Thiết kế bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ GIÁM SÁT LỖI CHO MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO MÃ SỐ: SV2021-41 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN THIỆN QUANG SKC007600 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ GIÁM SÁT LỖI CHO MƠ HÌNH CÁNH TAY ROBOT BẬC TỰ DO SV2021-41 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực : Nguyễn Thiện Quang Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 171511 Năm thứ: /Số năm đào tạo: Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Người hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện TP Hồ Chí Minh, 10/2021 ix TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com MỤC LỤC MỤC LỤC x DANH MỤC HÌNH ẢNH xiv DANH MỤC BẢNG xviii DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT xix MỞ ĐẦU ❖ ❖ ❖ ❖ Tình hình nghiên cứu lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu ❖ Giới thiệu nội dung CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1 Định nghĩa robot: 1.2 Các loại cánh tay robot ứng dụng: 1.2.1 Robot giàn: 1.2.2 Robot hình trụ: 1.2.3 Robot hình cầu: 1.2.4 SCARA robot: 1.2.5 Robot song song: 1.3 Phân loại robot: 1.3.1 Phân loại theo kết cấu: 1.3.2 Phân loại theo điều khiển: x TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 1.3.3 1.4 Phân loại theo ứng dụng: Động học robot: 1.4.1 Động học thuận cánh tay robot: 1.4.2 Động học nghịch cánh tay robot 1.5 Quy hoạch quỹ đạo: 1.6 Động lực học cánh tay robot: 1.7 Các phương pháp truyền động cánh tay robot 1.8 Lý thuyết điều khiển PID 1.9 Lý thuyết điều khiển computed torque 1.10 Lý thuyết điều khiển Sliding mode: 1.11 Lý thuyết giám sát lỗi CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 2.1 Thiết kế phần khí: 2.1.1 Yêu cầu phần cứng: 2.1.2 Thiết kế mơ hình tối ưu mô h 2.1.3 Lựa chọn thiết bị cho phần k 2.2 Thiết kế phần điện: 2.3 Thi công phần cứng: 2.3.1 Thi cơng phần khí: 2.3.2 Thi công phần điện CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Động học cánh tay robot 3.2.1 Động học thuận xi TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 3.2.2 3.3 3.3.1 Động học nghịch Không gian làm việc quy hoạch quỹ đạo cho robot Không gian làm việc 3.3.2 Quy hoạch quỹ đạo cho robot 3.4 Động lực học 3.5 Thiết kế chương trình mơ Matlab-Simulink 3.5.1 Chuyển đổi solidworks sang Sim 3.5.2 Thành lập phương trình vi phần 3.6 Mơ chưa có điều khiển 3.7 Thiết kế chương trình mơ có điều khiển 3.8 Thiết kế giám sát lỗi 3.9 Thiết kế điều khiển thực tế 3.9.1 Sơ đồ tổng quát hệ thống 3.9.2 Lưu đồ giải thuật chương trì CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Kết mơ chưa có điều khiển 4.1.1 Kết kiểm tra Simscape 4.1.2 Kết kiểm tra động học, quy 4.2 Kết mơ có điều khiển 4.3 Kết giám sát lỗi CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 Kết phần cứng 5.2 Kết thực nghiệm CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ xii TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 6.1 Kết luận 89 6.2 Kiến nghị 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 BÀI BÁO KHOA HỌC 98 xiii TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Cấu trúc robot giàn Hình Cấu trúc robot hình trụ Hình Cấu trúc robot hình cầu Hình Cấu trúc robot SCARA Hình Cấu trúc robot song song Hình Cấu trúc điều khiển vịng hở Hình Cấu trúc điều khiển vịng kín Hình Robot lắp ráp ô tô 10 Hình Máy xúc 10 Hình 10 Phân tích cấu trúc robot 10 Hình 11 Robot dị mìn 10 Hình 12 Cấu trúc động học thuận 11 Hình 13 Mơ hình hóa khâu khớp robot 11 Hình 14 Cấu trúc động học nghịch 13 Hình 15 Quy hoạch quỹ đạo robot 14 Hình 16 Cấu trúc điều khiển PID 22 Hình 17 Ảnh hưởng Kp lên hệ thống 23 Hình 18 Ảnh hưởng Ki lên hệ thống 23 Hình 19 Ảnh hưởng Kd lên hệ thống 24 Hình 20 Cấu trúc điều khiển tuyến tính hóa 25 Hình 21 Cấu trúc điều khiển Sliding mode 25 Hình 22 Cấu trúc điều khiển kiểm sốt lỗi …………………………………………26 Hình Khung robot bậc tự 27 Hình 2 Robot bậc tự phiên 28 Hình Robot bậc tự phiên 28 Hình Robot bậc tự phiên 28 Hình Robot bậc tự phiên 29 xiv TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Hình Sơ đồ khối phần điện 33 Hình Sơ đồ mạch điện chi tiết 37 Hình Sơ đồ nối dây nút nhấn 38 Hình Sơ đồ nối dây đèn báo 38 Hình 10 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển Proteus 38 Hình 11 Bản vẽ PCB mạch điều khiển 39 Hình 12 Hình ảnh 3D mạch điều khiển 39 Hình Mơ hình cánh tay robot bậc tự 41 Hình Cấu trúc mơ hình cánh tay robot bậc tự 42 Hình 3 (a) Không gian làm việc Oxyz, (b) Không gian làm việc Oxy, (c) Không gian làm việc Oyz, (d) Không gian làm việc Oxz 47 Hình Chương trình mơ quỹ đạo 48 Hình (a) Quỹ đạo điểm, (b) Quỹ đạo điểm (c) Quỹ đạo điểm, (d) Quỹ đạo tròn 48 Hình Chức Mass Properties Solidworks 49 Hình Chương trình chuyển từ Solidworks sang Matlab-Simulink 51 Hình Bên ngồi khối phương trình vi phân cánh tay robot bậc tự 52 Hình Bên khối phương trình vi phân cánh tay robot bậc tự 52 Hình 10 Sơ đồ giải thuật chưa có điều khiển 53 Hình 11 Sơ đồ giải thuật có điều khiển 53 Hình 12 Cấu trúc điều khiển PD 54 Hình 13 Cấu trúc điều khiển PD-CTC 54 Hình 14 Cấu trúc điều khiển SMC 55 Hình 15 Cấu trúc giám sát lỗi 56 Hình 16 Lưu đồ điều khiển robot nút nhấn ON, PAUSE, HOME 58 Hình 17 Lưu đồ điều khiển vị trí động 59 Hình Quỹ đạo trịn tâm O(0.28;0;0.4)m bán kính R=0.14m 59 xv TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com PHỤ LỤC Chương trình tính động học thuận: function [p_x,p_y,p_z] = FORWARDKINEMATIC(the1,the2,the3,the4) d1=0.085; % thong so vat ly cua robot d2=0.1872; d3=0.14; d4=0.06; a1=0.3405; c1=cos(the1); % dat c1 s1 cho gon s1=sin(the1); c2=cos(the2); s2=sin(the2); c3=cos(the3); s3=sin(the3); c4=cos(the4); s4=sin(the4); T01= [ c1 -s1 0; s1 c1 0; 0 a1; 0 ma tran chuyen vi T12= [ c2 -s2 d1; 0 -1 0; s2 c2 0 ; 0 T23= [ c3 -s3 d2; s3 c3 0; 0 0; 0 T34= [ c4 -s4 d3; s4 c4 0; 0 0; 0 T45= [ 0 d4; 0; 0 0; 0 1]; 1]; % 1]; 1]; 1]; TFK= (T01*T12*T23*T34*T45); % ma tran chuyen vi tu diem dau cuoi ve toa goc st=TFK(3,1); ct=TFK(3,2); p_x=TFK(1,4); p_y=TFK(2,4); p_z=TFK(3,4); phi=atan(st/ct); 92 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương trình tính động học nghịch: function[the11,the2,the3,the4]=INVERSEKINEMATIC(p_x,p_y,p_ z,phi) d1=0.085;% thong so vat ly cua robot, don vi met d2=0.1872; d3=0.14; d4=0.06; a1=0.3405; O31=sin(phi); %thanh phan ma tran Rotation O32=cos(phi); %thanh phan ma tran Rotation the1= atan(p_y/p_x); ;% don vi rad A= p_x*cos(the1) + p_y*sin(the1)-d1d4*O32; B= p_z - a1 - d4*O31; costhe3= (A^2+B^2-d3^2-d2^2)/ (2*d2*d3); costhe3=max(min(costhe3,1),-1); sinthe3=sqrt(1-costhe3^2); the3=atan2(sinthe3,costhe3); % the3= acos(costhe3); C= d2 + d3*cos(the3); D= d3*sin(the3); sinthe2= (B*C-A*D)/(C^2+D^2); costhe2= (A+ D*sinthe2)/C; %costhe2=max(min(costhe2,1),-1); the2=atan2(sinthe2,costhe2); the4= phi-the2-the3; the11=the1; %theta=[the1;the2;the3;the4]; Chương trình quy hoạch quỹ đạo hình trịn: function [px_d,py_d,pz_d,phi]= Trajectory_Planning(t) f=0.1;%hz pz_d=0.4+0.14*sin(2*pi*f*t);%Vi tri truc z py_d=0.14*cos(2*pi*f*t);%Vi tri truc y px_d=0.38;%Vi tri truc z phi=0;% huong diem cuoi robot 93 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Chương trình quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm: function[px,py,pz,phi]=TRAJACTORYPLANNING4diem(p_x,p_y,p_z ,t,tf,phi1) if(mod(t,4*tf)