MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

726
lượt xem 294
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

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: 2. Lựa chọn hệ thống điều khiển Với nhiều lợi thế mà robot cơ cấu song song đem lại Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển như: độ chính xác, độ cứng vững cao, tốc độ làm việc lớn, tiện lợi trong quá trình di chuyển, lắp đặt… Mỗi hệ thống tự động bất kỳ đều gồm ba phần cơ robot cơ cấu song song ngày càng được quan tâm và bản: bộ điều khiển (Controller), đối tượng điều ứng dụng rộng rãi. Bài báo đưa ra một giải pháp khiển (Object) và thiết bị đo (Measure) (hình 2). 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 Set point u y C O 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 M cấu song song mà phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học đang phát triển. Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống tự động 1. Đặt vấn đề Robot cũng là một hệ thống tự động với các nhiệm Robot cơ cấu chuỗi đã được ứng dụng trên thế giới vụ khác nhau tuỳ theo yêu cầu đặt ra. từ rất sớm và ngày càng được phát triển. Tuy nhiên, do tính chất kết cấu nên nó vẫn bộc lộ một số nhược Để thiết kế robot với các nhiệm vụ phức tạp người ta điểm vì vậy khả năng ứng dụng còn hạn chế. thường phân chia nhiệm vụ phức tạp thành các nhiệm vụ đơn giản hơn và thiết kế nhiều bộ phận (là Ra đời và phát triển sau nhưng với nhiều lợi thế hơn các hệ tự động đơn giản với các thành phần cơ bản so với robot cơ cấu chuỗi, robot cơ cấu song song nêu trên) để mỗi bộ phận chịu trách nhiệm xử lý một bắt đầu được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: nhiệm vụ đơn giản và các bộ phận sẽ được phối hợp cơ khí, y tế, quân sự, vật lý, hàng không… quản lý để đạt được mục tiêu chung của toàn hệ Nhận thấy khả năng ứng dụng rất lớn cùng những thống. Cách phân chia như vậy được gọi là “xử lý thế mạnh của robot cơ cấu song song, phòng Cơ điện phân tán theo chức năng”. Theo cách này, mỗi bộ tử - Viện Cơ học đã triển khai nghiên cứu nhằm mục phận sẽ chỉ phải xử lý một nhiệm vụ đơn giản do đó đích chế tạo robot cơ cấu song song mẫu ứng dụng sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích, thiết kế và xử lý trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác. lỗi; mặt khác, các công việc được xử lý đồng thời sẽ tăng được tốc độ của toàn hệ thống. Sau khi nghiên cứu khả năng ứng dụng và khả năng phát triển của các loại robot cơ cấu song song, robot Với robot Hexapod mà đặc trưng là một chuỗi nhiều cơ cấu song song 6 bậc tự do (Hexapod) đã được khâu khép kín, để thực hiện một di chuyển của tấm chọn, đóng vai trò là bàn gá phôi cho máy phay trên robot theo một quỹ đạo yêu cầu, cần đồng thời thông thường để gia công khuôn mẫu (hình 1). 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, Hình 1: Hexapod làm bàn gá phôi trong gia công cơ khí − ĐKTP: các bộ điều khiển thành phần.
cơ servo, xác định tham số cho mô hình để từ đó ĐKPH chọn tham số của các thuật toán điều khiển. RTS (Run Time Simulation) là phần mềm được phát triển bởi phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, với mục đích tạo ra một công cụ hỗ trợ cho việc mô phỏng thời gian thực. Giao diện chính của RTS được đưa ra ĐKTP ĐKTP ĐKTP trên hình 4. Phần mềm RTS được phát triển theo cấu trúc module, gồm 3 module sau: Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cho Hexapod + Module giao tiếp: module này có nhiệm vụ tạo Các bộ ĐKTP chịu trách nhiệm điều khiển bộ phận mối liên hệ giữa mô hình của đối tượng và bộ mình phụ trách, để đạt được những yêu cầu cục bộ. điều khiển. Hiện tại, có hai phương thức giao Thực chất chúng là các bộ điều khiển vị trí, có tiếp được hỗ trợ là giao tiếp qua cổng nối tiếp và nhiệm vụ đưa các chân tương ứng của robot tới độ qua card AD/DA. dài mong muốn theo một vận tốc nào đó. Ở đây, mỗi + Module tính toán: module này thực hiện tất cả chân robot được chọn sử dụng một hệ truyền động các công việc tính toán, ví dụ như giải phương động cơ, do đó bộ điều khiển sẽ là bộ điều khiển vị trình vi phân để tính đáp ứng đầu ra của đối trí động cơ. tượng khi có kích thích đầu vào vv... Bộ ĐKPH sẽ chịu trách nhiệm phối hợp các bộ ĐKTP để đạt được yêu cầu tổng thể. Bộ ĐKPH ở + Module đồ họa: module này có nhiệm vụ thể đây sẽ lấy thông tin của toàn hệ là độ dài thực của hiện đáp ứng đầu ra của đối tượng dưới dạng mô các chân robot so với độ dài yêu cầu được tính bằng hình và đồ thị, biểu diễn sự thay đổi trạng thái phần mềm tính toán động lực học hệ nhiều vật của đối tượng trong quá trình mô phỏng (ví dụ alaska để đưa ra các quyết định điều khiển cho từng trong trường hợp này là vị trí và tốc độ của động bộ ĐKTP, [1]. cơ). Các thuật toán điều khiển được thực hiện ở từng bộ Phần mềm RTS cho phép thể hiện mô hình thời gian ĐKTP cũng như bộ ĐKPH. Để đảm bảo được độ thực của một số đối tượng điều khiển trên máy tính. chính xác của robot trong quá trình hoạt động, các Khi có tín hiệu điều khiển, mô hình thời gian thực thuật toán điều khiển đóng vai trò rất quan trọng. 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 Mô phỏng Hardware-in-the-loop với mô hình thời gian thực của đối tượng ta có thể Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển trong quá lý Hardware-in-the-loop nhằm: trình thiết kế. − 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. Hình 4. Giao diện phần mềm RTS Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, động cơ được chọn đã được mô phỏng theo nguyên lý trên, Việc mô phỏng Hexapod đã được tiến hành theo các bằng cách sử dụng một số công cụ sau: bước sau: − Phần mềm: Matlab, RTS. − Mô hình hóa động cơ servo. − Phần cứng: PLC, PC, Card AD/DA. − Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline. Matlab/Simulink được sử dụng như là công cụ hỗ − Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý trợ cho việc xây dựng và tối giản mô hình toán của Hardware-in-the-loop. đối tượng điều khiển trong trường hợp này là động
Bước 1: Mô hình hoá động cơ servo Bước 2: Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline Tuy có sự khác nhau về kết cấu và nguyên lý làm việc nhưng động cơ servo có thể được mô hình hóa Matlab/ Simulink đã được sử dụng để tiến hành mô giống như động cơ điện một chiều. Thông qua biến phỏng offline với mục đích lựa chọn thuật toán điều phức s, sự cân bằng điện của phần ứng được mô tả khiển và tham số của bộ điều khiển. bởi phương trình, [2]: Trên nền Simulink có thể xây dựng hệ thống điều Va = ( Ra + sLa ) I a + V g chỉnh bao gồm đối tượng điều khiển, khâu điều khiển, phản hồi tín hiệu đầu ra với hệ số là 1. Bằng Trong đó: cách dùng tín hiệu đầu vào có dạng bước nhảy đơn vị, thay đổi thực nghiệm tham số của bộ điều khiển − Va , Ra , La , I a lần lượt là điện áp, điện (phương pháp dò tìm) và quan sát đáp ứng để lựa trở, điện kháng, dòng điện phần ứng. chọn bộ tham số tốt nhất. − Vg là sức điện động của phần ứng, tỷ lệ với Bước 3: Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý Hardware-in-the-loop vận tốc góc ω của rotor, V g = k v ω Bước cuối cùng này nhằm thử nghiệm thiết bị điều Hệ số k v thể hiện quan hệ giữa vận tốc góc của khiển, với thuật toán điều khiển chạy trên phần cứng thực, ở đây là PLC S7-300 với các module cần thiết. rotor và sức điện động. Nó phụ thuộc kết cấu của động cơ và tính chất điện từ của phần cảm. Đối tượng điều khiển được thực hiện dưới dạng mô hình thời gian thực, tức là mô hình chạy trực tiếp Tương tự, phương trình cân bằng cơ học của động trên phần cứng tốc độ cao. cơ có dạng: Trong trường hợp này, mô hình của đối tượng được C m = ( Fm + sI m )ω + C r thực hiện với sự trợ giúp của máy tính. Tín hiệu đầu ra dưới dạng tương tự của thiết bị điều chỉnh sẽ được Cm = kt I a biến đổi thành dạng tín hiệu số nhờ bộ biến đổi A/D để điều khiển mô hình của đối tượng, được thực hiện với: trên máy tính. Ngược lại, đáp ứng đầu ra của mô hình lại được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ − C m và C r là mô men chủ động và momen biến đổi D/A. phản lực, − I m và Fm là mô men quán tính và hệ số cản nhớt trên trục động cơ. − k t Hệ số tỷ lệ biểu diễn quan hệ giữa mô men của động cơ và dòng điện phần ứng. Nếu hệ số cản nhớt rất nhỏ so với hệ số hãm điện năng, nghĩa là ( Fm
sát các trạng thái đang diễn biến trong quá robot Hexapod. Sơ đồ hệ điều khiển này được đưa ra trình mô phỏng. trên hình 6, [3]. Bộ điều khiển và mô hình của đối tượng được ghép nối qua card AD/DA. Card AD/DA phải có tốc độ Thiết bị lập trình biến đổi và bộ nhớ đủ lớn để không ảnh hưởng tới (PC) việc giao tiếp giữa bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Hình 5 giới thiệu sơ đồ ghép nối giữa bộ điều khiển và mô hình của đối tượng qua card AD/DA. Bộ điều khiển trung tâm (PLC S7 - 300) 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... Module chức năng (FM 357 – 2) Lựa chọn thiết bị cho điều khiển robot Hexapod Để đạt được tính đồng thời, phương án thiết bị phải Bộ khuếch đại công suất đảm bảo một số yêu cầu cơ bản: khả năng nhớ và (SIMODRIVE 611) 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. Động cơ - 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 Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot Hexapod một tập các dữ liệu riêng biệt. Các bộ ĐKTP này sẽ dùng PLC được ghép nối và giao tiếp với bộ ĐKPH (có thể là FM357-2 kết hợp với SIMODRIVE 611 tạo thành một máy tính) thông qua các cổng vào ra. các bộ ĐKTP điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ Phương án này có ưu điểm là gọn nhẹ nhưng khả theo như sơ đồ trên hình 6. Trong đó: năng linh hoạt kém, tính phức tạp của hệ thống cao, − Vòng điều khiển vị trí chân robot (hình 7) do độ ổn định và độ chính xác khó đảm bảo bởi hoạt module FM357-2 chịu trách nhiệm. Tín hiệu động của robot cơ cấu song song rất phức tạp. phản hồi vị trí động cơ từ encoder được đưa về - Phương án sử dụng PLC FM357-2, kết hợp với vị trí yêu cầu để đưa ra tốc độ yêu cầu (set point) cho bộ khuếch đại PLC (Programable Logic Control) là thiết bị điều công suất. Mỗi module FM357-2 chỉ điều khiển khiển logic khả trình cho phép thực hiện các thuật được tối đa 4 trục, do đó để điều khiển 6 chân toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình, robot, ta cần dùng 2 module này. thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch điện tử. PLC là một thiết bị điều khiển nhỏ gọn, có − Bộ khuếch đại công suất SIMODRIVE 611 thể thay đổi thuật toán một cách linh hoạt và đặc biệt (KĐCS) đảm nhiệm việc điều khiển tốc độ. Bộ thuận lợi cho việc trao đổi thông tin do đây là một hệ KĐCS sẽ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ từ đã được chuẩn hóa. Toàn bộ chương trình điều khiển encoder so sánh với tốc độ yêu cầu nhận được được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các từ FM357-2 và đưa ra tín hiệu điều khiển động khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ cơ. vòng quét. Cấu trúc module được sử dụng để tăng tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế [3]. FM357-2 Đặt tốc độ Với những ưu điểm của mình, phương án sử dụng ĐC Servo Encoder PLC được chọn dùng để xây dựng hệ điều khiển cho ĐK vị trí KĐCS M robot Hexapod. Tốc độ thực DAC Độ dài của 6 chân quyết định vị trí của tấm trên Vòng ĐK tốc độ robot, và được điều khiển bởi 6 động cơ. Động cơ được chọn phải có khả năng hoạt động ở một dải tốc Vị trí thực 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 Hình 7: Sơ đồ điều khiển vị trí. bài toán. Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển thực Hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7- hiện nhiệm vụ phối hợp hoạt động của các chân 300 của Siemens cùng với module chức năng điều khiển động cơ FM357-2 và bộ khuếch đại công suất robot, quản lý toàn bộ 6 chân để đạt được yêu cầu chung của hệ thống do CPU S7-300 thực hiện. Như SIMODRIVE 611 được chọn cho hệ điều khiển
vậy CPU S7-300 sẽ đóng vai trò là bộ ĐKPH. Và − k = 0 ÷ 5 là chỉ số của bộ ĐKTP 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. Bắt đầu 3. Tính toán thông số điều khiển robot Đưa robot về vị trí 0 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 Nhận dữ liệu về độ dài chuyển động này. Tại mỗi điểm, tiến hành giải bài chân robot 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 i=0 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]. k=0 Bắt đầu Xuất tham số điều khiển thứ i cho bộ Nhập dữ liệu về khuôn ĐKTP thứ k i=i+1 k=k+1 mẫu cần gia công S k=5 Đưa ra quỹ đạo chuyển động Đ S Tính tọa độ và hướng của i = n -1 tấm trên robot Đ Kết thúc Tính độ dài của các chân Hình 9: Thuật toán điều khiển cho bộ ĐKPH Đưa ra dữ liệu về độ dài chân và vận tốc dịch chuyển Bắt đầu Kết thúc Nhận giá trị vị trí yêu cầu từ ĐKPH Hình 8: Sơ đồ thuật toán tính các thông số điều khiển robot Nhận giá trị vị trí thực của động cơ 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... So sánh và đưa ra 4. Thuật toán điều khiển tốc độ yêu cầu cho động cơ 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 Kết thúc thuật toán điều khiển được trình bày trong hình 9, trong đó: Hình 10: Thuật toán điều khiển cho các bộ ĐKTP − n là số điểm rời rạc trên quỹ đạo làm việc
Mỗi bộ ĐKTP sẽ nhận từ bộ ĐKPH tham số điều khiển là vị trí của động cơ tương ứng rồi so sánh với vị trí thực tế để đưa ra tín hiệu điều khiển vị trí và tốc độ quay cho động cơ đó theo thuật toán được đưa ra trên hình 10. 5. Kết luận Bài báo đã đưa ra một giải pháp điều khiển robot Hexapod, từ lựa chọn phương án điều khiển, mô phỏng để tìm ra tham số cho bộ điều khiển đến lựa chọn thiết bị điều khiển. Trong thời gian tới robot Hexapod này sẽ được chế tạo và đưa vào ứng dụng cụ thể. Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên. 6. Tài liệu tham khảo [1] Institute of Mechatronics, Inc., Chemnitz: alaska, version 3.0, User Manual, Simulation Tool in Multibody System Dynamics. 1998 [2] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật robot; NXB KH&KT, 2003. [3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước: Tự động hóa với SIMATIC S7-300; NXB KH&KT, 2000. [4] Siemens: FM357-2 manual, SIMODRIVE manual, Sinumerik & Simodrive. [5] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác; Báo cáo Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 2, 5/2004, tp. Hồ Chí Minh.