Điều khiển cánh tay robot 2 bậc sử dụng bộ điều khiển slide modeling control

Báo cáo đồ án thiết kế Đề tài Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do Hà Nội, năm 2022 Mục lục Contents Lời nói đầu 3 Chương1 Tổng quan về Robot công nghiệp 1 1 Sự ra đời của robot công ngh.

z  Báo cáo đồ án thiết kế Đề tài: Thiết kế điều khiển trượt cho robot bậc tự Hà Nội, năm 2022 Mục lục Contents Lời nói đầu……………………………………………………………………….3 Chương1 Tổng quan Robot cơng nghiệp Lời nói đầu Tính cấp thiết đề tài Robot ngày đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp tự động tính linh hoạt hiệu Robot đem lại suất lao động cao, giảm chi phí nguyên vật liệu dạng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng giảm giá thành sản phẩm, tạo khả cạnh tranh cao thị trường quốc tế Mặt khác, Robot giải phóng người khỏi lao động chân tay Chính nghiên cứu điều khiển chuyển động Robot lĩnh vực quan tâm Lĩnh vực điều khiển Robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mơ men, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học cho Robot, … Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài ứng dụng logic mờ thiết kế điều khiển mờ vào điều khiển chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Việc sử dụng logic mờ điều khiển có khả cài đặt tri thức, kinh nghiệm chuyên gia đặc điểm bật so với điều khiển kinh điển… Trong công nghiệp, đa số đối tượng điều khiển phi tuyến Robot đối tượng phi tuyến hệ MIMO, Robot sản xuất công nghiệp hệ thống sản xuất cần độ xác cao công nghiệp sản xuất ôtô, công nghệ y học, cơng nghiệp vũ trụ… thiết kế điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động ln địi hỏi thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu trên, chúng em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động Robot hai bậc tự do” Trong đối tượng nghiên cứu Robot hai bậc tự Phạm vi nghiên cứu đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng điều khiển trượt áp dụng cho toán điều khiển chuyển động Robot khâu” CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Sự đời robot công nghiệp -Thuật ngữ “Robot” lần xuất năm 1922 tác phẩm “Rosum’s Universal Robot “ Karal Capek Theo tiếng Séc Robot người làm tạp dịch Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Mỹ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa, phịng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959, Devol Engelber chế tạo Robot công nghiệp công ty Unimation -Năm 1967 Nhật Bản nhập Robot công nghiệp từ công ty AMF Mỹ Đến năm 1990 có 40 cơng ty Nhật, có cơng ty khổng lồ Hitachi, Mitsubishi Honda đưa thị trường nhiều loại Robot tiếng - Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết mơi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại Robot lắp ráp tự động điều khiển vi tính sở xử lý thông tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian công ty IBM chế tạo Robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực điều khiển máy vi tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết - Những năm 90 áp dụng rộng rãi tiến khoa học vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ Robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền sản xuất đại Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu Robot “Robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… 1.2 Phân loại tay máy theo robot công nghiệp Trong nội dung đồ án nhằm vào đối tượng Robot công nghiệp (RBCN), thực chất thiết bị tay máy (Handling Equipment) Công nghệ tay máy (Handling Technology) công nghệ dạng thiết bị kỹ thuật có khả thực chuyển động theo nhiều trục không gian, tương tự người Về phân thiết bị tay máy thành loại : Điều khiển (ĐK) theo chương trình hay ĐK thơng minh : Loại điều khiển theo chương trình • Chương trình cứng: Các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt động cố định Ta hay gặp họ hệ thống kho đại Chúng có trục chuyển động thu thập thông tin quãng đường qua tiếp điểm hành trình Ta khơng thể ĐK chúng theo quỹ đạo mong muốn 1.2.1 • Chương trình linh hoạt: Là họ Robot mà người sử dụng có khả thay đổi chương trình ĐK chúng tuỳ theo đối tượng công tác Ta hay gặp chúng công đoạn hàn, sơn hay lắp ráp cơng nghiệp Ơtơ Trong hình 1.1 ta gọi Robot cơng nghiệp 1.2.2 Loại điều khiển thơng minh • Manipulator: Là loại tay máy ĐK trực tiếp người, có khả lặp lại chuyển động tay người Bản chất dạng thiết bị hỗ trợ cho khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) kinh nghiệm người sử dụng Hay sử dụng nhiệm vụ cần chuyển động phức hợp có tính xác cao, hay mơi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, mơi trường khó tiếp cận v.v • Telemanipulator: Là loại Manipulator điều khiển từ xa người ĐK phải sử dụng hệ thống Camera để quan sát môi trường sử dụng Như vậy, Robot công nghiệp khác loại tay máy cịn lại điểm “sử dụng vạn năng” “khả lập trình linh hoạt” 1.3 Ứng dụng robot công nghiệp: *Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều xuất phát từ ưu điểm Robot : - Robot thực quy trình thao tác hợp lý người thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian dài làm việc Do Robot giúp nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm - Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng Robot giảm đáng kể chi phí cho người lao động - Robot giúp tăng suất dây chuyền công nghệ - Robot giúp cải thiện điều kiện lao động Đó ưu điểm bật mà cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có nhiều nơi người lao động phải làm việc mơi trường nhiễm, ẩm ướt, nóng nực Thậm chí độc hại đến sức khoẻ tính mạng mơi trường hố chất, điện từ, phóng xạ … Hình 1.1: Robot bốc dỡ hàng hóa Hình 1.1: Robot sản xuất ô tô 1.4 Cấu trúc robot cơng nghiệp: Trên hình 1.1 giới thiệu phận chủ yếu Robot công nghiệp: Tay máy gồm phận: Đế đặt cố định gắn liền với xe di động 2, thân 3, cánh tay 4, cánh tay 5, bàn kẹp Hình 1.3: Cấu trúc robot công nghiệp - Hệ thống truyền dẫn động khí, thuỷ khí điện khí: phận chủ yếu tạo nên chuyển dịch khớp động - Hệ thống điều khiển đảm bảo hoạt động Robot theo thông tin đặt trước nhận biết trình làm việc - Hệ thống cảm biến tín hiệu thực việc nhận biết biến đổi thông tin hoạt động thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) mơi trường, đối tượng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu) 1.5 Bậc tự robot - Robot công nghiệp loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy chúng phải cấu tạo cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo hướng định di chuyển dễ dàng vùng làm việc Muốn cấu tay máy phải đạt số bậc tự chuyển động -Thông thường khâu cấu tay máy nối ghép với khớp quay khớp tịnh tiến Gọi chung chúng khớp động Các khớp quay khớp tịnh tiến thuộc khớp động học loại Cơng thức tính số bậc tự : Với: n: số khâu động p: số khớp loại i 10 Chương III: Thiết kế điều khiển trượt cho robot bậc tự 3.1 Nguyên lý điều khiển trượt Điều khiển trượt kỹ thuật phổ biến phương pháp điều khiển phi tuyến sử dụng Bộ điều khiển trượt bậc (first – order SMC) áp dụng đồ án, mặt trượt định nghĩa tổ hợp tuyến tính biến trạng thái sai lệch Nguyên lý thiết kế điều khiển trượt trình bày sau: Ta xét động học sau: Trong đại lượng vô hướng x đâu mong muốn, đại lượng vơ hướng u tín hiệu điều khiển đầu vào,  = vecto trạng thái, A() hàm phi tuyến khơng biết xác  () ma trận biểu diễn độ khuếch đại điều khiển xác Gọi trạng thái ban đầu phải là: Gọi vector sai lệch tín hiệu đặt là: Với mục tiêu điều khiển bám quỹ đạo đặt cần xác định luật điều khiển hồi tiếp  = () cho trạng thái hệ kín bám theo trạng thái mong muốn triệt tiêu ̃ → ∞ Ta định nghĩa bề mặt trượt bề mặt biến thiên theo thời gian () khơng gian trạng thái  () phương trình vơ hướng (;) = đó: Với  số dương Ví dụ  = = + ̃ tức  tổng mức ảnh hưởng sai lệch vị trí sai lệch vận tốc Việc giữ giá trị vơ hướng  = giải cách chọn luật điều khiển  PT cho bên ngồi S(t) ta có: 15 Trong  số dương, PT cho thấy khoằng cách đến bề mặt  tính 2, giảm xuống theo quỹ đạo hệ thống Vì buộc quỹ đạo hệ thống hướng tới bề mặt () Bắt đầu từ điểm xuất phát ban đầu dó, quỹ đạo trạng thái chạm đến mặt trượt, sau trượt dọc theo mặt trượt hướng đến  với tốc độ hàm mũ, với số thời gian 1/ Tóm lại từ PT chọn hàm , sau chọn luật điều khiển  phương trình cho 2 trì hàm Lyapunov hệ kín, bất chấp thiếu xác mơ hình có mặt nhiễu loạn Trình tự thiết kế gồm bước: - Bước một, chọn luật điều khiển  thảo mãn điều kiện trượt PT - Bước hai, luật điều khiển không liên tục  chọn bước làm nhẵn cách thích hợp để có dung hịa tối ưu dải thơng điều khiển tính xác quỹ đạo, đồng thời khắc phục tượng chattering (hiện tượng dao động tiến gốc cân bằng) 3.2 Thiết kế điều khiển trượt cho cánh tay robot hai bậc tự Xét đối tượng phi tuyến bậc n mơ tả phương trình: x(n)=f(x,t)+u(t) Trong : X biến trạng thái, u tín hiệu điều khiển Đặt e sai lệch: e= xset-x với xset giá trị mong muốn, x giá trị đáp ứng Đặt s=e(n-1)+ λ1 e(n-2)+….+ λn-2 + λn-1.e (3) Phương trình s=0 gọi mặt trượt, đạo hàm (3) ta có: =e(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 =xset(n)-x(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 (4) Thay x(n)=f(x,t)+u(t) vào (4) ta có: = xset(n)-f(x,t)-u(t)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 Chọn tín hiệu điều khiển u để =-K.sign(s) với (K>0), ta có: u=-f(x,t)+ xset(n)+ λ1 e(n-1)+…+ λn-2.e(2)+ λn-1 + K.sign(s) (6) 16 đạo hàm Lyapunov function V=S2 Nếu u thiết kế luật điều khiển (6) =-K.sign(s) Ta có =s.=-K.|s|delay) sat_s=sign(s); else sat_s=s/delay; end SMC_Signal=-K*sat_s; end 20 Khối động lực học robot function [y1,y2]=Control(theta1, D_theta1, DD_theta1, theta2, D_theta2, DD_theta2, lambda1, de1, lambda2, de2) l1=1; m1=0.8; l2=0.5; m2=0.4; g=9.9; D11 = (m1 + m2)*l1^2 + m2*l2^2 + 2*m2*l1* l2*cos(theta2); D12 = m2*l2^2 + m2*l1*l2*cos(theta2); D22 = m2*l2^2; Z = m2*l1*l2*sin(theta2); G1= (m1+m2)*l1*cos(theta2)*g + m2*l2*cos(theta1+theta2)*g; G2 = m2*12*cos(theta1 + theta2)*g; T1 = D11*DD_theta1 + D12*DD_theta2- Z*D_theta2*D_theta1Z*(D_theta1 + D_theta2)*D_theta2+G1; T2 = D12*DD_theta1 + D22*DD_theta2 +Z * D_theta1*D_theta1+ G2; y1 = -T1 + DD_theta1 - lambda1*(de1); y2 = -T2+DD_theta2 - lambda2*(de2); end 21 4.3 Kết mô nhận xét **Kết mô ứng với =K.sign(s) Khớp thứ cánh tay robot Hình 4.2 Sai lệch e khớp thứ Hình 4.3 Sai lệch 22 Khớp thứ cánh cánh tay robot Hình 4.4 Sai lệch e khớp thứ hai Hình 4.5 Sai lệch 23 Momen xoắn khớp Hình 4.6 Momen xoắn khớp (N.M) Hình 4.7 Momen xoắn khớp (N.M) *Nhận xét: - Hình 4.2 , 4.3 , 4.4, 4.5 cho thấy đặc điểm thời gian góc mong muốn θ1_ set θ2_ set, góc phản hồi (θ1, θ2), lỗi (1, 2) Kết mô cho thấy: Ban đầu, góc mong muốn góc phản ứng khơng nhau, sau thời gian ngắn (khoảng 1,6s) góc phản ứng gặp 24 góc mong muốn, góc phản hồi ln khớp với góc mong muốn, sai số (1, 2) số khơng Do đó, khẳng định chất lượng hệ thống kiểm soát tốt Mômen điều khiển khớp thể Hình 4.6 4.7 - Các kết mô cho thấy tượng chệch mô-men xoắn cao, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ thống, làm cho tuổi thọ cấu chấp hành thiết bị giảm Để khắc phục hạn chế này, thêm độ trễ thành hàm (), hàm () chuyển đổi thành sau: i =Ki.sat(si) Trong d độ trễ, đặt d = 0,005 Trong trường hợp i = Ki.sat(si) kết mô hiển thị Hình 4.8-4.13 Hình 4.8-4.11 cho thấy quỹ đạo trạng thái pha khớp Ta thấy quỹ đạo trạng thái pha thẳng gốc tọa độ mà khơng có dao động Do đó, chất lượng hệ thống cải thiện Đặc điểm thời gian góc mong muốn θ1_ set θ2_ set, góc phản hồi, lỗi (1, 2) Kết mô cho thấy thêm độ trễ chất lượng hệ thống tốt, góc phản hồi ln góc mong muốn với sai số khơng Hình 4.12-4.13 cho thấy tượng kêu rắc mômen khớp giảm đáng kể, điều cần thiết cho hệ thống để đảm bảo cấu chấp hành thiết bị hoạt động bền vững *Kết mô ứng với i = Ki.sat(si) 25 Khớp thứ Hình 4.8 Hình 4.9 sai lêch 26 Khớp thứ Hình 1.10 Hình 4.11 Sai lệch e 27 Momen xoắn khớp Hình Momen xoắn khớp 12 (N.M) Hình 4.13 Momen xoắn khớp (N.M) 28 Tài liệu tham khảo [1]2018 6th International Conference on Control Engineering & Information Technology (CEIT), 25-27 October 2018, Istanbul, Turkey Sliding Mode Control of a Two-link Robot Manipulator Using Adams & Matlab Software [2] Điều khiển Robot công nghiệp ,Nguyễn Mạnh Tiến [3]A Sliding Mode Control for Robot Manipulator,Auralius Manurung RIS-Lab May, 2010 [4] C Edwards, S Spurgeon, Sliding Mode Control Theory and Applications, Taylor & Francis [5] T N Trong and M N Duc, “Sliding Surface in Consensus Problem of Multi-Agent Rigid Manipulators withNeural Network Controller,” Energies, vol/issue: 10(12), pp 2127, 2017 29 ... m2)*l1 ^2 + m2*l2 ^2 + 2* m2*l1* l2*cos(theta2); D 12 = m2*l2 ^2 + m2*l1*l2*cos(theta2); D 22 = m2*l2 ^2; Z = m2*l1*l2*sin(theta2); G1= (m1+m2)*l1*cos(theta2)*g + m2*l2*cos(theta1+theta2)*g; G2 = m2* 12* cos(theta1... gian 2. 2 Cánh tay robot bậc tự phương trình động lực học 2. 2.1 Cánh tay robot bậc tự do: 11 Hình 2. 1: Cánh tay robot bậc tự Cánh tay Robot bậc loại cánh tay đơn giản với khớp vận động Chúng áp dụng. .. kế điều khiển trượt cho robot bậc tự 3.1 Nguyên lý điều khiển trượt Điều khiển trượt kỹ thuật phổ biến phương pháp điều khiển phi tuyến sử dụng Bộ điều khiển trượt bậc (first – order SMC) áp dụng