(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu điều khiển tối ưu robot ứng dụng trong công nghệ lắp ráp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TIẾN DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 Luan van LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành Luận văn này, xin chân thành cám ơn : Ban Giám Hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Phòng Quản Lý Khoa Học – Quan Hệ Quốc Tế – Sau Đại Học Trường ĐHSPKT Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi thời gian làm Luận Văn Tốt Nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giảng dạy lớp cao học CKM 2001 – 2003 cho nhiều kiến thức bổ ích Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa khí chế tạo máy cho nhiều ý kiến đóng góp quan trọng thiết thực Lời cảm ơn đặc biệt xin chân thành gửi đến thầy : TS NGUYỄN TIẾN DŨNG, giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt trình thực Luận Văn Tôi xin chân thành cảm ơn Giảng viên phản biện : Thầy TSKH : HỒ ĐẮC LỘC Thầy TS : NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Đã cho nhiều ý kiến nhận xét đóng góp quý báu Cuối xin cảm ơn quý thầy cô đồng nghiệp trường ĐHSPKT Tp.HCM động viên giúp đỡ suốt trình nghiên cứu Tp.HCM, tháng 08 năm 2004 ĐINH VĂN ĐỆ Trang Luan van TÓM TẮT Ngày nay, sử dụng Robot để thay người lónh vực hoạt động sản xuất phát triển mạnh mẽ hết Vậy việc nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot quan trọng Điều khiển tối ưu Robot nhằm mục đích giảm tối đa thời gian làm việc, tiêu hao nhiên liệu tổn thất lượng … trình điều khiển thấp mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tính cạnh tranh sản phẩm Điều kiện tiên luận văn : Nghiên cứu điều khiển tối ưu thời gian Robot ứng dụng công nghệ lắp ráp (tiêu chuẩn tác động nhanh) với yêu cầu : - Tổng quan cấu trúc Robot công nghiệp, động học, động lực học Robot bậc tự (4 DOF) - Cơ sở điều khiển Robot - Lý thuyết điều khiển tối ưu - Xây dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu thời gian) Trang Luan van ABSTRACT Nowadays, utilization of Robot to substitute human in manufacturing activity has been developing very quickly and steadily Thus, the study of robot optimization is very important Control optimization of robot in order to minimum operating time, fuel consumption and energy consumption in control process but still reach technical requirement Prerequisite requirement of the Thesis Study control optimum of time of robot in assembly engineering (fast standard operation) with following requirement - Overview of industrial robot structure, kinematics, dynamics of dof-Robot - Robot Control basis - Theory of optimum control - Construction of optimum fast operating algorithm (optimization of time) Trang Luan van MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT MUÏC LUÏC LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ ROBOT, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HOÏC ROBOT 1.1.TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ROBOT 1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 10 1.2.1 Các khái niệm ban đầu : 10 1.2.1.1 Hệ tọa độ: 10 1.2.1.2 Quỹ đạo 11 1.2.1.3 Bài Toán Động Học Thuận 11 1.2.1.4 Bài Toán Động Học Ngược 11 1.2.2.1 Bộ thông soá DH 12 1.2.2.2 Thiết lập hệ toạ độ 13 1.2.2.3 Mô hình biển đổi 14 1.2.2.4 Phương trình động học 15 1.3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT: 15 1.3.1 Nhiệm Vụ Và Phương Pháp Phân Tích Động Lực Học Robot 15 1.3.2 Vận Tốc Và Gia Toác 17 1.3.3 Động Năng Tay Máy 18 1.3.4 Theá Năng Tay Máy 18 1.3.5 Mô Hình Động Lực Học Tay Maùy 19 CHƯƠNG : CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP 20 2.1 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO: 20 2.1.1 Quỹ đạo không gian khớp: 21 2.1.1.1 Chuyeån động điểm-điểm: 22 2.1.1.2 Chuyển động theo đường 22 2.1.2.Quỹ đạo không gian công tác: 23 2.2 ĐIỀU KHIỀN CHUYỂN ĐỘNG 23 CHƯƠNG : LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐI ƢU 26 3.1 KHÁI NIEÄM CHUNG: 26 Trang Luan van 3.1.1 Thiết lập toán tối ưu : 26 3.1.2 Xác định algorit điều khiển (hay luật điều khiển) 27 3.1.3 Tổng hợp thiết bị điều khiển tối ƣu: 27 3.2 BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU : 27 3.2.1 Đối Tƣợng Điều Khiển 27 3.2.2 Tiêu chuẩn tối ưu 28 3.2.3 Trạng thái đầu đích điều khiển 28 3.2.4 Lớp Điều Khiển Cho Phép 28 3.3 PHƢƠNG PHÁP BIEÁN PHÂN (VARIATIONAL METHOD) 29 3.3.1 Bài toán 29 3.3.2 Điều kiện cần tối ƣu 29 3.3.3 Thuật toán để giải toán 30 3.4 NGUN LÝ CỰC ĐẠI PONTRYAGIN (PONTRYAGINS MAXIMUM PRINCIPLE) : 30 3.4.1 Bài tốn có điểm biên cố định, thời gian điều khiển chƣa cho trƣớc: 31 3.4.2 Bài tốn có điểm biên di động, thời gian chƣa cho trƣớc: 33 3.4.3 Bài toán với thời gian điều khiển cho trƣớc 34 3.4.4 Bài toán điều khiển tối ƣu với hệ ôtônôm 34 3.5 BÀI TOÁN TỐI ƯU TÁC ĐỘNG NHANH 36 3.6 PHƢƠNG PHÁP DOÁC NHAÁT : 37 3.6.1 Áp dụng trực tiếp 37 3.6.2 Áp dụng với nguyên lý pontryagin 38 CHƢƠNG : THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƢU TÁC ĐỘNG NHANH CỦA ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ LẮP RÁP 40 4.1 ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HOÏC : 40 4.2 THUẬT TOÁN TỐI ƯU : 46 4.2.1 Thuật toán giải theo hàm chất lượng Ricarti : 46 4.2.2 Thuật toán giải tối ưu theo nguyên lý cực đại Pontryagin : 54 4.3 SO SAÙNH : 61 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG 62 5.1 KẾT LUẬN : 62 5.2 ĐỀ XUẤT HƯỚNG MỞ RỘNG : 62 PHUÏ LUÏC 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Trang Luan van LỜI GIỚI THIỆU Vào đầu thập niên 20, máy Robot sản xuất sử dụng Ai Cập, Ý số nước Châu Âu khác, đến năm 60, lần Robot ứng dụng hoạt động sản xuất Sau đó, sử dụng nhiều ngành xe Nhật Bản Vào thập niên 70, máy tính đời, đặc biệt máy điều khiển theo chương trình số (CNC) vào thập niên 80 phát triển mạnh mẽ điều khiển Robot chất lượng điều khiển Robot Robot ứng dụng rộng rãi sản xuất : công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, thám hiểm, y tế, nơi sản xuất mà : - Môi trường độc hại : có đe dọa đến sức khỏe hay an toàn người, môi trường mà người trực tiếp tham gia : môi trường phóng xạ, độ ồn cao, bụi bặm, nhiệt độ cao, gây thương tật cho người lao động, mang vác nặng v.v… - Những khu vực thao tác sản xuất không nặng nhọc đơn điệu gây nhàm chán thao tác công nhân dễ gây nên phế phẩm - Những khu vực sản xuất mà thời gian phụ lớn, ảnh hưởng đến suất lao động hiệu suất thiết bị - Ở dây chuyền sản xuất tự động, liên tục, yêu cầu số lượng lớn công nhân có trình độ cao, tham gia Robot góp phần giảm chi phí đào tạo thay lao động, không bị động lực lượng lao động Việc nghiên cứu, điều khiển Robot quan trọng Ngày nay, người ta nghiên cứu đến hệ "Robot thông minh" nhằm để thực chức người thật Việc chế tạo Robot, điều khiển vận hành sản xuất việc tất yếu Tuy nhiên, theo xu hướng tiến khoa học kỹ thuật Chúng ta phải tối ưu Robot hoạt động sản xuất mục đích tăng suất mà đảm bảo kỹ thuật Nghiên cứu điều khiển tối ứu thời gian Robot ứng dụng công nghiệp lắp ráp (Theo tiêu chuẩn tác động nhanh - Tối ưu thời gian) phần quan trọng lý thuyết nghiên cứu điều khiển tối ưu robot Trang Luan van CHƯƠNG MỞ ĐẦU Trong thời đại nay, việc ứng dụng Robot vào thực tiễn sản xuất để thay người việc phát triển không ngừng Tuy nhiên việc tối ưu hóa trình làm việc Robot việc cấp bách quan trọng hết, mục đích tối ưu Robot hoạt độn g sản xuất tăng suất, giảm giá thành mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN : Luận văn xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu Robot bậc tự ứng dụng công nghiệp lắp ráp Vì phải hội đủ yếu tố sau : - Tổng quan cấu trúc Robot công nghiệp - động học, động lực học Robot loại tự : + Cơ sở điều khiển Robot + Lý thuyết điều khiển tối ưu + Xây dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu thời gian) GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI : Nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot công nghiệp lónh vực khoa học kỹ thuật Do người nghiên cứu phải giải nhiều vấn đề động học, động lực học, điều khiển, điều khiển tối ưu … Điều khiển tối ưu thời gian Robot tảng xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu vấn đề quan trọng, nội dung cốt lỏi trình bày luận văn ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN : Điều khiển tối ưu Robot góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều lao động Áp dụng điều khiển tối ưu thời gian Robot có ưu điểm sau : - Robot thực quy trình thao tác hợp lý người thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì Robot góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn Robot nhanh chóng thay đổi Trang Luan van Hrelp_1 = zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing rel acc mat of Mabs = zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing abs pos mat of Wabs= zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing abs vel mat of Habs = zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing abs acc mat of Mabsinv = NULL4; % invers position matrix of the frame % positioned in the centre of the % gripper Lrelp = NULL4; % L relative matrix of p-th joint % seen in frame (p-1) Lrel0 = NULL4; % L relative matrix of p-th joint % seen in base frame Wrel0 = zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing rel vel mat of % frame (p) seen in base frame Hrel0 = zeros(4,4*(MAXLINK+1)); % array containing rel acc mat of % frame (p) seen in base frame Wtar = NULL4; % target velocity matrix Hta r = NULL4; % target acceleration matrix Dh = NULL4; % Htar - H~ H~ is the acceleration % evaluated with qpp=0 Aus = UNIT4; Waus = NULL4; Haus = NULL4; Wabs(:,1:4) = NULL4; Habs(:,1:4) = NULL4; Gripper = zeros(4,4); Last =[ 0 ; % transformation matrix from 0010; % frame (6) to gripper 1000; % element Z-U is in a(6) Trang 78 Luan van 0 ]; first=ORIGIN; % origin of frame with respect to base, % Z value is in a(1) %Open file data=fopen('SCARA.DAT','r'); motion=fopen('GRIPPER.mot','r'); guess=fopen('GUESS.1st','r'); out=fopen('export.mot','wt'); % out=1; for p=2:1:MAXLINK+1 a(p)=fscanf(data,'%f',1); % read robot description end for p=1:1:MAXLINK q(p)=fscanf(guess,'%f',1); % 1st guess for q end % Matrices initialization Jac=zeros(MAXLINK,MAXLINK); first(Z)=a(2); mtar=NULL4; dH=NULL4; mabs(:,1:4)=rotat24(Z,PIG_2,first); % pos mat of frame from base frame Last(Z,U)=a(5); % gripper position in frame a(2)=0; % D&H parameter 'a' of link and link are zero a(5)=0; dt=fscanf(motion,'%f',1); % read time step ii=fscanf(motion,'%d',1)+1; % read Cardan convention jj=fscanf(motion,'%d',1)+1; kk=fscanf(motion,'%d',1)+1; fprintf(out,'\n %f \n',dt); t=0; while ~feof(motion) % read joint motion [q1(1),count] = fscanf(motion,'%f',1); Trang 79 Luan van if count~=1 break, end q1(2) = fscanf(motion,'%f',1); q1(3) = fscanf(motion,'%f',1); qp1(1) = fscanf(motion,'%f',1); qp1(2) = fscanf(motion,'%f',1); qp1(3) = fscanf(motion,'%f',1); qpp1(1)= fscanf(motion,'%f',1); qpp1(2)= fscanf(motion,'%f',1); qpp1(3)= fscanf(motion,'%f',1); O(X) = fscanf(motion,'%f',1); O(Y) = fscanf(motion,'%f',1); O(Z) = fscanf(motion,'%f',1); O(U)=1; vel(1) = fscanf(motion,'%f',1); vel(2) = fscanf(motion,'%f',1); vel(3) = fscanf(motion,'%f',1); acc(1) = fscanf(motion,'%f',1); acc(2) = fscanf(motion,'%f',1); [acc(3),count]=fscanf(motion,'%f',1); if (count~=1) break; end % builds target position matrix mtar=cardatom(q1,ii,jj,kk,O); mtar= vmcopy(O,3,4,Col,mtar,4,4); for k=1:1:maxiter for i=1:1:MAXLINK p=4*i-3; pp=[p:p+3]; % builds rel pos matrix mrelp_1(:,pp)=dhtom(Rev,theta(i),d(i),b(i),a(i+1),fi(i+1),q(i)); % builds abs pos matrix mabs(:,pp+4)=mabs(:,pp)*mrelp_1(:,pp); % builds rel L matrix in base frame Lrelp=makel2(Rev,Z,0.,orig); Trang 80 Luan van % builds rel L matrix in frame (p) Lrel0=mami(Lrelp,mabs(:,pp)); buf(1)=Lrel0(X,U); buf(2)=Lrel0(Y,U); buf(3)=Lrel0(Z,U); buf(4)=Lrel0(Z,Y); buf(5)=Lrel0(X,Z); buf(6)=Lrel0(Y,X); Jac=vmcopy(buf,6,i,Col,Jac,MAXLINK,MAXLINK); end % fine ciclo MAXLINK gripper=molt(mabs(:,pp+4),Last); dm=(mtar-gripper); n=norm(dm); % tests if solution has been reached if (n>toll) mabsinv=invers(gripper); dS=dm*mabsinv; ds(1)=dS(X,U); ds(2)=dS(Y,U); ds(3)=dS(Z,U); ds(4)=dS(Z,Y); ds(5)=dS(X,Z); ds(6)=dS(Y,X); [dq,rankm]=solve(Jac,ds'); % builds the joint var at next step if(rankm~=MAXLINK) fprintf(1,'\n*** rank is %d: singular position!',rankm); end q=q+dq'; else break; end % end if end % fine del ciclo maxiter if (k