MUC LUC CHUONG I: TONG QUAN VE ROBOT VA DIEU KHIEN ROBOT 1.1 Robot và robot công nghiệp
1.1.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp 6
II (00a vòi ii ăaỲìỪD 7
1.1.3 Định nghĩa về robot công nghiỆp -2£ 2¿++2£E+t2EvEEztrxesrrrrree 8 1.2 Cac phwong phap didu khién robot .0.cccccccccccsssessessossssesseessessseessesseeeees 10 1.2.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược - sex 10
1.2.2 Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến 5 5+- 12
1.2.3 Phương pháp điều khiển thích nghỉ theo sai lệch - : -5+ 13 1.2.4 Phương pháp điều khiển thích nghỉ theo mô hình mẫu 14
1.2.5 Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi 15
1.2.6 Phương pháp điều khiển trượt -2-2¿+s2+2+£ x2EEtEExzEetzxxerxrrrxee 16 CHƯƠNG II: MÔ TẢ ĐÓI TƯỢNG - ROBOT SCARA SERPENT 17 2.1 Một số loại robot Scara của các hãng sản XUẤT ST nnnnngke 17 2.2 Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent -.- 19 2.2.1 Cau tao tay may robot Scara Serpent 20 2.2.1.1 Câu hình của robot Scara Serpent .20 2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent .20 2.2.2 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara SerpenI - 21 2.3 Động học robot Scara SeFpII - - S3 St S11 1 91411 118111111112 23
VPEN N20 oán 23
Trang 2CHUONG III: XAY DUNG MO HINH HE THONG DIEU KHIEN 39 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khién robot 0 0 00 ccccccccccscssseessesssesstesssessesseesseess 39 3.2 Xây dựng quỹ đạo chuyến động chuẩn 2 22 2222 xt2xz2zz2zzcxz 40 3.2.1 Xác định giá trị q02 và qcl .42 3.2.2 Phương trình đoạn cd .42 3.2.3 Phương trình đOạn aC - - 6 + k1 SE nh Hàn nh nh ng nưy 43 3.2.4 Phương trình đoạn đỈ - -:- +: + + S121 111 1919151551111 1111 111111111111 te 43 3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy robot Scara Serpent ba bậc tự do 44 3.3.1 Hệ phương trình động lực học Lagrange - -¿- «+ £sxc+xeeesxe+ 44 3.3.2 Hệ phương trình trạng thái ¿6+ SE #eEEkerkekrrkrrerkcee 45 3.3.3 Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID - 48
CHƯƠNG IV: MO PHONG VOI MO HiNH ROBOT SCARA SERPENT .51 LH) là 8 -44‹+ Ẽ 5I
4.2 Sơ đồ mô hình hóa các khâu của hệ thống - 2-52 5e+czczzzzxczz 51
4.2.1 Mô hình chung của robot ce eeeeeeeecssceseceseeeeeseeeeeeaeceseeaeeeseeeeeeeeneeneees 51 4.2.2 Mô hình khối tao quỹ đạo chuyên động chuẩn 2-2 5¿55z++ 51 4.2.3 M6 hinh b6 didu KhiG0 ooo ccs eee cescesecseeceesseeseessesseseesessstesessnesessesses 52 4.3 Giao diện chương trình mô phỏng robot Scara Serpent 52 4.4 Kết quả mô phóng hệ thống trên Matlab-Simulink - 5: 5252 58 4.4.1 Thông số của robot và quỹ đạo chuyên động -2- 2z sz+cxcre 58 4.4.2 Dac tinh cua hé théng khi robot làm việc với tải khác nhau
4⁄80.) 0 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 2-22 ©2S92EE2EE92EEEE1227112711211271E7112112711 11222 ce 80 PHU LUC 1: CAC SO DO KHOI
Trang 3MO DAU
Theo quá trình phat triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng 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 người máy đề tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống Robot là cơ câu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chỉ tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận
> Robot co thé thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thông minh
> Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển
động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thẻ điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot
Để hệ điều khiển robot có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết
kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển Ngoài ra, hệ điều khiển robot phải dam bao ồn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện v.v
Khi thiết kế hệ điều khiển robot mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động
truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các
chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh tế Chất lượng của hệ thống được thẻ hiện
trong trạng thái tĩnh và trạng thái động Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh Trạng thái động thì có yêu cầu về độ ồn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao
Trang 4Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng là sử dụng các mô hình có đặc tính phi tuyến có thể ước lượng được đề đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot
Đặc điểm cơ bản của hệ thống điều khiển robot là thực hiện được điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi địch chuyên thì trọng tâm của các chuyên động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đồi,
điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyền động và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyển động thành phần trong hệ với nhau Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ điều khiển robot mang tinh phi tuyến mạnh, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệ thống điều khiển robot Do vậy, khi điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước phải giải quyết được những vấn đề sau:
> Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng các chuyên động thành phần và quỹ đạo chung của cá hệ như: lực quán tính, lực ly tâm, lực ma sắt v.v
> Khi trọng tâm của các chuyển động thành phần và của cả hệ thay đổi theo quỹ đạo riêng và chung kéo theo sự thay đổi của các thông số động học của hệ, điều
đó đòi hỏi phải có sự biến thiên các tham số đưa vào bộ điều khiển tương ứng để vẫn đảm bảo sự cân bằng, ồn định và bền vững đồng thời vẫn bám theo được quỹ đạo đặt
Với cơng cụ tốn vi phân người ta đã có thể phân tích tính điều khiển được, tính quan sát được cho hệ phi tuyến
Nội dung của đề tài nghiên cứu như sau:
1 Tên dé tai: Nang cao chất lượng điều khiển cho robot Scara
2 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Ứng dụng phương pháp điều khiển động lực học ngược cho điều khiển bền vững quỹ đạo robot
Trang 5- Xây dựng mô hình toán học cho robot Scara Serpent 3 bac tu do - Xây dựng hệ thống điều khiến quỹ đạo đạt độ chính xác cao - Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng
Nội dung của luận văn đề cập tới vấn đề “Nâng cao chất lượng điều khiến robot Scara” với mục tiêu điều khiển bền vững và bám chính xác quỹ đạo chuyên động Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương được tóm tắt như sau:
Chương I - Tổng quan về robot và điều khiển robot: Mô tả tổng quan về robot Phân tích ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot đã và đang được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao độ chính xác điều khiển quỹ đạo robot
Chương II - Mơ tả tốn học đối tượng robot Scara: Nghiên cứu một số robot trong họ Scara và đi sâu vào phân tích mô hình Robot Scara Serpent đề phục vụ việc nghiên cứu và kiểm chứng cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển được lựa chọn
Chương III — Xây dựng mô hình hệ thống điều khiến: Thiết kế bộ điều khiển
để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quỹ đạo cho robot Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho robot Scara Serpent, xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab-Sumulink
Trang 6CHUONG I
TONG QUAN VE ROBOT VA DIEU KHIEN ROBOT
1.1 Robot va robot công nghiệp
1.1.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp
Nhìn ngược dòng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất hiện từ khá lâu Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với
tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ máy phục dịch Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con người Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người
Thời gian sau đó các cơ cấu điều khién tir xa (Teleoperator) ra đời và ngày một phát triển hoàn thiện Teleoperator là những cơ cấu phỏng sinh học, nó bao gồm các
khâu, các khớp cùng với các dây chẳng gắn liền với hệ điều hành là cánh tay của người điều khiển thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí Teleoperator có thể cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, xoay lật các đối tượng trong một không gian hoạt động nhất định Tuy rằng các thao tác khá tỉnh vi, khéo léo nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển chỉ thuần tuý là cơ khí
Từ thập ký 50, sự phát triển đầy hứa hẹn của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số cứng và ngành vật liệu mới đã làm chỗ dựa vững chắc cho sự ra đời của các cơ cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation) Ngay lập tức ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) được hình thành và triển khai nghiên cứu Sự phối hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của Teleoperator với độ thông minh nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một hệ máy móc tự động cao cấp với tên gọi “Robot”
Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường Tiếp theo đó các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo bản quyền của Mỹ, Anh (1967), Thụy Điền, Nhật (1968), Đức (1971)
Trang 7kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến Robot công nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ, va trong các hệ thống tự động điều khiển liên hợp
1.1.2 Robot và công nghệ cao
Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá hiện đại Các nước công nghiệp phát triển đã đưa ra chiến lược dùng tự động hoá hiện đại (IRtHigh Tech) kéo các xí nghiệp công nghiệp đầu tư ở nước ngoài (trước đây vì lý do lương thợ rẻ mạt) trở về chính quốc (dùng lao động là robot công nghiệp) Chính phủ các nước này đã áp dụng những biện pháp hỗ trợ hữu hiệu như: coi robot công nghiệp là ngành công nghiệp quan trọng, xây dựng nhiều chương trình nhà nước về áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất robot Khuyến khích bằng cách ưu tiên thuế và đặt ra những quy chế có lợi cho cả người sản xuất và người sử dụng robot công nghiệp Nhờ vậy chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng robot công nghiệp trở nên rộng lớn đa dạng với cơ sở nguồn động lực phát triển là “lực đẩy” của công nghệ và “lực kéo” của thị trường
Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hố tồn phan
Khi sử dụng robot vào các dây chuyên tự động, khâu chuẩn bị kỹ thuật được rút ngắn đi Trong khi đó với thời gian từ lúc quyết định phương án đến lúc thiết kế xong một dây chuyển các máy tự động, một mặt hàng hoặc quy trình công nghệ đó đã có thể trở thành lạc hậu rồi Theo số liệu của các chuyên gia Mỹ nghiên cứu về vấn đề này
khi khảo sát trên 70 đề án thiết kế thì với quá nửa số đó là phương án dùng các máy tự
động chuyên dụng phải tốn hơn một năm Vì thế, phương án dùng robot Unimate với các máy tự động vạn năng được đưa vào sử dụng và phát huy hiệu quả to lớn
Trang 8sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm Dây chuyền tự động “cứng” gồm
nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn dau tư lớn, tốn nhiều thời gian để thiết
kế và chế tạo, trong lúc quy trình công nghệ luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi Bởi vậy, nhu cầu “mềm” hoá hay linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong công việc tạo ra các dây chuyên tự động linh hoạt
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt Hệ sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyên và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm robot công nghiệp ở các vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ Việc điều khiển và kiểm tra hoạt động của toàn bộ hệ sản xuất linh hoạt được thực hiện bằng máy tính Ưu điểm nồi bật của hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sản phẩm và quy trình công nghệ Bởi vậy, ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở những nước đang phát triển Trong một số tài liệu nước ngoài FMS như là hệ sản xuất của tương lai (Future Manufactring System)
1.1.3 Định nghĩa về robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau
Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là sự tổ hợp khả năng
hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia
Trang 9những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành giải quyết nhưng nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công (sơn, hàn, lắp ráp các cụm thiết bị .) hoặc phục vụ các quá trình tổ chức dòng lưu thông vật chất (chỉ tiết, dao cu, ga lap ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyền và trao đổi các đối tượng vật chất với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt
Ta có thế điểm qua một vài định nghĩa về robot công nghiệp như sau: - Dinh nghia theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais:
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyên đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, đi chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau
- _ Định nghĩa theo tiêu chudn VDI 2806/BRD:
Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và nối ghép các chuyên động của chúng trong các khoảng cách tuyến tinh hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau đề thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp
- Dinh nghia theo IOTC - 1980:
Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thê thay thế những chức năng tương tự của con người
Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thây một ý nghĩa quan trọng: robot công nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thông tự động tổng hợp Trong quá trình phân tích và thiết kế không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những
thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng
Trang 10-_ Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu -_ Trình độ hành nghề khôn khéo, linh hoạt -_ Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc mơdun hố 1.2 Các phương pháp điều khiển robot
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:
-_ Điều khiển động lực học ngược
-_ Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến
- _ Các phương pháp điều khiển thích nghi
+ Điều khiển thích nghỉ theo sai lệch
* Diéu khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
+ Điều khiển động lực học ngược thích nghi + Điều khiển trượt
Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp điều khiển robot đề biết được ưu nhược điểm của từng phương pháp
1.2.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược
Nguyên lý của phương pháp này là chọn một luật điều khiển phù hợp đề khử thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các khớp nối
t(t) = H(q).##t) + h(q,đ& + g(q) (1.1)
Nếu ta biết các tham số của robot ta có thể tính được các ma trận H, h, g từ đó có luật điều khiển
ta = H(q)U + h(q,#& + g(q) (1.2)
Trang 11Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích thành hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng
&=U
Với robot n khớp nối tương đương với n hệ con độc lập Chọn U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID Lúc đó:
U=q,+K,(đ& =@+ K,(q, =q)+ K, Í (q, =q)dt (13)
trong đó: q„, q là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp & , & là tóc độ đặt và tốc độ thực của khớp
tà & s &+K,et+ - q
& 1 U Tinh + Robot
& ae K,,& K, fe(tdt H(q)U + h(q, 3 + g(q) 0901] ke
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược Và phương trình sai số tương ứng sẽ là:
e+K,e+K,e+K,e=0 (4)
Các hệ số Kp, K,, K; duge chon theo điều kiện ổn định của Lyapunov để sai số giữa quỹ đạo chuyền động chuẩn và quỹ đạo chuyển động thực hội tụ tại điểm 0 không phụ thuộc vào điều kiện ban đầu
Ưu điểm của phương pháp này là khử được tính phi tuyến và sự ràng buộc trong phương trình động lực học
Trang 12phép nhân ma trận vectơ và ma trận phụ Thời gian tính toán lớn là một yếu tố ảnh hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này
1.2.2 Phương pháp điều khiến phản hồi phân ly phi tuyến
Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của điều khiển phân ly cho hệ thống phi tuyến bằng phản hồi tuyến tính hoá tín hiệu ra Từ phương trình động lực học: x(t) = H(q).đ#t) + h(g,& + g(q) (1.5) Y=Y(q) Ma tran H không đơn nhất nên ta có thể viết lại như sau: đ) =[H(4)]'x()—[H(q)].([h(q.@]+[s(g)]) (1.6)
Phương trình này gồm các phương trình vi phân cấp hai cho mỗi biến, vì lẽ đó
qua hai lần vi phân phương trình đầu ra thì hệ số của tín hiệu U sẽ khác 0 Lúc này tín
Trang 13Trong đó: 0 ,(x) = S)0,.y,'”,A = diag(A, „À2 )
j=0
Từ phương trình (1.8) ta nhận thấy tín hiệu điều khiển t,(t)cho khớp ¡ chỉ phụ thuộc vào các biến động lực học và tín hiệu vao E(t)
Thay t(t) từ phương trình (1.8) vào phương trình (1.5) ta được:
H(q).#&) + h(q,4 + g(4) = h(q + g(q) -H(ø'(X)~ AE()) (1.9)
Hay: đ(L) + œ,@&(L) + œ„;q,(Đ) = X,e,(9) (1.10)
Phương trình (1.10) biểu thị vào ra phân ly của hệ thống Các hệ số Œ,,, 0„,,^., được chọn theo tiêu chuẩn ổn định
1.2.3 Phương pháp điều khiến thích nghỉ theo sai lệch
Dựa trên cơ sở lý thuyết sai lệch, Lee và Chung đã đề xuất thuật toán điều khiển đảm bảo robot luôn bám quỹ đạo chuyên động đặt trước với phạm vi chuyển động rộng và tải thay đổi rộng Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch được xây dựng trên cơ sở phương trình sai lệch tuyến tính hoá lân cận quỹ đạo chuyên động chuẩn Hệ thống điều khiển gồm hai khối: Khối tiền định (truyền thắng - feedforward) và khối phản hồi (feedback) như Hình 1.2
Quỹ đạo chuyên |x„() | Phương trình + Đối tượng x(t)
động chuẩn Neuton-Euler & diéu khién + Bộ điều khiển Hệ thống nhận dạng tối tru một nắc bình phương tôi thiêu đệ quy _® Hình 1.2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo sai lệch +
Khối tiền định tính tốn mơ men của robot ứng với quỹ đạo chuyền động chuẩn theo phương trình Newton-Euler Khối phản hồi thực hiện tính toán thành phần mômen sai lệch theo luật tối ưu một nắc nhằm bù sai lệch vị trí và tốc độ của khớp đọc theo quỹ đạo chuyển động chuẩn Khối đánh giá tham số thực hiện theo
Trang 14sơ đồ nhận dạng bình phương tối thiểu thời gian thực đệ quy các tham số và hệ số phản hồi của hệ tuyến tính hoá được cập nhật và chỉnh định ở mỗi chu kỳ mẫu Mômen tổng đặt lên cơ cấu chấp hành sẽ gồm hai thành phần: mômen danh định được tính theo phương trình Newton-Euler từ khối tiền định và mômen bù sai lệch sẽ được tính bởi khối phản hồi thực hiện theo luật tối ưu một cấp
Phương pháp điều khiển thích nghỉ theo sai lệch có hai ưu điểm cơ bản: Nó cho phép chuyển từ vấn đề điều khiển phi tuyến về điều khiển tuyến tính quanh quỹ đạo chuẩn Việc tính toán mômen danh định cũng như mômen sai lệch được
thực hiện độc lập và đồng thời
Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn do khối lượng tính toán quá lớn
và do đó thời gian tác động sẽ chậm, khó tối ưu trong việc điều khiển robot 1.2.4 Phương pháp điều khiến thích nghỉ theo mô hình mẫu
Trong số các phương pháp điều khiển thích nghi (điều khiển thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại, điều khién thich nghỉ tự chỉnh, điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn) thì phương pháp điều khiển thích nghỉ theo mô hình chuẩn (Model Reference Adaptive Control - MRAC) được sử dụng rộng rãi nhất và tương đối dễ thực hiện Nguyên lý cơ bản của điều khiển thích nghỉ theo mô hình chuẩn dựa trên sự lựa chọn thích hợp mô hình chuẩn và thuật toán thích nghi Thuật toán thích nghĩ được tính toán dựa trên tín hiệu vào là sai lệch giữa đầu ra của hệ thống thực và
mô hình chuẩn từ đó đưa ra điều chỉnh hệ số khuếch đại phản hồi sao cho sai lệch đó
là nhỏ nhất Sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiến thích nghi theo mô hình chuẩn
được trình bày trên Hình 1.3 Mô hình Yn chuan FT + Cơ cấu điều ® chinh Tin hiéu - dat
LÀ Đối tượng Đâu ra y
Trang 15Phương pháp điều khién thích nghỉ theo mô hình chuẩn có một số ưu điểm quan trọng là nó không bao gồm mô hình toán học phức tạp và không phụ thuộc vào tham số môi trường Tuy nhiên, phương pháp này chỉ thực hiện được cho mô hình đơn giản tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các khớp của robot Hơn nữa sự ôn định của hệ thống kín cũng là một vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến cao của mô hình động lực học robot
1.2.5 Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghỉ
Là phương pháp tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất
định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình được điều khiển không biết
trước hoặc thay đổi theo thời gian Việc phân tích các hệ thông điều khiển có chat lượng cao luôn là vấn đề trọng tâm trong quá trình phát triển của lý thuyết điều khiển tự động nói chung và vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển bám chính xác quỹ đạo chuyền động của robot nói riêng Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn phân loại mà có các hệ điều khiển thích nghi khác nhau: Hệ có tín hiệu tìm hay
không có tín hiệu tìm; hệ điều khiến trực tiếp hay gián tiếp; hệ cực trị hay hệ giải
Trang 16Vấn để điều khiển bám chính xác quỹ đạo robot là một vấn đề luôn nhận được sự quan tâm chú ý Hiện nay sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật về phần cứng và phần mềm đã cho phép giảm thời gian tính toán, điều đó dẫn tới những động lực cho việc thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điều khiển quỹ đạo thích nghi cho robot
1.2.6 Phương pháp điều khiến trượt
Điều khiển chuyển động bắt biến với nhiễu loạn và sự thay đổi thông số có thé sử dụng điều khiển ở chế độ trượt Điều khiển kiểu trượt thuộc về lớp các hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) với mạch vòng hồi tiếp không liên tục Phương pháp điều khiển kiểu trượt có đặc điểm là tính bền vững rất cao do vậy
Trang 17CHUONG II
MO TA DOI TUQNG - ROBOT SCARA SERPENT 2.1 Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất
Robot Scara là một trong những robot phô biến nhất trong công nghiệp Chuyên động của robot này rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm Robot Scara (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp ráp chọn lọc
Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thắng đứng Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp tịnh tiến Các khớp quay hoạt động nhờ động cơ điện có phán hồi vị trí Khớp tịnh tiễn hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng
Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất:
Hình 2.1b: Assembly Scara Robot của Hirata
Hinh 2.1¢: Scara Robot cua EPSON Hinh 2.1d: Scara Robot cua DENSO
Trang 18
Hinh 2.1e: Scara Robot of ADEPT Hinh 2.1f: Scara Robot of RANOME
Hinh 2.1g: Scara Robot of KUKA Hinh 2.1h: Scara Robot of STAUBLI
Hình 2.2: Robot Scara Serpent cia FEEDBACK
Trang 19Trong phần này luận văn sẽ xây dựng mô tả toán học đối tượng robot Scara Serpent của FEEDBACK
2.2 Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent
Do chuyển động của robot Scara đơn giản, đễ dàng nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Ở đây nghiên cứu robot Scara Serpent (Hình 2.3) một loại cơ bản trong nhóm robot công nghiệp này
Hình 2.3: Robot Scara Serpent
Chiều cao của Robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đôi công việc
Với thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay được đặt trên trục cơ bản và liên hệ với cô tay bằng đai truyền, nên nó đảm bảo được góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình tay máy chuyên động
Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cô tay bằng động cơ servo một chiều có phản hồi vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín Chuyển động thắng đứng được thực hiện bằng piton khí nén
Robot Scara Serpent có thể được lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho mỗi trục Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện (steering) cho tay máy dùng các cuộn day dién tir trong gia treo (pendant)
Trang 202.2.1 Cu tao tay may robot Scara Serpent 2.2.1.1 Cấu hình của robot Scara Serpent
Bao gồm một chuỗi các thanh cứng được liên kết với nhau bởi các khớp:
Hình 2.4: Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên Robot Scara Serpent
Robot Scara Serpent gồm 3 khớp chuyền động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến Gắn cho mỗi thanh nối một hệ trục toạ độ, ta có:
- Khớp I quay quanh trục Zọ góc Ô) - _ Khớp 2 quay quanh trục z¡ góc Ô;
-_ Khớp 3 chuyền động tịnh tiến theo trục z; doan ds
-_ Khớp 4 quay quanh trục z; góc Ô¿
2.2.1.2 Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent
Thông số của động cơ I, 2, 3 tương ứng với các khớp 1, 2, 4 của tay máy robot Scara Serpent (xem bảng 2.1)
-_ Động cơ l truyền động cho khớp 1 (main) -_ Động cơ2 truyền động cho khớp 2 (fore)
Trang 21Bảng 2.1: Thông số các động cơ của robot TT | Loại |U(V) |1(A) | M@Nm) | Nw/p) | P(W) | IKg.m)) | R(©) | LH) | m(Kg) 1 |J9ZF |12 |4.8 |41027 |2100 |1S |0432.109 |1238 |100 | 0,6 2 |JOZF |12 4,8 |4.107 |2100 | 15 0,32.10* | 1,38 | 100 0,6 3 |JI2ZF|12 |4,8 |1210 |2100 |26 | 1,5.107 |0,95 }100 |1 Bảng 2.2: Các thông số động học của robot Scara Serpent TT | Thông số Kích thước động học 1 |mị=4Kg_ | Khối lượng thanh nối l mạ = 1.5 Kg | Khối lượng thanh nối 2 mạ=2Kg_ | Khối lượng thanh nối 3 my = 0.6 Kg | Khối lượng thanh nói 4 ai =0.25m_ | Chiều dài thanh nối giữa 2 khớp main và fore a) =0.15m_ | Chiéu dai thanh nối giữa 2 khớp fore va cé tay ALND] APR] w]r d; Chiều dài thanh nối d; phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy
2.2.2 Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent Các biến khớp có các giới hạn góc quay như sau :
0¡=-96 °+ 96°( So với truc Ox )
6; =-115 °+ 115” (so với trục thanh 1)
Chuyển động quay của khớp thứ nhất có hình chiếu bằng trong hệ trục toạ độ
OX Yo va OX,Z, (Hinh 2.5) tương ứng với góc quay tổng trong thực tế 1a 192°
Trang 22q9
Sự ) Man
Y PO
(88) (96°)
Hình 2.5: Giới hạn góc quay của 2 khớp
Giới hạn bên ngoài của
Hình 2.6: Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent Như vậy khoảng không gian mà tay máy có thể với tới là toàn bộ hình trụ với đáy có đường giới hạn bên trong là một cung tròn có bán kính r = 0.231 (m) và đường giới hạn bên ngoài là đường tròn bán kính R = 0.4 (m)
Trang 23Khi biết được vị trí nào mà tay máy có thê đến được chúng ta có thẻ lập trình trong Matlab để tìm vị trí, quỹ đạo nào mà tay máy có thể vươn tới (được xét đến ở chương III trong bản luận văn này)
2.3 Động học robot Scara Serpent
Robot Scara Serpent có cấu trúc động học được biểu diễn như trên Hình 2.4 Robot có 3 trục quay va 1 bàn kẹp, tuy nhiên ba khớp động đầu tiên được gọi là bộ phận cơ bản vì trước hết, nhờ chúng tay máy có thé thực hiện bước chủ yếu trong thao tác định vị, tức là đưa bàn kẹp đến lân cận điểm làm việc, sau đó nhờ khớp động còn lại bàn kẹp được định hướng và vi chỉnh đến vị trí gia công chính xác
2.3.1 Động học thuận
Việc xây dựng các phương trình động học thuận của robot được tiến hành tuần tự theo các bước sau:
Bước 1: Xác định các hệ toạ độ
Ta sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg để mô tả đầy đủ vị trí của của toàn thân robot công nghiệp Hình 2.4 mô tả các hệ trục toạ độ gắn với các khúc tay của robot Scara Serpent
Bước 2: Xây dựng bảng thông số DH
Bảng 2.3: Tham số Denavit — Hartenberg cia robot Scara Serpent Thanh néi |oa;°) |a; 6,(rad) |d;(m) | Bién | Chuyển động 1 0 ay 6; 0 0; Quay 2 -180° la; 0; 0 0; Quay 3 0 0 0 ds d; Tinh tién 4 0 0 04 0 04 Quay
Trang 24cos@, —sin@, cosa, sin@, cos0, cosa, A,= 0 Thay số liệu trong bảng tham số có: sin 8, 0 0 [ cos0, sin 8, “| 0 0 0 1 0 0 “ © CC c sinÐ, “) 0 0 0 sin a, 0 ©c — c C [cosð, —sin0, cosØ, 0 0 sin, —cos@, 0 0 = Boo cos0, —sinÐ, cos@, 0 0
sin@, sina, a,cos0,
Trang 25> Các bước tính toán: Buoc 1: °T, =A, C, -S, 0 0 8, C, 0 0 ST, =A, = 4 4 0 1 0 0 0 1 Bước 2: ˆT, = A,.'T, 1 00 0l[C, -S, 0 0] [C, -S, 0 0 |0 10 0S, C, 0 0| |S, C, 0 0 J0 0 1 dl0 0 1 0 |0 0 1d, 000 I0 0 01 0 0 01 Bước 3: 'T,=A,.”T, c, S, 0 a,C,ÏC, -S, 0 0 ip |S: “EC: 0 a8; |S, C, 0 0 “)o0 oO -1 0 |0 0 1d, 0 0 0 I1 |0 0 0 1 C,C,+S,S, -C,S,+§,C, 0 a,.C, ip | SC: CS -S8,-C.C, 0,8, ‘ 0 0 -l1 -d 0 0 0 1 Buée 4: T,=°T, = A,.'T, C, -S, 0 a.C,][C,C,+8,8, S,C,-CS, 0 a,.C, op {|5 Có 0 a,§ |} 8.C,-C.8, -(C.C,+8,8,) 0 a,S,|_ “lo 0 1 0 0 0 -l1 -d, 000 1 0 0 0 1
C¡(C2€¿ +S2§¿)— S1 (S2C¿ —C28x) Cy (SyCq —Cy84) +8) (CoCy +884) 0 a2C¡; +a¡C¡ $1 (CyCq + S784) + Cy (SgCq —Cy8q) $1 SyCq —Cy8y)-Cy(CyCq +$y84) 0 a2S¡; + 4S
0 0 -1 -d; (2.2)
Trang 26Ma tran °T, biéu diễn tay máy robot trong hệ toa độ gốc Mặt khác theo ký hiệu tổng quát:
nm, O, a Px Ny, O, ay Py
T, =T, = n ° a > (2.3)
0 0 0 1
Với: H, &, Rp lần lượt là các vectơ định vị, vectơ định hướng, vectơ tới và vectơ vị trí để biểu diễn hướng và vị trí của tay máy trong không gian làm việc
Từ ma trận trên ta có hệ phương trình động học thuận tay máy robot: ny = C¡(C; Ca + S254) — S¡(S2C¿ — C;S¿) (2.4) ny = S\(Cz C4 + S284) + Ci(S2C4 — C284) (2.5) n,=0 (2.6) Ox = C1(S2Cy- Cy Sy) + Si(C2Cq + S284) (2.7) Oy = S{(S2Cq - Ca S¿) - C¡(CạC¿ + S254) (2.8) 0, =0 (2.9) ax, =0 (2.10) ay =0 (2.11) a,=-l (2.12) Va hé phuong trinh xac dinh vi tri cua diém tac động cuối như sau: X=p;„= ai.Ci + a.Cla (2.13) Y= py =ay-S; + a.Si2 (2.14) Z=p,=-d; (2.15) 2.3.2 Động học ngược Động học ngược: xác định các biến khớp khi biết vị trí tay Từ phương trình động học thuận có:
Trang 27Px +py = a; (S; + C?+a;.(SẼ + Ci) +2.a,.a;.(Si.S¡„ + C¡.C¡;)
> p, +p, =a; +a; +2.a,.a,.C, (2.16) 2 +p, —a;—a; 2 2 2 cos0, = Px Py 1 2 Do dé: 2.a).a, (2.17) sin, = +,/(1—cos’0,) Tur do tinh duge géc 0,: Ôz= atan2(sinÔ2,cosÔ;) (2.18) Thế C¡, S¡ vào phương trình (2.13) và (2.14) thu được: (ai+aaC¿).C¡ — a2S2.Sị = px aaS;.C¡ T( aitaa2C2).Sị = Dy Giải phương trình bậc nhất với ấn C¡, S¡ và sử dụng (2.16) thu được : AY — (a, +a,C,).p, +8,Š;.P, tủa p +P; se Ay _ (a, +a,C,).p, —a,S,.p, (2.19) ‘A PL +P, 9¡= atan2(S¡,C¡) (2.20) Từ phương trình (2.15) ta có: d; =-p, (2.21) Mặt khác từ phương trình (2.4) có: nx = Ci(Cz C4 + S284) — S1(S2C4 — C284) (2.22) Rut gọn theo các công thức lượng giác thu được:
n\x = cosÕ¡.cos(Ø›-п) — sinØ¡.sin(Ø;-Ø¿) = cos(Ô¡+0-Øx) (2.23)
sin(0,+0-04) = 4/1— nŸ (2.24)
(0,+0,—0,)=atan2(jI—n¿,„n,)
Trang 28Vậy hệ phương trình động học ngược cua robot Scara Serpent là: c - (@i+4:C;)P, + 4:5;.P, p +P, S = (a, + a,C,).py —8,5,.D, Ộ P +P, 6, = atan2(S,,C,) Px +Py —a) 83 2.a,.a, sin0, =+/(1— cos?0,) 6, = atan2(S,,C,) d, =—P, 6, =6, + 0, —atan2(,/1—-n2,n,) 2.4 Động lực hoc robot Scara Serpent cos0, = (2.26)
Đê mô tả môi quan hệ giữa lực, mômen với vị trí, vận tôc và gia tôc của đôi tượng robot, cần phải xây dựng được phương trình động lực học, từ đó phục vụ cho công việc thiết kế và điều khiển robot Vì vậy cần phải tính toán đầy đủ các thông số của đối tượng trước khi đưa vào mô phỏng
Trang 29_ eT, U; i aq, (2.30b) - h(q, &) - Vectơ [n x I] lực ly tâm và Coriolit: h(q, @) = [hị, hạ, ., hạ] (2.31) h,= Db nth (j=1,2, n) (2.32) h„„ => Trace(U,„I,U/ ) (233) 20, km = ot (2.34) 04,4, - g(q) - Vecto [n x I] lực trọng trường: 94) = [gi Bs Sal (2.35) g = >(-mgu,'r) isj (2.36)
Với robot Scara Serpent gồm 4 chuyền động (3 chuyển động quay và 1 chuyén động tịnh tiến) và mô phỏng với 3 chuyển động quay có các phương trình cụ thể sau: Vecto [4x 1] lực động: Ut) = [t)(t), T(t), 73(t), t4(t)]’ Vecto [4x1] bién khép: q() = [qi(), qa(Ð, d›(9, q(Ð]” 2.4.1 Hàm Euler - Lagrange và các vấn đề động lực học Lagrange định nghĩa sự khác biệt giữa động năng và thế năng của hệ thống: L=K-P (2.37)
Trong đó: K : là động năng của hệ thông P : la tong thé năng của hệ thống
Do đó phương trình động lực học được xác định bằng biểu thức:
tas (2.38)
Trong đó: q¡=0; đối với khớp quay; qi = 1, d6i voi khớp tịnh tiến
Trang 30Động năng của khớp thứ ï:
1 1
K,=—m v+—],.œ° 2m.vịi+ 0i (239) 2.39
Với J; là mômen quán tính của khớp thứ i 2.4.2 Động lực học robot Scara Serpent
Theo cấu hình, robot Scara Serpent có các thông số ở Bảng 2.4: Bảng 2.4: Thông số của robot Scara Serpent Khớp 1 Khớp 2 Khớp 3 Khớp 4 Biến 6; 0; d3 04 Chiéu dai ay a ds 0 Khéi lượng mị mạ m3 mạ Vận tốc Vị Vạ V3 V4 Chiều dài tâm khối lạ lo l¿ lụ
Giả sử khối lượng nằm ở đầu mút các thanh nối, ta có chiều dài tâm khối chính
là chiều dài của thanh nối: lạ = ai lạ=a; — ly=d;
Ký hiệu chiều dài các khớp: ai=l¡ a =1, d; = |;
Trang 31Trong đó: xị, yị, Z¡ là hình chiếu của thanh nói số 1 lên các trục x, y, Z vị =vÏÑ +8 +8 v, =(-1,,-sin ,.&) + (1,,.cos0,.#)? v= Le Trong đó: J; momen quán tính khớp I b,=0 1 > | 2 K,= 5m +559) (2.40) lo 4 le K,=-m,.l),.02+—1,.07 2 li 2 > Khớp2: X, =1,.cos0, +1,,.cos(0, +9,) = 1,.sin0, +1,,.sin(0, +9,) Zz, =90
Trang 361,.1,.Cos0, ].&+ raql tm,,,.154+J,,, + 2.m,,,., +(m,,, 1; +5, + M ,,,-1,.1,.Cos6, ).& + J, B+ ¬ (2.61) —.m,,,1,.1,Sin0, —2m,,,.1,.1,.Sin0, &.& =[m 124 234 1 =[mz¿¿.l2 +J¿„ +m¿¿„.l, 1,.Cos0,] + 2 2.62 +(Myyy 12 +J,,) +I, +m,,,1,.1, Sind, & (2.62) 1= m,, & m,,.g=F, (2.63) 1, = J+ 1+ 1, & (2.64) Trong do: M1234 = M, + Mz + m3 + mạ M34 = mạ + m; + mạ (2.65) mạ =m; +m¿; Với mạ = mạo + m,
mạo : khối lượng của khớp 4
m, _ : khối lượng của tải được nói với khớp 4
Jịaa =l+Js+1Ja
Ing = Ia + Jy 3 VOI Sy = Igo + J
Jao : mô men quán tính của khớp 4
J : mô men quán tính của tai được nối với khớp 4 Với tị, tạ, tạ lần lượt là mômen động tại các khớp quay 1, 2 va 4
1; = F; la luc déng dat lên khớp tinh tiến 3
Nếu chỉ xét mômen động với 3 khớp quay thì có thể viết gọn lại ba phương trình động lực học (2.61), (2.62), (2.64) để tiện cho quá trình tính toán như sau:
Trang 37q H, H, H, & TE + 2TOR hay: t,/=|H,, Hy, Hz; } & + TE tụ H Ay A; é& 0 Các thành phần trong phương trình động lực học được xác định: H,, =m,,,,; +m,,,.5 + J,,, +2.m,,,.1,.1,.Cos0, H,, =m,,,.5 +J,, + m,,,.,.1,.Cos0, HH; =J, H,, =H, H,, =M,,,- dã +1, H;; =J, H,, =H,, =H,, =J, T= “int, Sind, h, = TE + 2TRE =-T@ 1 =
Trang 39CHUONG III
XAY DUNG MO HINH HE THONG DIEU KHIEN 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiến robot
Robot thường tự động thực hiện các nhiệm vụ dịch chuyển hoặc các thao tác Các hoạt động của robot thường được lập trình, việc thực hiện các nhiệm vụ thường làm thay đổi một phần hoặc toàn bộ vị trí của robot trong không gian Có thể coi robot hiện đại như những người máy, có thể thực hiện các thao tác phức tạp, có độ chính xác
cao
Quỹ đạo Bộ điều ,
dat chinh Tay may ° Môi trường Cảm biến
Hình 3.1: Sơ đồ cau trúc chung của hệ thống điều khiển tay máy robot Điều khiển chuyển động của tay máy trong không gian là xác định n thành phần mômen lực tổng quát tác động lên các khớp, mômen lực tổng quát được cung cấp bởi cơ cấu chấp hành Quá trình điều khiển phải đảm báo bộ điều khiển sẽ thực hiện điều khiển chuyển động của các khớp theo quỹ đạo q(t) sao cho q(t) luôn bám qa(t), với ga(t) la vecto quỹ đạo chuyên động mong muốn
Trang 403.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn
Trong điều khiển quỹ đạo robot, phải điều khiển tay robot bám theo một quỹ đạo xác định trước (quỹ đạo chuẩn) Quỹ đạo chuẩn đó là một hàm phụ thuộc thời gian Việc xây dựng quỹ đạo chuyền động chính là tìm phương trình mô tả quỹ đạo robot theo thời gian Có hai bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot:
-_ Thiết kế quỹ đạo cho tay robot: xac dinh xq(t), ya(t) -_ Thiết kế quỹ đạo cho khớp robot: xác định qia(t)
Việc thiết kế quỹ đạo khớp robot có ưu điểm: q(t) là lượng đặt trực tiếp, hệ điều
khiển là hệ điều khiển vị trí khớp, có thể xác định được điều kiện giàng buộc của động cơ và hệ truyền động, giải bài toán động học ngược đơn giản Nhược điểm là khó đảm bảo chính xác quỹ đạo tay
Thiết kế quỹ đạo tay robot có ưu điểm: lượng đặt là vị trí tay robot nên đảm bảo chính xác quỹ đạo Nhược điểm: phải giải bài toán động học ngược phức tạp với khối lượng tính toán lớn và khó tính được điều kiện giàng buộc
Yêu cầu điều khiển sao cho khớp robot chuyền động từ vị tri qo dén vi tri qe trong thời gian tạ Với dữ kiện ban đầu như vậy có các dạng quỹ đạo như sau:
> Dạng quỹ đạo bậc 3
q(t) = at® + bt? + ct +d @.1)
Việc thiết kế quỹ đạo là xác định các hệ số a, b, c, đ > Dang quy dao 2-1-2
Trong quá trình chuyển động từ qọ đến q trải qua ba giai đoạn: - Giai đoạn tăng tốc: q(t) 1a hàm bậc hai theo t
-_ Giai đoạn chuyển động đều: q(t) là hàm bậc nhất theo t - Giai đoạn giảm tốc: q(t) la ham bậc hai theo t
> Dang quy dao 4-1-4
Khớp Robot chuyên động từ qọ đến q, trong thoi gian ty biét: