Luận án Tiến sĩ Cơ học: Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:132

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu góp phần hoàn thiện khảo sát động học, mô hình động lực học và làm đa dạng phương án điều khiển robot song song. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ học: Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Đức Vương PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Đức Vương PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quang Hoàng Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung, kết quả được trình bày trong luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng. Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày....... tháng....... năm ….. Người hướng dẫn Tác giả luận án PGS. TS. Nguyễn Quang Hoàng Vũ Đức Vương i
LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ của mình. Luận án này được hoàn chỉnh nhờ sự giúp đỡ của quý thầy cô, quý cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: PGS. TS. Nguyễn Quang Hoàng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học. Xin tỏ lòng cảm ơn tới PGS. Nguyễn Phong Điền người thầy đã tư vấn định hướng tôi tiếp cận với lĩnh vực chuyên môn này. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình làm luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Cơ học ứng dụng đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại bộ môn. Tác giả xin cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã luôn sát cánh, động viên và ủng hộ tác giả trong suốt quá trình làm luận án của mình. Vũ Đức Vương ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ..................................................................................... 3 1.1 Robot và robot song song ............................................................................ 3 1.1.1 Phân loại robot song song ................................................................ 7 1.1.2 Ứng dụng của robot song song......................................................... 8 1.2 Các phương pháp điều khiển robot ........................................................... 11 1.3 Vấn đề kỳ dị trong robot song song .......................................................... 13 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................... 16 1.4.1 Các nghiên cứu trong nước ............................................................ 17 1.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước ............................................................ 18 1.5 Hướng nghiên cứu của luận án.................................................................. 20 1.6 Kết luận chương 1 ..................................................................................... 24 CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH KỲ DỊ ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG ............. 26 2.1 Mở đầu ...................................................................................................... 26 2.2 Hệ phương trình liên kết của robot song song .......................................... 26 2.3 Phân tích động học thuận robot song song................................................ 27 2.4 Phân tích động học ngược robot song song .............................................. 28 2.4.1 Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp ma trận Jacobi . 28 2.4.2 Giải bài toán động học ngược cho robot song song 3RRR bằng phương pháp giải tích ..................................................................... 32 2.4.3 Ước lượng động học cho robot song song ..................................... 34 2.5 Phân tích kì dị động học robot song song 3RRR ...................................... 36 2.5.1 Phương pháp xác định các cấu hình kỳ dị ...................................... 36 2.5.2 Giải pháp vượt kỳ dị trong phân tích động học robot song song ... 38 iii
2.5.3 Mô phỏng số vượt kỳ dị động học ................................................. 40 2.6 Kết luận chương 2 ..................................................................................... 45 CHƯƠNG 3 : ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG ....................................................................................................................... 46 3.1 Mở đầu ...................................................................................................... 46 3.2 Mô hình động lực học của robot song song có kể đến hệ dẫn động ......... 46 3.2.1 Mô hình động lực học của hệ dẫn động ......................................... 47 3.2.2 Mô hình động lực học robot song song có kể đến hệ dẫn động ..... 49 3.2.3 Hệ phương trình vi phân chuyển động với tọa độ suy rộng tối thiểu ........................................................................................................ 58 3.3 Khảo sát động lực học robot song song .................................................... 60 3.3.1 Bài toán động lực học thuận ........................................................... 61 3.3.2 Bài toán động lực học ngược.......................................................... 62 3.3.3 So sánh kiểm chứng mô hình và chương trình tính ....................... 63 3.4 Vấn đề ổn định hóa liên kết....................................................................... 66 3.4.1 Phương pháp Baumgarte ................................................................ 66 3.4.2 Phương pháp chiếu hiệu chỉnh ....................................................... 67 3.5 Vượt kỳ dị trong phân tích động lực học robot song song ........................ 70 3.5.1 Cơ sở của phương pháp .................................................................. 70 3.5.2 Nội dung mô phỏng số ................................................................... 72 3.5.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................... 72 3.6 Kết luận chương 3 ..................................................................................... 73 CHƯƠNG 4 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG ....................................................................................................................... 75 4.1 Mở đầu ...................................................................................................... 75 4.2 Một số bộ điều khiển truyền thống cho robot song song .......................... 76 4.2.1 Điều khiển vị trí - điều khiển PD+bù trọng lực ............................. 76 4.2.2 Điều khiển PID dựa trên mô men tính toán ................................... 76 4.3 Điều khiển trượt robot song song trong không gian khớp ........................ 78 4.3.1 Xây dựng luật điều khiển ............................................................... 78 4.3.2 Nội dung mô phỏng số ................................................................... 81 4.3.3 Kết quả mô phỏng số ...................................................................... 81 iv
4.4 Điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác .................... 82 4.4.1 Biến đổi hệ phương trình động học về dạng tọa độ tối thiểu trong không gian thao tác ........................................................................ 82 4.4.2 Xây dựng luật điều khiển trong không gian thao tác ..................... 83 4.4.3 Mô phỏng số ................................................................................... 87 4.5 Kết luận chương 4 ..................................................................................... 89 CHƯƠNG 5 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG ............................................................................................................. 90 5.1 Mở đầu ...................................................................................................... 90 5.2 Cơ sở hoạt động của một bộ điều khiển mờ.............................................. 90 5.2.1 Mờ hóa............................................................................................ 91 5.2.2 Luật hợp thành................................................................................ 92 5.2.3 Giải mờ ........................................................................................... 93 5.3 Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ để bù các thành phần nhiễu và sự bất định của các thông số ........................................................................................ 96 5.3.1 Cơ sở của phương pháp .................................................................. 96 5.3.2 Nội dung mô phỏng ........................................................................ 98 5.3.3 Kết quả mô phỏng .......................................................................... 98 5.4 Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ điều khiển bám quỹ đạo ........................ 99 5.4.1 Cơ sở của phương pháp .................................................................. 99 5.4.2 Nội dung mô phỏng số ................................................................. 102 5.4.3 Kết quả mô phỏng số .................................................................... 102 5.5 Kết luận chương 5 ................................................................................... 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 108 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Mô tả 1 M Ma trận khối lượng 2 C Ma trận ly tâm và Coriolis 3 Js Ma trận Jacobi 4 JT Ma trận Jacobi tịnh tiến 5 JR Ma trận Jacobi quay 6 IC Ma trận mô men quán tính khối 7 Im Ma trận mô men quán tính khối của rô to động cơ 8 g Véc tơ gia tốc trọng trường 9 n Số bậc tự do của cơ hệ 10 m Số tọa độ suy rộng của không gian thao tác 11 r Số tọa độ suy rộng dư hay số nhân tử Lagrange 12 q Véc tơ tọa độ khớp 13 q Véc tơ vận tốc khớp 14 q Véc tơ gia tốc khớp 15 qa Véc tơ tọa độ suy rộng khớp chủ động 16 q a Véc tơ vận tốc suy rộng khớp chủ động 17 qa Véc tơ gia tốc suy rộng khớp chủ động 18 qi Véc tơ tọa độ suy rộng độc lập 19 qd Véc tơ tọa độ suy rộng phụ thuộc 20 x Véc tơ tọa độ bàn máy động 21 x Véc tơ vận tốc bàn máy động 22  x Véc tơ gia tốc bàn máy động 23 z Véc tơ tọa độ dư 24 f Véc tơ các phương trình liên kết 25 a Véc tơ mô men/ lực dẫn động 26  Véc tơ nhân tử Lagrange 27 u Véc tơ lực điều khiển vi
28 e Véc tơ sai số 29 rg Tỉ số truyền hộp giảm tốc 30 l1 Chiều dài khâu chủ động của chân robot 31 l2 Chiều dài khâu bị động của chân robot 32  Véc tơ vận tốc góc khâu 33 T Biểu thức động năng 34  Biểu thức thế năng 35 V Hàm Lyapunov 36 N Ma trận bù của ma trận Jacobi Chữ viết TT Mô tả tắt Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp 1 3RRR một chân là Revolute – Revolute - Revolute Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp 2 3RPR một chân là Revolute – Prismatic - Revolute Bộ điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (Proportional – 3 PD Derivate) Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm 4 PID (Proportional - Integral – Derivate) 5 GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm) Phương pháp bình phương tối thiểu (Damped Least 6 DLS Squares) Phương pháp phân rã giá trị kỳ dị (Singular Value 7 SVD Decomposition) 8 DC Motor Động cơ điện một chiều 9 SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control) vii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song .................................................... 6 Bảng 1.2: Bảng thông số của robot song song 3RRR .............................................. 24 Bảng 3.1: Các tọa độ suy rộng và ký hiệu ................................................................ 47 Bảng 5.1: Bảng suy diễn mờ cho hệ số v ................................................................. 97 Bảng 5.2: Bảng luật của bộ điều khiển FSMC ....................................................... 100 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Bệ đỡ rạp chiếu phim do Gwinnet thiết kế ................................................. 3 Hình 1.2: Mô hình hệ thống có cấu trúc vòng kín của Gough ................................... 4 Hình 1.3: Mô hình nguyên lý hệ thống tập lái máy bay đầu tiên ............................... 4 Hình 1.4: Mô hình robot song song delta không gian ................................................ 5 Hình 1.5: Robot song song phẳng 3RPR .................................................................... 5 Hình 1.6: Sơ đồ phân loại robot song song ................................................................ 7 Hình 1.7: Một dạng robot song song đối xứng........................................................... 7 Hình 1.8: Robot song song có bàn máy động chuyển động cầu ................................ 8 Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc động học của một dạng robot song song không gian ......... 8 Hình 1.10: Mẫu robot delta trong đóng hộp sản phẩm ............................................... 9 Hình 1.11: Robot song song CMW380 ...................................................................... 9 Hình 1.12: Hệ thống Rendezvous sử đụng đào tạo các phi hành gia ....................... 10 Hình 1.13: Robot cáp sử dụng tạo chuyển động phối hợp với công nghệ thực tế ảo .................................................................................................................................. 10 Hình 1.14: Robot song song kiểu stewart ứng dụng làm robot phẫu thuật chính xác [11]............................................................................................................................ 11 Hình 1.15: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp ............................................... 11 Hình 1.16: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác ........................................... 12 Hình 1.17: Một cấu hình kỳ dị loại một (kỳ dị động học ngược)............................. 15 Hình 1.18: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau đồng quy (kỳ dị động học thuận) .................................................................................................................................. 15 Hình 1.19: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau song song (kỳ dị động học thuận) .................................................................................................................................. 15 Hình 1.20: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau song song +) một chân duỗi thẳng .................................................................................................................................. 16 Hình 1.21: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau đồng quy +) một chân duỗi thẳng .................................................................................................................................. 16 Hình 1.22: Robot song song Isoglide3 trong phòng nghiên cứu [62] ...................... 19 Hình 1.23: Động cơ điện một chiều với hộp giảm tốc ............................................. 22 Hình 1.24: Sơ đồ robot song song 3RRR đẫn động bằng động cơ điện một chiều.. 22 Hình 1.25: Sơ đồ góc nghiêng của bàn máy động .................................................... 23 Hình 2.1: Cấu trúc robot song song .......................................................................... 26 Hình 2.2: Sơ đồ giải bài toán động học ngược cấp độ vận tốc ................................. 29 Hình 2.3: Sơ đồ khối thuật toán GA ......................................................................... 31 ix
Hình 2.4: Sơ đồ một chân tổng quát của robot 3RRR .............................................. 34 Hình 2.5: Sơ đồ các cấu hình của robot 3RRR. Cấu hình thể hiện  8   1, 1, 1 . 34 Hình 2.6: Sơ đồ bộ ước lượng động học .................................................................. 35 Hình 2.7: Bản đồ kỳ dị động học ngược tương ứng với cấu hình 1 (1, 1, 1) ...... 38 Hình 2.8: Bản đồ kỳ dị động học thuận tương ứng với cấu hình 1 (1, 1, 1) ....... 38 Hình 2.9: Mô tả các phân vùng khảo sát kỳ dị ......................................................... 39 Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện liên hệ tham số  phụ thuộc vào d .............................. 40 Hình 2.11: Mô tả phương trình quỹ đạo chuyển động ............................................. 41 Hình 2.12: Quỹ đạo chuyển động đi qua điểm kỳ dị ................................................ 41 Hình 2.13: Chương trình mô phỏng dừng khoạt động khi vào vùng kỳ dị .............. 42 Hình 2.14: Đồ thị biến khớp chủ động ..................................................................... 42 Hình 2.15: Đồ thị vận tốc góc biến khớp chủ động.................................................. 43 Hình 2.16: Đồ thị tham số trong không gian thao tác .............................................. 44 Hình 2.17: Đồ thị vận tốc trong không gian thao tác ............................................... 44 Hình 2.18: Đồ thị sai lệch bám quỹ đạo ................................................................... 44 Hình 3.1: Mô hình dẫn động một khớp của robot .................................................... 47 Hình 3.2: Mô hình dẫn động của động cơ điện một chiều ....................................... 47 Hình 3.3: Sơ đồ mạch điện tổng quát của động cơ điện một chiều .......................... 48 Hình 3.4: Sơ đồ bài toán động lực học thuận ........................................................... 61 Hình 3.5: Sơ đồ bài toán động lực học ngược .......................................................... 62 Hình 3.6: Đồ thị biến khớp chủ động ....................................................................... 63 Hình 3.7: Đồ thị biến khớp bị động .......................................................................... 63 Hình 3.8: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động ....................................... 63 Hình 3.9: Đồ thị điện áp điều khiển ......................................................................... 63 Hình 3.10: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động ................ 64 Hình 3.11: Đồ thị biến khớp chủ động ..................................................................... 64 Hình 3.12: Đồ thị biến khớp bị động ........................................................................ 64 Hình 3.13: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động ..................................... 64 Hình 3.14: Đồ thị điện áp điều khiển ....................................................................... 64 Hình 3.15: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động ................ 64 Hình 3.16: Đồ thị biến thiên mô men khớp chủ động mô phỏng sử dụng bộ tham số của T.Geike và J. McPhee [100] .............................................................................. 66 Hình 3.17: Kết quả của bài toán động lực học thuận ............................................... 72 Hình 3.18: Kết quả của điều khiển PD ..................................................................... 72 Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn giá trị định thức và giá trị đáp ứng của phương trình liên kết ............................................................................................................................. 73 x
Hình 4.1: Mô hình điều khiển trượt .......................................................................... 75 Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển vị trí - PD + bù trọng lực .............................................. 76 Hình 4.3: Sơ đồ luật điều khiển PID dựa trên mô men tính toán ............................. 78 Hình 4.4: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp ........................................ 80 Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp với bộ ước lượng động học .................................................................................................................................. 81 Hình 4.6: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo tham chiếu với bộ điều khiển trượt ........... 81 Hình 4.7: Đồ thị biến khớp chủ động ....................................................................... 82 Hình 4.8: Sai lệch biến khớp chủ động .................................................................... 82 Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác ......... 86 Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác có bộ ước lượng động học 86 Hình 4.11: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (SMC) ............................. 88 Hình 4.12: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (PD) ................................ 88 Hình 4.13: Đồ thị biến khớp chủ động (SMC) ......................................................... 88 Hình 4.14: Đồ thị biến khớp chủ động (PD) ............................................................ 88 Hình 4.15: Sai lệch bám quỹ đạo theo x,y (SMC) ................................................... 88 Hình 4.16: Sai lệch bám quỹ đạo theo x, (PD) ......................................................... 88 Hình 4.17: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động  (SMC) ......................... 88 Hình 4.18: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động  (PD) ........................... 88 Hình 4.19: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (SMC) .................................................................................................................................. 89 Hình 4.20: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (PD) 89 Hình 5.1: Quy trình hoạt động của một bộ điều khiển mờ ....................................... 91 Hình 5.2: Một số mô hình mờ hóa thông dụng ........................................................ 92 Hình 5.3: Mô tả bộ điều khiển mờ với luật hợp thành Max-Min ............................. 93 Hình 5.4: Mô tả phương pháp giải mờ cực đại......................................................... 94 Hình 5.5: Mô tả nguyên lý trung bình ...................................................................... 94 Hình 5.6: Mô tả nguyên lý cận trái ........................................................................... 95 Hình 5.7: Mô tả nguyên lý cận phải ......................................................................... 95 Hình 5.8: Mô tả phương pháp điểm trọng tâm ......................................................... 96 Hình 5.9: Hàm thuộc biến ngôn ngữ s , s .................................................................. 97 Hình 5.10: Hàm thuộc biến ngôn ngữ v .................................................................. 97 Hình 5.11: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ, bù nhiễu và bất định tham số .... 98 Hình 5.12: Tọa độ bàn máy động theo trục x ........................................................... 98 Hình 5.13: Tọa độ bàn máy động theo trục y ........................................................... 98 Hình 5.14: Góc nghiêng bàn máy động .................................................................... 98 xi
Hình 5.15: Quỹ đạo chuyển động bàn máy động ..................................................... 98 Hình 5.16: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác ............................................................................................................................. 99 Hình 5.17: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác ............................................................................................................................. 99 Hình 5.18: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác ............................................................................................................................. 99 Hình 5.19: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác ............................................................................................................................. 99 Hình 5.20: Mờ hóa thành phần sign(s) ................................................................... 100 Hình 5.21: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ bám quỹ đạo ............................. 102 Hình 5.22: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu tương ứng với các thế hệ .......................... 102 Hình 5.23: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển SMC ........................................ 103 Hình 5.24: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển FSMC ...................................... 103 Hình 5.25: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC ... 103 Hình 5.26: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC với GA .......................................................................................................................... 103 Hình 5.27: Quỹ đạo đáp ứng với quỹ đạo mong muốn trong điều khiển bằng FSMC ................................................................................................................................ 103 xii
MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Các robot công nghiệp từ khi mới ra đời đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực để thay thế sức lao động của con người. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp là nhằm góp phần nâng cao năng suất, giảm giá thành, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện năng suất lao động. Các mục tiêu trên có được là nhờ vào những ưu điểm nổi bật của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao... Trong sản xuất robot được sử dụng nhiều trong kỹ thuật ô tô, công nghệ hàn, công nghệ đúc, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm. Robot song song là dạng robot có cấu trúc vòng kín, trong đó các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. Do đặc điểm kết cấu nên chúng có một số ưu điểm nổi trội so với robot chuỗi như: chịu được tải trọng lớn, độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng, có thể thực hiện những thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao. Tuy nhiên, các robot song song cũng có những vấn đề rất lớn gặp phải chính là các điểm bị kỳ dị động học, động lực học trong không gian làm việc. Tại các điểm này robot gia tăng hoặc mất bớt bậc tự do, lực/momen tăng cục bộ gây ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu và chuyển động của robot. Ngoài ra, để hoạt động trơn tru với độ chính xác cao trong quá trình làm việc robot song song không chỉ cần các giải pháp vượt kỳ dị hiệu quả mà còn cần đến các phương pháp thiết kế điều khiển hợp lý. Vì vậy, nghiên cứu về phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động không chỉ mang lại ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa thực tế với quá trình ứng dụng và phát triển robot song song. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu góp phần hoàn thiện khảo sát động học, mô hình động lực học và làm đa dạng phương án điều khiển robot song song. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các robot song song được dẫn động bởi động cơ điện một chiều. Các vấn đề về động học, động lực học và điều khiển có ảnh hưởng tới hoạt động của robot được tập trung nghiên cứu. Thực nghiệm số được thực hiện trên mô hình động lực học của robot song song phẳng 3RRR để đánh giá các lý thuyết đề xuất và nghiên cứu trong luận án. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm số để đánh giá kết quả. 1
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Ý nghĩa khoa học Luận án thực hiện giải quyết tương đối đầy đủ các bài toán phân tích động học, động lực học và điều khiển robot song song phẳng, đặc biệt là xử lý vấn đề kỳ dị. Luận án sẽ là một tài liệu tham khảo rất ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự. Đồng thời các kết quả nghiên cứu của luận án cũng góp phần mang lại những nhận thức mới về xây dựng mô hình, các thức vượt qua kỳ dị trong các robot song song. Ý nghĩa thực tiễn - Phương pháp xây dựng mô hình động lực học sẽ cung cấp mô hình tương đối gần thực tế cho việc thiết kế điều khiển dựa trên mô hình. - Phương án vượt kỳ dị động học và động lực học sẽ góp phần vào thiết kế điều khiển đảm bảo cho robot có thể làm việc ở vùng lân cận vị trí kỳ dị. - Chương trình tính toán mô phỏng sẽ hỗ trợ cho việc tính toán thiết kế robot cùng dạng. Các kết quả mới dự kiến đạt được Nghiên cứu trong luận án này sẽ đưa ra cơ sở lý thuyết và tiến hành thực nghiệm số đánh giá các nội dung đặt ra bao gồm: 1. Đưa ra cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình động lực cho robot song song có kể đến ảnh hưởng của động cơ dẫn động. 2. Xác định kỳ dị và vượt kỳ dị trong giải quyết bài toán động học, động lực học robot song song. 3. Xây dụng thuật toán điều khiển trực tiếp robot song song trong không gian thao tác. 4. Ước lượng động học xác định tham số thay thế cho thông tin thu được từ thiết bị đo thực. 5. Xử lý các yếu tố bất định của môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của robot song song bằng bộ điều khiển trượt mờ. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Robot và robot song song Robot ra đời là sự phát triển tất yếu để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Robot không chỉ có khả năng tạo ra sản phẩm với số lượng lớn, năng suất, chất lượng cao mà còn có khả năng “tái lập trình”, “tái cấu trúc” rất linh hoạt để có thể làm việc đa chức năng. Bên cạnh đó, robot còn có thể làm việc trong những môi trường độc hại, những nơi mà con người chưa thể tiếp cận được… Trong các loại robot phục vụ trong sản xuất công nghiệp, robot song song có rất nhiều ưu điểm và có nhiều ứng dụng thực tiễn đóng góp vào sự phát triển chung của xã hội. Dòng robot này được hình thành từ các khâu liên kết với nhau thành những vòng kín. Bộ phận chứa phần công tác thường được gọi là bàn máy động, robot được cố định trên giá cố định và kết nối với bàn máy động qua các chân. Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Việc kết nối các khâu tạo nên vòng động học khép kín làm cho robot song song nhiều ưu điểm và được ứng dụng nhiều trong đời sống cũng như trong các hoạt động sản xuất công nghiệp. Để có sự phát triển như thời điểm hiện tại thì robot song song có một quá trình lịch sử lâu dài trong đó phải kể tới một số dấu mốc lịch sử nổi bật. Đầu tiên phải kể tới một nguyên mẫu về robot song song làm bệ đỡ cho rạp chiếu phim (Hình 1.1) được cấp bằng sáng chế cho Gwinnet vào năm 1928 [1]. . Hình 1.1: Bệ đỡ rạp chiếu phim do Gwinnet thiết kế Vào năm 1947, Gough [2] đã xây dựng một cơ cấu cơ bản với cấu trúc vòng kín cho phép điều chỉnh vị trí và hướng sử dụng làm thiết bị kiểm tra lốp xe (Hình 1.2). Thiết bị này sau đó được phát triển và chính thức đưa vào hoạt động vào năm 1955. Bàn máy động của thiết bị này có dạng hình lục giác, mỗi góc nối với các chân bằng một khớp cầu, đầu còn lại nối với bệ máy bằng khớp Cardan. Các chân của cơ 3
cấu có chiều dài thay đổi được nhờ điều khiển. Vào năm 1965, Stewart [3] đã đề xuất sử dụng cơ cấu của Gough cho hệ thống mô phỏng buồng tập lái máy bay (Hình 1.3), cho nên cơ cấu này còn thường được nói là cơ cấu Stewart. Ngày nay, cơ cấu dựa trên nền tảng của Gough được chọn làm cơ sở cho các hệ thống mô phỏng tập lái máy bay hiện đại. Hình 1.2: Mô hình hệ thống có cấu trúc vòng kín của Gough Hình 1.3: Mô hình nguyên lý hệ thống tập lái máy bay đầu tiên Một trong các biến thể được thiết kế thành công nhất dựa trên nền tảng cơ cấu của Gough chính là mẫu robot song song delta (Hình 1.4) được đề xuất bởi Clavel [4][5][6] và các dạng robot song song phẳng (Hình 1.5) [5]. Các dạng phổ biến của robot song song phẳng là dạng có kết cấu ba chân như RPR hoặc RRR (R đại diện cho khớp quay, P đại diện cho khớp trượt, khớp được gạch chân là khớp chủ động). 4
Hình 1.4: Mô hình robot song song delta không gian Hình 1.5: Robot song song phẳng 3RPR Nếu như với robot chuỗi, tải trọng ảnh hưởng tăng dần từ cơ cấu chấp hành cuối đến đầu tiên thì với robot song song tải trọng được chia sẻ giữa các chân của robot nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn [7][8]. Khi hoạt động, robot song song có quán tính nhỏ hơn nhiều so với robot chuỗi do các động cơ dẫn động có thể bố trí ngay tại bệ máy và các bộ phận mang tải còn có thể được bố trí gần với bệ máy. Robot song song có độ cứng cao vì tải trọng của robot được chuyển sang dạng kéo nén các khâu tránh hiện tượng bị uốn như trên robot chuỗi. Độ chính xác vị trí của robot song song cao vì các lỗi được bù trung bình từ lỗi của từng chân do cấu trúc song song mà không bị tích lũy như robot nối tiếp. Nhưng robot song song vẫn tồn tại những nhược điểm như: không gian làm việc nhỏ hơn robot chuỗi do kết cấu dạng vòng kín giới hạn chuyển động hơn nữa tính linh hoạt của robot song song cũng kém hơn nhiều [6]–[8]. Sự so sánh ưu nhược điểm 5
giữa robot nối tiếp với robot song song được thể hiện trong bảng Bảng 1.1: (với (+) thể hiện ưu thế, (-) thể hiện yếu thế) Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song Robot Robot TT Tiêu chí chuỗi song song 1 Độ chính xác khâu chấp hành cuối -- + 2 Độ chính xác khi lặp lại +- ++ 3 Độ cứng vững - + 4 Tỷ lệ khối lượng tải/robot -- + 5 Gia tốc khâu thao tác cuối +- ++ 6 Không gian làm việc (rộng, tránh vật cản) ++ - Tính linh hoạt (thích nghi với nhiệm vụ 7 ++ +- đặt ra) Chi phí thời gian tính toán (động học, 8 +- -- động lực học) Trong đó: ‐ Độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại của robot song song cao hơn robot chuỗi: Điều này là do robot chuỗi cấu tạo bởi các khâu kết nối liên tiếp nhau nên chúng gặp phải sai số tích lũy từ các khâu trước trong khi robot song song không gặp phải điều này. ‐ Độ cứng của robot song song cao hơn robot chuỗi: do trong nhiều các trường hợp, tải trọng đặt vào robot song song được chuyển thành lực kéo nén đặt vào các khâu nên độ cứng của cả cơ hệ tốt hơn. ‐ Tỷ lệ khối lượng tải/khối lượng robot: Robot song song có tỷ lệ lớn hơn, điều này cũng làm cho robot song song tiêu tốn ít năng lượng hơn so với robot chuỗi khi thực hiện cùng một nhiệm vụ. ‐ Gia tốc khâu thao tác cuối: Robot song song có gia tốc lớn hơn do kết cấu nhẹ và vững chắc của chúng. ‐ Không gian làm việc: robot song song có không gian làm việc hạn chế hơn robot chuỗi do sự ràng buộc của nhiều khâu với nhau. ‐ Tính linh hoạt: robot song song kém hơn robot chuỗi do sự ràng buộc về mặt cấu trúc cơ khí. ‐ Chi phí thời gian tính toán: Robot song song đòi hỏi chi phí tính toán động học và động lực học nhiều hơn. 6