cu cc b.
Thc cht chúng là các b điu khin v trí, có
nhim v đưa các chân tương ng ca robot ti độ
dài mong mun theo mt vn tc nào đó. đây, mi
chân robot được chn s dng mt h truyn động
động cơ, do đó b điu khin s là b điu khin v
trí động cơ.
B ĐKPH s chu trách nhim phi hp các b
ĐKTP để đạt được yêu cu tng th. B ĐKPH
đây s ly thông tin ca toàn hđộ dài thc ca
các chân robot so vi độ dài yêu cu được tính bng
phn mm tính toán động lc hc h nhiu vt
alaska để đưa ra các quyết định điu khin cho tng
b ĐKTP, [1].
Các thut toán điu khin được thc hin tng b
ĐKTP cũng như b ĐKPH. Để đảm bo được độ
chính xác ca robot trong quá trình hot động, các
thut toán điu khin đóng vai trò rt quan trng.
Mô phng Hardware-in-the-loop
Mô phng thi gian thc các h t động theo nguyên
lý Hardware-in-the-loop nhm:
Kim tra hiu lc ca thut toán điu khin.
Gim chi phí trong quá trình thiết kế.
Tránh được nhng sai sót không đáng có khi
ng dng thc tế.
Mô phng thi gian thc (real time simulation) theo
nguyên lý Hardware-in-the-loop nghĩa là có s dng
phn cng (hardware) để mô phng vòng điu khin.
Mô phng thi gian thc không ch cho phép ta đánh
giá kh năng phn cng mà còn giúp ta đánh giá kh
năng ca phn mm điu khin dưới điu kin din
biến thi gian sát vi thc tế. Điu này có ý nghĩa
quan trng khi ta phi kim tra các thiết b hn hp
nhiu phn t.
Để tìm được thut toán điu khin tt nht, động cơ
được chn đã được mô phng theo nguyên lý trên,
bng cách s dng mt s công c sau:
Phn mm: Matlab, RTS.
Phn cng: PLC, PC, Card AD/DA.
Matlab/Simulink được sư dung như la công cu
trơ cho vic xây dưng vai gian mô hình toan cua
đôi tương điu khin trong trương hp này la đông
cơ servo, xác đinh tham cho mô hình đê tư đo
chon tham sô cua các thut toan đu khiên.
RTS (Run Time Simulation) la phân mm đươc phát
trin bơi phong Cơ đn tư - Vin Cơ hc, vơi muc
đich tao ra môt công cu trơ cho viêc mô phong
thơi gian thưc. Giao din chính ca RTS được đưa ra
trên hình 4.
Phân mm RTS đươc phát trin theo câu trúc
module, gôm 3 module sau:
+ Module giao tiếp: module nay co nhim vu tao
i liên hê giưa mô hình cua đôi tương va
đu khiên. Hiên tai, co hai phương thưc giao
tiếp đươc hô trơ la giao tiếp qua công nôi tiếp va
qua card AD/DA.
+ Module tinh toan: module nay thưc hiên tt ca
các công viêc tinh toan, vi du như giai phương
trinh vi phân đê tinh đáp ưng đâu ra cua đôi
tương khi co kích thích đâu vào vv...
+ Module đô hoa: module nay co nhim vu thê
hiên đáp ưng đâu ra cua đôi tương dươi dang mô
hình và đô thi, biêu diên sư thay đôi trang thai
cua đôi tương trong qua trinh mô phong (ví d
trong trường hp này là v trí và tc độ ca động
cơ).
Phn mm RTS cho phép th hin mô hình thi gian
thc ca mt s đối tượng điu khin trên máy tính.
Khi có tín hiu điu khin, mô hình thi gian thc
ca đối tượng s cung cp đáp ng đầu ra cho h
thng ging như đối tượng tht phn ng khi có tín
hiu điu khin. Bng cách ghép ni b điu khin
vi mô hình thi gian thc ca đối tượng ta có th
kim tra hiu lc ca thut toán điu khin trong quá
trình thiết kế.
Hình 4. Giao din phn mm RTS
Vic mô phng Hexapod đã được tiến hành theo các
bước sau:
Mô hình hóa động cơ servo.
Tìm khâu điu khin bng mô phng offline.
Mô phng thi gian thc theo nguyên lý
Hardware-in-the-loop.
ĐKPH
ĐKTP ĐKTP ĐKTP
Bươc 1: Mô hinh hoá đông cơ servo
Tuy co sư khac nhau vêt câu va nguyên ly lam
viêc nhưng đông cơ servo co thê đươc mô hinh hoa
giông như đông cơ đn môt chiêu. Thông qua biên
phưc s, sư cân băng đn cua phân ưng đươc mô ta
bơi phương trinh, [2]:
gaaaa VIsLRV ++= )(
Trong đo:
a
V, a
R, a
L, a
In lươt la đn ap, đn
trơ, đn khang, dong đn phân ưng.
g
V la sưc đn đông cua phân ưng, ty vơi
n tôc goc
ω
cua rotor,
ω
vg kV
=
v
k thê hiên quan hê giưa vân tôc goc cua
rotor va sưc đn đông. No phu thuôc kêt câu cua
đông cơ va tinh chât đn tư cua phân cam.
Tương tư, phương trinh cân băng cơ hoc cua đông
cơ co dang:
rmmm CsIFC ++=
ω
)(
atm IkC =
vi:
m
C va r
C la mô men chu đông va momen
phan lưc,
m
I va m
F lamen quan tinh va can
nhơt trên truc đông cơ.
t
k ty biêu diên quan hê giưa mô
men cua đông cơ va dong đn phân ưng.
u hê can nhơt rât nho so vơi hê ham đn
năng, nghia la ( atvm RkkF /<< ), đông thơi gia
thiêt 0=
r
C thi coi quan hê giưa đai lương vao
(đn ap đu khiên c
V) vơi đai lương ra (vân tôc
goc
ω
) như sau, [1]:
c
tv
ma
tv
ma
vV
s
kk
IR
s
kk
IL
k
1
1
2++
=
ω
Đăt
tv
ma
kk
IL
T=
2,
tv
ma
kk
IR
T=
ξ
2,
v
k
k1
=, ta se co:
c
V
TssT
k
12
22 ++
=
ξ
ω
(1)
(1) mô hinh gân đung cua đông cơ servo.
Bươc 2: Tìm khâu điu khin bng mô phng
offline
Matlab/ Simulink đã được sư dung đê tiên hanh mô
phong offline vơi muc đich lưa chon thuât toan đu
khiên va tham sô cua bô đu khiên.
Trên nên Simulink co thê xây dưng hê thông đu
chinh bao gôm đôi tương đu khiên, khâu đu
khiên, phan hôi tin hiêu đâu ra vơi hê la 1. Băng
cach dung tin hiêu đâu vao co dang bươc nhay đơn
vi, thay đôi thưc nghiêm tham sô ca bô điu khin
(phương phap do tim) va quan sat đap ưng đê lưa
chon bô tham sôt nhât.
Bước 3: Mô phng thi gian thc theo nguyên lý
Hardware-in-the-loop
Bươc cuôi cung này nhăm thư nghiêm tht bi đu
khin, vơi thuât toan đu khin chay trên phn cng
thưc, đây là PLC S7-300 vi các module cn thiết.
Đối tượng điu khin đươc thưc hiên dươi dang mô
hinh thơi gian thưc, tưc la mô hinh chay trưc tiêp
trên phn cng tôc đô cao.
Trong trường hp này, mô hình ca đối tượng đươc
thưc hiên vơi sư trơ giup cua may tinh. Tin hiêu đâu
ra dươi dang tương tư cua thiêt bi đu chinh se đươc
biên đôi thanh dang tin hiêu sô nhơ biến đổi A/D
đê đu khiên mô hinh cua đôi tương, đươc thưc hn
trên may tinh. Ngươc lai, đap ưng đâu ra cua mô
hinh lai đươc biên đôi thanh tin hiêu tương t nhơ
biến đổi D/A.
Hình 5: Sơ đồ ghép ni b điu khin và mô hình
đối tượng qua card AD/DA
Đôi tương đu khiên đươc thưc hiên dươi dang mô
hinh thơi gian thưc chay trưc tiêp trên phân cưng do
đo phn cng này cân đam bao môt sô yêu câu:
c đô xư ly nhanh: đam bao tinh năng thơi
gian thưc cua qua trinh mô phong đôi tương.
Có kha năng truyên thông, truy câp online đê
thay đôi cac tham sô khi đang thưc hiên mô
phong tao đu kiên thuân lơi cho viêc quan
A/D D/A
D/A
A/D
Controller
sat cac trang thai đang diên biên trong qua
trinh mô phong.
đu khiên va mô hinh cua đôi tương đươc ghep
i qua card AD/DA. Card AD/DA phi coc đô
biên đôi va nhơ đu lơn đê không anh hương tơi
viêc giao tiêp giưa bô đu khiên va đôi tương đu
khiên. Hinh 5 giơi thiêu sơ đô ghep nôi giưa bô đu
khiên va mô hinh cua đôi tương qua card AD/DA.
Kết qu cho thy, vi thut toán điu khin động cơ
tìm được, các động cơ khi hot động đã tha mãn
nhng yêu cu đặt ra như: độ chính xác, độ quá điu
chnh, tc độ đáp ng...
La chn thiết b cho điu khin robot Hexapod
Để đạt được tính đồng thi, phương án thiết b phi
đảm bo mt s yêu cu cơ bn: kh năng nh
qun lý tng khâu động hc độc lp. B điu khin
theo kiu này là mt tp hp các phn t xđộc
lp liên lc vi nhau qua trao đổi thông tin.
- Phương án t thiết kế mch dùng b vi x
Mi b xđộc lp đóng vai trò là b ĐKTP s
thc hin các ch th ca chính nó và làm vic trên
mt tp các d liu riêng bit. Các b ĐKTP này s
được ghép ni và giao tiếp vi b ĐKPH (có th
mt máy tính) thông qua các cng vào ra.
Phương án này có ưu đim là gn nh nhưng kh
năng linh hot kém, tính phc tp ca h thng cao,
độ n định và độ chính xác khó đảm bo bi hot
động ca robot cơ cu song song rt phc tp.
- Phương án s dng PLC
PLC (Programable Logic Control) là thiết b điu
khin logic kh trình cho phép thc hin các thut
toán điu khin thông qua mt ngôn ng lp trình,
thay cho vic phi th hin thut toán đó bng mch
đin t. PLC là mt thiết b điu khin nh gn, có
th thay đổi thut toán mt cách linh hot và đặc bit
thun li cho vic trao đổi thông tin do đây là mt h
đã được chun hóa. Toàn b chương trình điu khin
được lưu tr trong b nh ca PLC dưới dng các
khi chương trình và được thc hin lp theo chu k
vòng quét. Cu trúc module được s dng để tăng
tính mm do trong các ng dng thc tế [3].
Vi nhng ưu đim ca mình, phương án s dng
PLC được chn dùng để xây dng h điu khin cho
robot Hexapod.
Độ dài ca 6 chân quyết định v trí ca tm trên
robot, và được điu khin bi 6 động cơ. Động cơ
được chn phi có kh năng hot động mt di tc
độ rng, có th duy trì mô men xon thích hp để
gi ti ti mt v trí nht định. Vi nhng tiêu chí
trên thì động cơ servo là mt la chn phù hp cho
bài toán.
H thng thiết b điu khin logic kh trình PLC S7-
300 ca Siemens cùng vi module chc năng điu
khin động cơ FM357-2 và b khuếch đại công sut
SIMODRIVE 611 đưc chn cho h điu khin
robot Hexapod. Sơ đồ h điu khin này được đưa ra
trên hình 6, [3].
Hình 6: Sơ đồ khi h điu khin robot Hexapod
dùng PLC
FM357-2 kết hp vi SIMODRIVE 611 to thành
các b ĐKTP điu khin tc độ và v trí ca động cơ
theo như sơ đồ trên hình 6. Trong đó:
Vòng điu khin v trí chân robot (hình 7) do
module FM357-2 chu trách nhim. Tín hiu
phn hi v trí động cơ t encoder được đưa v
FM357-2, kết hp vi v trí yêu cu để đưa ra
tc độ yêu cu (set point) cho b khuếch đại
công sut. Mi module FM357-2 ch điu khin
được ti đa 4 trc, do đó để điu khin 6 chân
robot, ta cn dùng 2 module này.
B khuếch đại công sut SIMODRIVE 611
(KĐCS) đảm nhim vic điu khin tc độ. B
KĐCS s ly tín hiu phn hi tc độ t
encoder so sánh vi tc độ yêu cu nhn được
t FM357-2 và đưa ra tín hiu điu khin động
cơ.
Hình 7: Sơ đồ điu khin v trí.
Vòng điu khin ngoài cùng là vòng điu khin thc
hin nhim v phi hp hot động ca các chân
robot, qun lý toàn b 6 chân để đạt được yêu cu
chung ca h thng do CPU S7-300 thc hin. Như
Thiết b lp trình
(PC)
B điu khin trung tâm
(PLC S7 - 300)
B khuếch đại công sut
(SIMODRIVE 611)
Động cơ
Module chc năng
(FM 357 – 2)
Đặt tc độ
ĐK v trí M
KĐCS
ĐC Servo Encoder
Tc độ thc
Vòng ĐK tc độ
V trí thc
DAC
FM357-2
vy CPU S7-300 s đóng vai trò là b ĐKPH. Và
như trên đã nói, thut toán điu khin phn này là
đặc bit quan trng, quyết định ti qu đạo chuyn
động ca robot.
3. Tính toán thông s điu khin robot
T hình dng ca mi khuôn mu cn gia công, lp
qu đạo chuyn động ca bàn gá phôi (tm trên ca
robot) trong không gian và ri rc hóa qu đạo
chuyn động này. Ti mi đim, tiến hành gii bài
toán động hc ngược để xác định ta độ và hướng
ca tm trên. Tiếp theo là tính độ dài ca các chân
robot sao cho tm trên ca robot chuyn động theo
mt qu đạo và hướng cho trước vi vn tc yêu cu
(hình 8). Tt c nhng công vic này được phn
mm alaska đảm nhim, [5].
Hình 8: Sơ đồ thut toán tính các thông s điu
khin robot
Vic ri rc hóa qu đạo chuyn động ca robot phi
da trên yêu cu v cht lượng ca khuôn mu cn
gia công, kh năng đáp ng ca h điu khin...
4. Thut toán điu khin
Độ dài tính được ng vi các đim trên qu đạo làm
vic chính là d liu đầu vào ca b ĐKPH (PLC
S7-300). Trên cơ s nhng d liu này B ĐKPH s
điu khin ln lượt các b ĐKTP (FM 357-2) theo
thut toán điu khin được trình bày trong hình 9,
trong đó:
n là s đim ri rc trên qu đạo làm vic
k = 0 ÷ 5 là ch s ca b ĐKTP
Hình 9: Thut toán điu khin cho b ĐKPH
Hình 10: Thut toán điu khin cho các b ĐKTP
Bt đầu
Nhn giá tr v trí
yêu cu t ĐKPH
So sánh và đưa ra
tc độ yêu cu
cho động cơ
Nhn giá tr v trí
thc ca động cơ
Kết thúc
Bt đầu
i = 0
Xut tham s điu
khin th i cho b
ĐKTP th k
S
Kết thúc
i = i + 1
k
= 0
i
=
n
-
1
Đ
k = 5
k = k + 1
S
Đ
Đưa robot v v trí 0
Nhn d liu v độ dài
chân robot
Nhp d liu v khuôn
mu cn gia công
Đưa ra qu đạo chuyn động
Tính ta độ và hướng ca
tm trên robot
Tính độ dài ca các chân
Bt đầu
Kết thúc
Đưa ra d liu v độ dài chân
và vn tc dch chuyn