Giáo trình IUH Kỹ thuật robot Chương 7 Điều khiển chuyển động

Chương Điều khiển chuyển động Chương trình bày kỹ thuật thiết lập quỹ đạo di chuyển cho tay máy cho phép việc tạo tín hiệu đầu vào tham chiếu đến hệ thống điều khiển chuyển động Bài toán điều khiển cánh tay máy xem việc xác định quỹ đạo lực tổng quát (lực mô-mcn) theo thời gian sinh cấu truyền động khớp, để đảm bảo tay máy thực nhiệm vụ yêu cầu vần đáp ứng yêu cầu độ trạng thái ổn định Các nhiệm vụ có the liên quan đến thực việc di chuyển tay máy không gian tự do, thực chuyển động quy định tương tác lực với môi trường xung quanh Với mức độ phức tạp vậy, hai vấn đề giải riêng biệt: điều khiến chuyển động không gian tự do, điều khiển tương tác với môi trường xung quanh, vấn đề điều khiển chuyển động tay máy chủ đề Chương Nội dung Chương sõ trình bày số phương pháp điều khiến không gian khớp Các phương pháp phân biệt sơ đồ điều khiển phàn tán, chẳng hạn khớp điều khiển độc lập với khớp khác, sơ đồ điều khiển tập trung, tức tương tác dộng lực học giữci khớp xem xét đến Cuối cùng, tiền đề cho vấn đề điều khiển tương tác, Chương trình bày đặc tính sơ đồ điều khiển khơng gian làm việc 7.1 Bài tốn điều khiển Một số phương pháp áp dụng để điều khiển cánh tay máy Phương pháp chọn lựa có hiệu định lên kết điều khiển hệ thống, tuỳ thuộc vào yêu cầu điều khiển Chẳng hạn, yêu cầu điều khiển bám theo quỹ dạo không gian làm việc khác so với yêu cầu điều khiển điểm diểm, tức cần di chuyến đến vị trí cuối Mặt khác, thiết kế khí cánh tay máy củng có ảnh hương đến loại điều khiển dược áp dụng Ví dụ, vấn đề diều khiển cho cánh tay máy Đề-các khác so vởi tay máy kiểu người (Anthropomorphic) 181 Hình 7.1: Sơ đồ khối tổng quan điều khiển không gian khớp Hệ thống truyền động khớp tác động lên loại điều khiển sử (lụng Nếu cánh tay máy sử (lụng động điện với giảm tốc có tỷ số truyền cao xuất giảm tốc (lường tuyến tính hố động lực học hệ thống, để có the tách riêng khớp nhằm làm giảm hiệu ứng phi tuyến hệ thống Tuy nhiên, việc sử (lụng giảm tốc lại làm xuất ma sát khớp, độ đàn hồi khe hở cạnh (giữa bánh răng) mà điều làm giới hạn kết hệ thống qn tính cấu hình, Coriolis lực ly tâm, Ngược lại, cánh tay máy vận hành truyền dộng trực tiếp loại bỏ dược hạn chế ma sát, độ đàn hồi khe hở cạnh, độ phi tuyến ghép nối khớp lại vấn đề Do vậy, phương pháp điều khiên cần xem xét kỹ lưỡng để đạt kết cao Trong trường hợp khơng xét đến loại hình cụ thể cánh tay máy, đáng lưu ý thông số tác vụ (chuyển động lực khâu tác động cuối) thường định không gian làm việc, hoạt động điều khiển (lực tổng quát sinh cấu truyền động khớp) lại đứợc thực không gian khớp Điều dần đến việc xem xét hai loại sơ đồ điều khiển tổng quát, sơ đồ điều khiển khơng gian khớp (Hình 7.1) sơ đồ điều khiển khơng gian làm việc (Hình 7.2) Trong hai sơ đồ, cấu trúc điều khiển dều vịng kín để khai thác líu điểm từ điều khiển hồi tiếp, hạn tính bền vững mơ hình khơng chắn giảm tác động nhiễu Nói chung, cân nhắc sau nên xem xét Vấn đề điều khiên khơng gian khớp thực chia thành hai toán Đầu tiên, giải toán động học ngược tay máy để biến quỹ đạo chuyển động mong muốn xd không gian làm việc thành quỹ đạo chuyển động qd khơng gian khớp Sau đó, sơ dồ điều khiển không gian khớp thiết kế dể cho phép quỹ đạo chuyển động thực tế khớp q bám theo quỹ đạo tham chiếu qd Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp sơ đồ điều khiển không gian khớp không tác động lên biến xe không gian làm việc, biến ngõ thực tế có tính đến ảnh hưởng kết cấu khí cánh tay máy (Hình 7.1) Rõ ràng khơng chắn cấu trúc khí (dung sai thiết kế, thiếu hiệu chuẩn hệ thống, khe hở cạnh, độ đàn hồi, ) hay thiếu xác thơng tin vị trí khâu tác động cuối so với đối tượng dề dàng gây độ xác biến khơng gian làm việc Vấn đề điều khiển không gian làm việc lại đòi hỏi giải thuật điều khiển phức tạp hơn, phần dộng học ngược tích hợp vịng hồi tiếp Ưu điểm phương pháp diều khiển khả tác động trực tiếp lên biến không gian làm việc, bao gồm sai số kết cấu khí 182 Hình 7.2: Sơ đồ khối tổng quan điều khiển không gian hoạt động Tuy nhiên, ưu điểm tiềm phép đo biến khơng gian làm việc thường khơng điíỢc thực trực tiếp mà phải thông qua động học thuận nhờ phép đo giá trị biến không gian khớp Trên sơ đó, phần tiếp theo, sơ đồ điều khiển chuyển động tay máy không gian khớp trình bày trước tiên Kế đến sơ đồ điều khiển không gian làm việc mức độ điều khiển tương tác với môi trường 7.2 Điều khiển không gian khớp Như trình bày Chương 6, phương trình động lực học chuyển động cánh tay máy, để đơn giản ngoại lực khâu tác động cuối ma sát tĩnh bỏ qua, mô tả sau: B(q)q + C(q, q)q + F„q + g(q) = T (7.1) Dế điều khiển chuyển động cánh tay máy không gian tự (nghĩa tương tác lực khâu tác động cuối tay máy với mơi trường) cần xác định n thành phần lực tong quát - mô-men cho khớp quay lực cho khớp tịnh tiến để thực chuyển động ợ(t) cho ợ(í) = Ợdơ) gần tốt, Ợd(t) biểu thị véc-tơ biến quỹ đạo khớp mong muốn Lực tổng quát sinh cấu chấp hành thơng qua truyền động thích hợp để chuyển đổi thành đặc điểm chuyển động Dặt qm biểu thị cho véc-tơ chuyển vị cấu chấp hành khớp; truyền động - giả sử cấu truyền động cứng khơng có khe hở cạnh - thiết lập sau: Krq 183 Qm (7.2) Hình 7.3: Sơ đồ khối cánh tay máy hệ truyền động hệ thống điều khiển áp Kr ma trận đường chéo (n X 7i), mà thành phần định nghĩa (6.22) lớn nhiều so với Theo (7.2), Tm biêu thị véc-tơ mô-men quay cấu chấp hành, ta viết Tm = Ấ'r-1T (7.3) Dối chiếu đến (5.1) - (5.4) n hệ thống truyền động mơ tả dạng ma trận phương trình: = Ktia R,ỊỈa T R,,qlrl va = Gvvc (7.4) (7.5) (7.6) phương trình (7.4), Ki ma trận đường chéo số mô-men xoắn ia véc-tơ dòng điện phần ứng n động cơ; (7.5), va véc-tơ diện áp phần ứng, Ra ma trận đường chéo điện trở phần ứng Kv ma trận đường chéo số diện áp n dộng cơ: (7.6), Gv ma trận dường chéo độ lợi n khuếch đại V, véc-tơ điện áp điều khiển n động servo Tổng hợp (7.1), (7.2), (7.1), (7.5), (7.6), mơ hình động lực học hệ thống cho bơi cánh tay máy truyền động dược mô tả sau: z?(g)ợ + C(q q)q + Fq + g(q) = u (7.7) F = F„ + K,KtR;'KvKr u = KrK,R;'Gvve (7.8) (7.9) với Từ (7.1), (7.7), (7.8), (7.9) có được: KrKtR-ỵGvvc = r + KrKtR-ỵKvKrq (7.10) T = KrKtR~x(GvVc - KvKr(ị) (7.11) Hệ thống sau dược diều khiển điện áp sơ dồ khối tương ứng minh họa Hình 7.3 Nếu giả định sau dây dược cho: 184 Hình 7.4: Sơ đị khối cánh tay máy hệ truyền động hệ thống điều khiển rnơ-mcn • phần tử ma trận Kr, đặc trưng cho truyền động, lớn nhiều so vói 1; • phần tử ma trận Ra nhỏ, điển hình trường hợp động servo hiệu suất cao; • cấc giá trị mõ-mcn xoắn T cần thiết cho việc thực chuyển động mong muốn lớn; sau có thổ giả định G,)V, K„Krq (7.12) Các mối quan hệ tỉ lệ có q vc độc lập với giá trị đạt (lược bói thơng số cánh tay máy; vận tốc gia tốc khớp nhỏ, giả thiết giá trị Do đó, điều khiển vận tốc (hoặc điện áp) cho thấy tính bền vững vốn có liên quan đến biến đoi tham số mơ hình cánh tay máy, tăng cường giá trị tỷ số truyền giảm tốc Trong trường hợp này, sơ đổ minh họa Hình 7.3 sử (lụng cấu trúc tham khảo cho việc thiết kế hộ thống điều khiển Với giả định rằng: vc^G~xKvKrq (7.13) ngụ ý vận tốc khớp thứ i phụ thuộc vào điện áp điều khiển thứ i, ma trận G~ỵKvKr ma trận đường chéo Do đó, hộ thống điều khiển vị trí khớp (lược thiết kế t heo cấu trúc (liều khiển phân tán, khớp (lược điều khiển (lộc lập so với khớp khác Các kết quả, đánh giá (lựa độ xác bám biến khớp so với quỹ đạo khớp mong muốn, cải thiện trường hựp tỷ số truyền cao yêu cầu tốc độ gia tốc nhỏ Mặt khác, chuyển động tay máy mong muốn đòi hỏi tốc độ và/hoặc gia tốc khớp lớn, xấp xỉ phương trình (7.12) khơng cịn nữa, quan điểm tầm quan trọng mơ-men truyền động; điều chí cịn rõ ràng cấu chấp hành truyền động trực tiếp (/Tm ^KpkTpTp Ằ Tm \ b) Hình 7.7: Quỹ đạo nghiệm số cho sơ đồ điều khiển hồi tiếp vị trí Việc phân tích quỹ đạo nghiệm số thực hàm độ lợi vòng hồi tiếp vị trí kirìKpkrpTp/Tm Ba trường hợp minh họa cho cực hệ thống khép kín với tham chiếu đến mối quan hệ Tp Tm (Hình 7.7) Sự ổn định hệ thống hồi tiếp kín áp đặt số ràng buộc việc lựa chọn thông số điều khicn PI Nếu Tp < Tmĩ hệ thống khơng ổn định (Hình 7.7a) Sau đó, phải Tp > Tm (Hình 7.7b) Khi Tp tăng, giá trị tuyệt đối phần thực hai nghiệm số dường theo hướng tiệm cận tăng, hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh Do đó, việc chọn Tp Tm thuận tiện (Hình 7.7c) Trong trường hợp, phần thực cực chiếm ưu nhỏ — l/27ịn Hàm truyền ngõ ra/ngõ vào vịng hồi tiếp kín là: ớr(.s) krp s2(l+sT„,) km Kp kpp (1 +sTp) (7.24) mà thể dươi (lạng: t£(1 + s7» ỊV(s) = ~7 rp ' ' -fl + ỉ? + ẩ-)(l + 5T) \ cưn 190 cư* ) ' ’ M< I-B-'B (fell + ||/C|| Hill + M) + IlB-'ll ||n|| < 0íQm + a II A'll (7.86) IKII + ap + Bm$ Vì vậy, thiết lập: p> T~-^QM 1—0 + O' II A|1 IKII + Bm$ (7.87) cho v = -eTFe+22rh/-