Giải pháp điều khiển Robot cơ cấu song song tối ưu

MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn

Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học - 264 Đội Cấn, Ba Đình, Hà Nội

E-mail: mechatronic@hn.vnn.vn

Tóm tắt:

Với nhiều lợi thế mà robot cơ cấu song song đem lại

như: độ chính xác, độ cứng vững cao, tốc độ làm

việc lớn, tiện lợi trong quá trình di chuyển, lắp đặt…

robot cơ cấu song song ngày càng được quan tâm và

ứng dụng rộng rãi. Bài báo đưa ra một giải pháp

hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song. Đầu

tiên là một số phân tích về xử lý song song, xử lý

phân tán trong điều khiển robot tiếp theo sẽ trình

bày về ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-loop

trong mô phỏng điều khiển robot, cuối cùng đưa ra

lựa chọn thiết bị và thuật toán điều khiển robot cơ

cấu song song mà phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học

đang phát triển.

1. Đặt vấn đề

Robot cơ cấu chuỗi đã được ứng dụng trên thế giới

từ rất sớm và ngày càng được phát triển. Tuy nhiên,

do tính chất kết cấu nên nó vẫn bộc lộ một số nhược

điểm vì vậy khả năng ứng dụng còn hạn chế.

Ra đời và phát triển sau nhưng với nhiều lợi thế hơn

so với robot cơ cấu chuỗi, robot cơ cấu song song

bắt đầu được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:

cơ khí, y tế, quân sự, vật lý, hàng không…

Nhận thấy khả năng ứng dụng rất lớn cùng những

thế mạnh của robot cơ cấu song song, phòng Cơ điện

tử - Viện Cơ học đã triển khai nghiên cứu nhằm mục

đích chế tạo robot cơ cấu song song mẫu ứng dụng

trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác.

Sau khi nghiên cứu khả năng ứng dụng và khả năng

phát triển của các loại robot cơ cấu song song, robot

cơ cấu song song 6 bậc tự do (Hexapod) đã được

chọn, đóng vai trò là bàn gá phôi cho máy phay

thông thường để gia công khuôn mẫu (hình 1).

Hình 1: Hexapod làm bàn gá phôi

trong gia công cơ khí

2. Lựa chọn hệ thống điều khiển

Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển

Mỗi hệ thống tự động bất kỳ đều gồm ba phần cơ

bản: bộ điều khiển (Controller), đối tượng điều

khiển (Object) và thiết bị đo (Measure) (hình 2).

Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống tự động

Robot cũng là một hệ thống tự động với các nhiệm

vụ khác nhau tuỳ theo yêu cầu đặt ra.

Để thiết kế robot với các nhiệm vụ phức tạp người ta

thường phân chia nhiệm vụ phức tạp thành các

nhiệm vụ đơn giản hơn và thiết kế nhiều bộ phận (là

các hệ tự động đơn giản với các thành phần cơ bản

nêu trên) để mỗi bộ phận chịu trách nhiệm xử lý một

nhiệm vụ đơn giản và các bộ phận sẽ được phối hợp

quản lý để đạt được mục tiêu chung của toàn hệ

thống. Cách phân chia như vậy được gọi là “xử lý

phân tán theo chức năng”. Theo cách này, mỗi bộ

phận sẽ chỉ phải xử lý một nhiệm vụ đơn giản do đó

sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích, thiết kế và xử lý

lỗi; mặt khác, các công việc được xử lý đồng thời sẽ

tăng được tốc độ của toàn hệ thống.

Với robot Hexapod mà đặc trưng là một chuỗi nhiều

khâu khép kín, để thực hiện một di chuyển của tấm

trên robot theo một quỹ đạo yêu cầu, cần đồng thời

có các tác động điều khiển tới sáu chân của robot và

chuyển động của các chân này phải có sự liên hệ

chặt chẽ. Không như robot chuỗi, nếu không có

được sự liên hệ chặt chẽ này sẽ gây ra hiện tượng

“giằng”, “xé” nhau giữa các chân. Chính vì vậy, yêu

cầu về độ chính xác của điều khiển robot Hexapod

đòi hỏi cao hơn, quá độ của mỗi khâu cũng phải

được kiểm soát chặt chẽ. Và cuối cùng là việc phối

hợp giữa các khâu đóng vai trò đặc biệt quan trọng

quyết định tới độ chính xác của quỹ đạo robot.

Hệ thống điều khiển

Để đạt được các yêu cầu trên, phương án thiết kế hệ

điều khiển cho robot Hexapod được chọn như trên

hình 3, trong đó:

− ĐKPH: bộ điều khiển phối hợp,

− ĐKTP: các bộ điều khiển thành phần.

Set point C O

Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cho Hexapod

Các bộ ĐKTP chịu trách nhiệm điều khiển bộ phận

mình phụ trách, để đạt được những yêu cầu cục bộ.

Thực chất chúng là các bộ điều khiển vị trí, có

nhiệm vụ đưa các chân tương ứng của robot tới độ

dài mong muốn theo một vận tốc nào đó. Ở đây, mỗi

chân robot được chọn sử dụng một hệ truyền động

động cơ, do đó bộ điều khiển sẽ là bộ điều khiển vị

trí động cơ.

Bộ ĐKPH sẽ chịu trách nhiệm phối hợp các bộ

ĐKTP để đạt được yêu cầu tổng thể. Bộ ĐKPH ở

đây sẽ lấy thông tin của toàn hệ là độ dài thực của

các chân robot so với độ dài yêu cầu được tính bằng

phần mềm tính toán động lực học hệ nhiều vật

alaska để đưa ra các quyết định điều khiển cho từng

bộ ĐKTP, [1].

Các thuật toán điều khiển được thực hiện ở từng bộ

ĐKTP cũng như bộ ĐKPH. Để đảm bảo được độ

chính xác của robot trong quá trình hoạt động, các

thuật toán điều khiển đóng vai trò rất quan trọng.

Mô phỏng Hardware-in-the-loop

Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên

lý Hardware-in-the-loop nhằm:

− Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển.

− Giảm chi phí trong quá trình thiết kế.

− Tránh được những sai sót không đáng có khi

ứng dụng thực tế.

Mô phỏng thời gian thực (real time simulation) theo

nguyên lý Hardware-in-the-loop nghĩa là có sử dụng

phần cứng (hardware) để mô phỏng vòng điều khiển.

Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh

giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả

năng của phần mềm điều khiển dưới điều kiện diễn

biến thời gian sát với thực tế. Điều này có ý nghĩa

quan trọng khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp

nhiều phần tử.

Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, động cơ

được chọn đã được mô phỏng theo nguyên lý trên,

bằng cách sử dụng một số công cụ sau:

− Phần mềm: Matlab, RTS.

− Phần cứng: PLC, PC, Card AD/DA.

Matlab/Simulink được sư dung như la công cu hô

trơ cho việc xây dưng va tôi gian mô hình toan cua

đôi tương điều khiển trong trương hợp này la đông

cơ servo, xác đinh tham sô cho mô hình đê tư đo

chon tham sô cua các thuật toan điêu khiên.

RTS (Run Time Simulation) la phân mềm đươc phát

triển bơi phong Cơ điên tư - Viện Cơ học, vơi muc

đich tao ra môt công cu hô trơ cho viêc mô phong

thơi gian thưc. Giao diện chính của RTS được đưa ra

trên hình 4.

Phân mềm RTS đươc phát triển theo câu trúc

module, gôm 3 module sau:

+ Module giao tiếp: module nay co nhiệm vu tao

môi liên hê giưa mô hình cua đôi tương va bô

điêu khiên. Hiên tai, co hai phương thưc giao

tiếp đươc hô trơ la giao tiếp qua công nôi tiếp va

qua card AD/DA.

+ Module tinh toan: module nay thưc hiên tất ca

các công viêc tinh toan, vi du như giai phương

trinh vi phân đê tinh đáp ưng đâu ra cua đôi

tương khi co kích thích đâu vào vv...

+ Module đô hoa: module nay co nhiệm vu thê

hiên đáp ưng đâu ra cua đôi tương dươi dang mô

hình và đô thi, biêu diên sư thay đôi trang thai

cua đôi tương trong qua trinh mô phong (ví dụ

trong trường hợp này là vị trí và tốc độ của động

cơ).

Phần mềm RTS cho phép thể hiện mô hình thời gian

thực của một số đối tượng điều khiển trên máy tính.

Khi có tín hiệu điều khiển, mô hình thời gian thực

của đối tượng sẽ cung cấp đáp ứng đầu ra cho hệ

thống giống như đối tượng thật phản ứng khi có tín

hiệu điều khiển. Bằng cách ghép nối bộ điều khiển

với mô hình thời gian thực của đối tượng ta có thể

kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển trong quá

trình thiết kế.

Hình 4. Giao diện phần mềm RTS

Việc mô phỏng Hexapod đã được tiến hành theo các

bước sau:

− Mô hình hóa động cơ servo.

− Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline.

− Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý

Hardware-in-the-loop.

ĐKPH

ĐKTP ĐKTP ĐKTP

Bươc 1: Mô hinh hoá đông cơ servo

Tuy co sư khac nhau vê kêt câu va nguyên ly lam

viêc nhưng đông cơ servo co thê đươc mô hinh hoa

giông như đông cơ điên môt chiêu. Thông qua biên

phưc s, sư cân băng điên cua phân ưng đươc mô ta

bơi phương trinh, [2]:

gaaaa VIsLRV ++= )(

Trong đo:

− a

V, a

R, a

L, a

I lân lươt la điên ap, điên

trơ, điên khang, dong điên phân ưng.

− g

V la sưc điên đông cua phân ưng, ty lê vơi

vân tôc goc

cua rotor,

vg kV

Hê sô v

k thê hiên quan hê giưa vân tôc goc cua

rotor va sưc điên đông. No phu thuôc kêt câu cua

đông cơ va tinh chât điên tư cua phân cam.

Tương tư, phương trinh cân băng cơ hoc cua đông

cơ co dang:

rmmm CsIFC ++=

)(

atm IkC =

với:

− m

C va r

C la mô men chu đông va momen

phan lưc,

− m

I va m

F la mô men quan tinh va hê sô can

nhơt trên truc đông cơ.

− t

k Hê sô ty lê biêu diên quan hê giưa mô

men cua đông cơ va dong điên phân ưng.

Nêu hê sô can nhơt rât nho so vơi hê sô ham điên

năng, nghia la ( atvm RkkF /<< ), đông thơi gia

thiêt 0=

C thi co môi quan hê giưa đai lương vao

(điên ap điêu khiên c

V) vơi đai lương ra (vân tôc

goc

) như sau, [1]:

2++

Đăt

=, ta se co:

TssT

22 ++

(1)

(1) mô hinh gân đung cua đông cơ servo.

Bươc 2: Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng

offline

Matlab/ Simulink đã được sư dung đê tiên hanh mô

phong offline vơi muc đich lưa chon thuât toan điêu

khiên va tham sô cua bô điêu khiên.

Trên nên Simulink co thê xây dưng hê thông điêu

chinh bao gôm đôi tương điêu khiên, khâu điêu

khiên, phan hôi tin hiêu đâu ra vơi hê sô la 1. Băng

cach dung tin hiêu đâu vao co dang bươc nhay đơn

vi, thay đôi thưc nghiêm tham sô của bô điều khiển

(phương phap do tim) va quan sat đap ưng đê lưa

chon bô tham sô tôt nhât.

Bước 3: Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý

Hardware-in-the-loop

Bươc cuôi cung này nhăm thư nghiêm thiêt bi điêu

khiển, vơi thuât toan điêu khiển chay trên phần cứng

thưc, ở đây là PLC S7-300 với các module cần thiết.

Đối tượng điều khiển đươc thưc hiên dươi dang mô

hinh thơi gian thưc, tưc la mô hinh chay trưc tiêp

trên phần cứng tôc đô cao.

Trong trường hợp này, mô hình của đối tượng đươc

thưc hiên vơi sư trơ giup cua may tinh. Tin hiêu đâu

ra dươi dang tương tư cua thiêt bi điêu chinh se đươc

biên đôi thanh dang tin hiêu sô nhơ bô biến đổi A/D

đê điêu khiên mô hinh cua đôi tương, đươc thưc hiên

trên may tinh. Ngươc lai, đap ưng đâu ra cua mô

hinh lai đươc biên đôi thanh tin hiêu tương tự nhơ bô

biến đổi D/A.

Hình 5: Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển và mô hình

đối tượng qua card AD/DA

Đôi tương điêu khiên đươc thưc hiên dươi dang mô

hinh thơi gian thưc chay trưc tiêp trên phân cưng do

đo phần cứng này cân đam bao môt sô yêu câu:

− Tôc đô xư ly nhanh: đam bao tinh năng thơi

gian thưc cua qua trinh mô phong đôi tương.

− Có kha năng truyên thông, truy câp online đê

thay đôi cac tham sô khi đang thưc hiên mô

phong tao điêu kiên thuân lơi cho viêc quan

A/D D/A

D/A

A/D

Controller

sat cac trang thai đang diên biên trong qua

trinh mô phong.

Bô điêu khiên va mô hinh cua đôi tương đươc ghep

nôi qua card AD/DA. Card AD/DA phải co tôc đô

biên đôi va bô nhơ đu lơn đê không anh hương tơi

viêc giao tiêp giưa bô điêu khiên va đôi tương điêu

khiên. Hinh 5 giơi thiêu sơ đô ghep nôi giưa bô điêu

khiên va mô hinh cua đôi tương qua card AD/DA.

Kết quả cho thấy, với thuật toán điều khiển động cơ

tìm được, các động cơ khi hoạt động đã thỏa mãn

những yêu cầu đặt ra như: độ chính xác, độ quá điều

chỉnh, tốc độ đáp ứng...

Lựa chọn thiết bị cho điều khiển robot Hexapod

Để đạt được tính đồng thời, phương án thiết bị phải

đảm bảo một số yêu cầu cơ bản: khả năng nhớ và

quản lý từng khâu động học độc lập. Bộ điều khiển

theo kiểu này là một tập hợp các phần tử xử lý độc

lập liên lạc với nhau qua trao đổi thông tin.

- Phương án tự thiết kế mạch dùng bộ vi xử lý

Mỗi bộ xử lý độc lập đóng vai trò là bộ ĐKTP sẽ

thực hiện các chỉ thị của chính nó và làm việc trên

một tập các dữ liệu riêng biệt. Các bộ ĐKTP này sẽ

được ghép nối và giao tiếp với bộ ĐKPH (có thể là

một máy tính) thông qua các cổng vào ra.

Phương án này có ưu điểm là gọn nhẹ nhưng khả

năng linh hoạt kém, tính phức tạp của hệ thống cao,

độ ổn định và độ chính xác khó đảm bảo bởi hoạt

động của robot cơ cấu song song rất phức tạp.

- Phương án sử dụng PLC

PLC (Programable Logic Control) là thiết bị điều

khiển logic khả trình cho phép thực hiện các thuật

toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình,

thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch

điện tử. PLC là một thiết bị điều khiển nhỏ gọn, có

thể thay đổi thuật toán một cách linh hoạt và đặc biệt

thuận lợi cho việc trao đổi thông tin do đây là một hệ

đã được chuẩn hóa. Toàn bộ chương trình điều khiển

được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các

khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ

vòng quét. Cấu trúc module được sử dụng để tăng

tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế [3].

Với những ưu điểm của mình, phương án sử dụng

PLC được chọn dùng để xây dựng hệ điều khiển cho

robot Hexapod.

Độ dài của 6 chân quyết định vị trí của tấm trên

robot, và được điều khiển bởi 6 động cơ. Động cơ

được chọn phải có khả năng hoạt động ở một dải tốc

độ rộng, có thể duy trì mô men xoắn thích hợp để

giữ tải tại một vị trí nhất định. Với những tiêu chí

trên thì động cơ servo là một lựa chọn phù hợp cho

bài toán.

Hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-

300 của Siemens cùng với module chức năng điều

khiển động cơ FM357-2 và bộ khuếch đại công suất

SIMODRIVE 611 được chọn cho hệ điều khiển

robot Hexapod. Sơ đồ hệ điều khiển này được đưa ra

trên hình 6, [3].

Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot Hexapod

dùng PLC

FM357-2 kết hợp với SIMODRIVE 611 tạo thành

các bộ ĐKTP điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ

theo như sơ đồ trên hình 6. Trong đó:

− Vòng điều khiển vị trí chân robot (hình 7) do

module FM357-2 chịu trách nhiệm. Tín hiệu

phản hồi vị trí động cơ từ encoder được đưa về

FM357-2, kết hợp với vị trí yêu cầu để đưa ra

tốc độ yêu cầu (set point) cho bộ khuếch đại

công suất. Mỗi module FM357-2 chỉ điều khiển

được tối đa 4 trục, do đó để điều khiển 6 chân

robot, ta cần dùng 2 module này.

− Bộ khuếch đại công suất SIMODRIVE 611

(KĐCS) đảm nhiệm việc điều khiển tốc độ. Bộ

KĐCS sẽ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ từ

encoder so sánh với tốc độ yêu cầu nhận được

từ FM357-2 và đưa ra tín hiệu điều khiển động

cơ.

Hình 7: Sơ đồ điều khiển vị trí.

Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển thực

hiện nhiệm vụ phối hợp hoạt động của các chân

robot, quản lý toàn bộ 6 chân để đạt được yêu cầu

chung của hệ thống do CPU S7-300 thực hiện. Như

Thiết bị lập trình

(PC)

Bộ điều khiển trung tâm

(PLC S7 - 300)

Bộ khuếch đại công suất

(SIMODRIVE 611)

Động cơ

Module chức năng

(FM 357 – 2)

Đặt tốc độ

ĐK vị trí M

KĐCS

ĐC Servo Encoder

Tốc độ thực

Vòng ĐK tốc độ

Vị trí thực

DAC

FM357-2

vậy CPU S7-300 sẽ đóng vai trò là bộ ĐKPH. Và

như trên đã nói, thuật toán điều khiển ở phần này là

đặc biệt quan trọng, quyết định tới quỹ đạo chuyển

động của robot.

3. Tính toán thông số điều khiển robot

Từ hình dạng của mỗi khuôn mẫu cần gia công, lập

quỹ đạo chuyển động của bàn gá phôi (tấm trên của

robot) trong không gian và rời rạc hóa quỹ đạo

chuyển động này. Tại mỗi điểm, tiến hành giải bài

toán động học ngược để xác định tọa độ và hướng

của tấm trên. Tiếp theo là tính độ dài của các chân

robot sao cho tấm trên của robot chuyển động theo

một quỹ đạo và hướng cho trước với vận tốc yêu cầu

(hình 8). Tất cả những công việc này được phần

mềm alaska đảm nhiệm, [5].

Hình 8: Sơ đồ thuật toán tính các thông số điều

khiển robot

Việc rời rạc hóa quỹ đạo chuyển động của robot phải

dựa trên yêu cầu về chất lượng của khuôn mẫu cần

gia công, khả năng đáp ứng của hệ điều khiển...

4. Thuật toán điều khiển

Độ dài tính được ứng với các điểm trên quỹ đạo làm

việc chính là dữ liệu đầu vào của bộ ĐKPH (PLC

S7-300). Trên cơ sở những dự liệu này Bộ ĐKPH sẽ

điều khiển lần lượt các bộ ĐKTP (FM 357-2) theo

thuật toán điều khiển được trình bày trong hình 9,

trong đó:

− n là số điểm rời rạc trên quỹ đạo làm việc

− k = 0 ÷ 5 là chỉ số của bộ ĐKTP

Hình 9: Thuật toán điều khiển cho bộ ĐKPH

Hình 10: Thuật toán điều khiển cho các bộ ĐKTP

Bắt đầu

Nhận giá trị vị trí

yêu cầu từ ĐKPH

So sánh và đưa ra

tốc độ yêu cầu

cho động cơ

Nhận giá trị vị trí

thực của động cơ

Kết thúc

Bắt đầu

i = 0

Xuất tham số điều

khiển thứ i cho bộ

ĐKTP thứ k

Kết thúc

i = i + 1

= 0

k = 5

k = k + 1

Đưa robot về vị trí 0

Nhận dữ liệu về độ dài

chân robot

Nhập dữ liệu về khuôn

mẫu cần gia công

Đưa ra quỹ đạo chuyển động

Tính tọa độ và hướng của

tấm trên robot

Tính độ dài của các chân

Bắt đầu

Kết thúc

Đưa ra dữ liệu về độ dài chân

và vận tốc dịch chuyển

MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi