hệ thống điều khiển robot scara

Ch­¬ng 1: tæng quan c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn robot. I. Giíi thiÖu chung: Tõ gi÷a thËp kû 18, J.de Vancauson x©y dùng c¸c bupbe c¬ khÝ cã thÓ ch¬i nh¹c, ®©y ®­îc coi lµ s¶n phÈm ®Çu tiªn cña Tù ®éng ho¸ - Robot. C¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn cã thÓ ghi nhí tÝn hiÖu ®iÖn tõ vµ dïng l¹i víi sù trî gióp c¸c ho¹t ®éng c¬ khÝ cña m¸y mãc ®­îc cÊp chøng nhËn vµo nh÷ng n¨m 1950 t¹i Anh, Mü, §øc. N¨m 1968 Robot Shakey ra ®êi, ph¸t triÓn h¬n c¸c lo¹i Robot kh¸c lµ nã ®­îc trang bÞ c¸c c¶m biÕn va ch¹m, c¸c camera vµ nã cã thÓ di chuyÓn trªn sµn nhµ.

Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Chơng 1: tổng quan các hệ thống điều khiển robot. I. Giới thiệu chung: Từ giữa thập kỷ 18, J.de Vancauson xây dựng các bupbe cơ khí có thể chơi nhạc, đây đợc coi là sản phẩm đầu tiên của Tự động hoá - Robot. Các thiết bị điều khiển có thể ghi nhớ tín hiệu điện từ và dùng lại với sự trợ giúp các hoạt động cơ khí của máy móc đợc cấp chứng nhận vào những năm 1950 tại Anh, Mỹ, Đức. Năm 1968 Robot Shakey ra đời, phát triển hơn các loại Robot khác là nó đợc trang bị các cảm biến va chạm, các camera và nó có thể di chuyển trên sàn nhà. Robot dùng ngôn ngữ lập trình và máy tính ra đời năm 1973. Ngôn ngữ WAVE kết hợp với ngôn ngữ AL thành ngôn ngữ VAL, đợc phát triển mạnh vào thời gian sau đó bởi Victor Sheinman và Bruce Simano. Các Robot phục vụ công nghiệp cơ khí đợc phát triển từ năm 1974, sau khi hãng Kawasaki nhận đợc giấy phép của Unimation dùng Robot trong việc hàn hồ quang cho ô tô. Ngày nay, Robot đợc sử dụng rộng rãi và phát triển trong các ngành kỹ thuật. Dới sự điều khiển của máy tính cho phép Robot có thể có nhiều ứng dụng hơn nữa. Robot công nghiệp đợc định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình đợc, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con ngời. và giữa các tay máy có thể hợp tác đợc với nhau. 1. Cấu tạo: Các Robot công nghiệp ngày nay thờng đợc đặt trên đế và gắn chặt với sàn. Cơ thể đợc gắn với để, tổ hợp cánh tay đợc nối với cơ thể. Cuối cánh tay là cổ tay. 1 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng các vị trí. Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể nh: cổ tay, cánh tay đợc thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Về mặt cơ khí, Robot đợc cấu tạo từ những thanh nối và khớp. Các thanh nối đợc ghép với nhau bởi các khớp, cho phép Robot có các chuyển động đa dạng. 2. Các chuyển động của Robot: Robot đợc thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất. Các công việc đợc thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí. Cổ tay đợc sử dụng cho Robot thực hiện chính xác công việc. Các chuyển động của Robot đợc chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể. Các chuyển động riêng lẻ đợc ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và chúng đợc giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom). Các Robot thông thờng có 4 đến 6 bậc tự do. Các chuyển động cơ bản đợc thực hiện bởi các ghép nối về năng lợng. Với Robot có từ 4 đến 6 bậc tự do, thờng có 3 ghép nối với hoạt động của cánh tay và cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay. Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau. Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào. Các khớp nối đợc sử dụng trong thiết kế Robot công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay. + Khớp tịnh tiến gồm cả chuyển động trợt và di chuyển. + Có 3 loại khớp quay trong tay máy Robot: - Khớp R (Rotation). - Khớp T (Twisting). - Khớp V (Revolving). Cánh tay Robot đợc thiết kế cho phép Robot có thể chuyển động tự do trong giới hạn về kích thớc. Giới hạn chuyển động của Robot phụ thuộc: + Hình dạng vật lý của Robot. + Kích thớc các phần tử: cánh tay, cổ tay. + Giới hạn chuyển động của các khớp nối. 2 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot 3. Hệ thống truyền động: Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của Robot là: + Truyền động bằng thuỷ lực. + Truyền động điện. + Truyền động khí nén. Trong đó truyền động điện và truyền động bằng thuỷ lực đợc sử dụng phổ biến trong các Robot vì tính kinh tế và đơn giản. Truyền động khí nén thờng sử dụng trong các Robot có số bậc tự do nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh cao. 4. Hệ thống nhận dạng: Cảm biến đợc sử dụng nh thiết bị ngoại vi của Robot, gồm 2 loại đơn giản nh: công tắc hành trình và hệ thống camera. Cảm biến cũng đợc dùng nh các phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí. Các loại cảm biến thông dụng: + Cảm biến va chạm: là cảm biến phản ứng lại lực khi va chạm với một vật khác. + Cảm biến phạm vi gần: là thiết bị cảm nhận đợc vật ở gần. + Cảm biến hỗn hợp: gồm các cảm biến nhiệt độ, áp suất và các đại l- ợng vật lý khác. + Camera đợc sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát. Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an toàn. II. Phân loại Robot công nghiệp: 1. Phân loại theo dạng hình học: Robot công nghiệp có 4 dạng hình học thông thờng: + Dạng Đecac. + Dạng hình trụ. + Dạng hình cầu. + Dạng khớp nối. 1.1 Dạng Đecac (hình 1. 1): Dạng Đecac sử dụng 3 đờng trợt vuông góc nhau trong không gian là các trục toạ độ x, y, z. 3 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Robot chuyển động theo 3 trục toạ độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc của Robot đợc mở rộng theo hình chữ nhật. Hình 1. 1: Cấu hình Robot dạng Decac 1.2 Dạng hình trụ (hình 1. 2): Trục cơ bản là một trụ dọc, Robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục. Bằng các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của Robot đợc mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản. Hình 1. 2: Cấu hình Robot dạng hình trụ 1.3 Dạng hình cầu (hình 1. 3): Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép Robot mở rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu. 4 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Hình 1. 3: Cấu hình Robot dạng hình cầu 1.4 Dạng khớp nối (hình 1. 4): Tơng tự nh cánh tay con ngời, nó gồm hai phần tử thẳng tơng ứng với cánh tay và cẳng tay. Các phần tử này đợc ghép nối với nhau bởi hai khớp t- ơng ứng với khớp bả vai và khớp khuỷu tay. Cổ tay đợc nối với cẳng tay. Hình 1. 4: Cấu hình Robot dạng khớp nối 2 Phân loại theo phơng pháp điều khiển: 2.1 Robot giới hạn chuyển động liên tục: Robot giới hạn chuyển động liên tục không sử dụng hệ điều khiển bám để di chuyển tới các vị trí lân cận trong các khớp nối. Chúng đợc giới hạn điều khiển bằng các công tắc hành trình để dừng và thiết kế điểm cuối cho mỗi chuyển động cho mỗi khớp nối. 2.2 Robot lặp lại với điều khiển từ điểm tới điểm: Robot lặp lại sử dụng hệ điều khiển với một chuỗi các vị trí hoặc chuyển động đợc dạy cho Robot, ghi lại trong bộ nhớ và đợc lặp lại dới sự điều khiển của chính nó. Chia làm hai loại: 5 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot + Lặp lại từ điểm tới điểm. + Lặp lại liên tục. 2.3 Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục: Robot chuyển động với quỹ đạo đã đợc xác định trớc. Quỹ đạo chuyển động là một chuỗi các điểm mô tả trên đờng chuyển động. Tín hiệu đặt là vị trí mong muốn của cổ tay, Robot chuyển động theo luật điều khiển xác định trớc để đến đích. 3. Phân loại theo số bậc tự do: Mỗi bậc tự do tơng ứng với một chuyển động độc lập của Robot. Số bậc tự do là số vị trí cần thiết để xác định hoàn toàn cấu hình của Robot. Thông thờng số bậc tự do của Robot là số khớp nối từ thân đến cổ tay. III. Mô hình toán học hệ thống truyền động: Các khớp trong Robot đợc truyền động bởi hệ thống truyền động điện, thuỷ lực hoặc khí nén. Mỗi hệ thống truyền động có u, nhợc điểm khác nhau. Hệ thống truyền động điện sử dụng các động cơ điện một chiều hoặc động cơ đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc động học hệ thống điều khiển cho khớp nh ở hình 1. 5. + Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu. + J Đ : mô men quán tính động cơ. + J t : mô men quán tính của khớp. + M t : mô men khớp. + i: tỉ số truyền. + : hiệu suất bộ truyền. Hình 1. 5: Mô hình truyền động Mô men cản qui đổi về trục động cơ: 6 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot M t M c = i . Trong đó: M t : là mô men khớp. i: tỷ số truyền. : hiệu suất bộ truyền. Mô hình toán học động cơ và hệ truyền động khớp: Hình 1. 6: Mô hình toán học động cơ Trong đó: E(p) là sức điện động bộ biến đổi. B là hệ số nhớt. IV. Tổng quan về các phơng pháp điều khiển: Theo nhiệm vụ làm việc của Robot có thể chia làm 2 bài toán điều khiển: bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh. Giai đoạn vận chuyển chi tiết trong quá trình lắp ráp, Robot chuyển động trong không gian theo một quỹ đạo nào đó gọi là chuyển động tự do, không tiếp xúc với đối tợng. Trong giai đoạn này chỉ điều khiển quỹ đạo, gọi là điều khiển thô, tay Robot chuyển động theo một quỹ đạo đặt trớc. Khi tay Robot tiếp xúc với đối tợng, Robot phải sinh ra một lực phù hợp để đa các chi tiết cần lắp ráp vào đúng vị trí, gọi là điều khiển tinh, liên quan đến điều khiển lực, đồng thời cũng vừa điều khiển quỹ đạo. Điều khiển quĩ đạo có thể thông qua điều khiển quĩ đạo khớp hoặc điều khiển trực tiếp quĩ đạo tay. 7 Điều khiển Robot Điều khiển thô Điều khiển tinh Toạ độ khớp Toạ độ tay Thụ động Tích cực Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Hình 1. 7: Phân loại các phơng pháp điều khiển Robot 1. Điều khiển quĩ đạo khớp: Thiết kế quĩ đạo điều khiển cho từng khớp. Chuyển động của tay phụ thuộc vào chuyển động của từng khớp riệng biệt. Ưu điểm: + Điều khiển trực tiếp động cơ truyền động khớp về tốc độ và mô men. Có thể đảm bảo một số điều kiện giới hạn của hệ truyền động điện. + Giải bài toán động học ngợc đơn giản. Nhợc điểm: do không trực tiếp điều khiển vị trí của tay nên khó đảm bảo đợc đờng di chuyển bám theo quỹ đạo đặt trớc. 2. Điều khiển quĩ đạo tay: Thiết kế quĩ đạo điều khiển trực tiếp cho tay Robot, chuyển động của các khớp phụ thuộc vào chuyển động của tay. Ưu điểm: + Đảm bảo tay di chuyển đợc chính xác theo quỹ đạo mong muốn của Robot. Nhợc điểm: + Bài toán động học ngợc có khối lợng tính toán lớn. + Khó đảm bảo một số điều kiện nh: gia tốc, mô men. 3. Điều khiển lực: ở giai đoạn lắp ráp, Robot phải sinh ra lực phù hợp để đa chi tiết vào vị trí êm, đồng thời vừa phải thực hiện điều khiển quĩ đạo. 8 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Trở kháng là khái niệm đánh giá độ cứng của cơ cấu, chống lại lực tác dụng lên nó. + Điều khiển trở kháng thụ động: cơ cấu đàn hồi có tâm điều khiển từ xa. Khi chi tiết đa đến vị trí lắp ráp, tay máy không cần sinh lực để đa vào. Trục chi tiết và trục của lỗ không trùng nhau, do đó các lò xo trên tay máy bị uốn, đẩy chi tiết sao cho trục của chi tiết và trục của lỗ trùng nhau, đồng thời sinh ra mô men quay quanh trục của lỗ, đẩy chi tiết vào đúng vị trí cần lắp đặt. + Điều khiển trở kháng tích cực: dùng các phản hồi lực và vị trí để điều khiển tay máy lắp ráp chi tiết. Mô phỏng Robot dới dạng vật tiếp xúc với đối tợng, lực sinh ra phụ thuộc khe hở và độ cứng của môi trờng. Sau khi đo đợc lực, thiết kế mạch vòng phản hồi lực. f đ f f đk x - f Hình 1. 8: Sơ đồ mạch vòng phản hồi lực 4. Điều khiển vị trí: Tín hiệu đặt là góc quay hoặc mô men, tín hiệu ra là vị trí của tay máy. a. Luật điều khiển phản hồi: Coi các bộ biến đổi và động cơ là khâu quán tính. Trong đó: q đ là tín hiệu đặt góc quay, thờng là khối đặt quỹ đạo. = q đ - q là sai số giữa tín hiệu vị trí đặt và tín hiệu vị trí thực của hệ thống. q đ q M đk - . q 9 K f Robot K e Bộ điều khiển Robot Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Hình 1. 9: Sơ đồ điều khiển phản hồi Trong trờng hợp đơn giản, ta dùng bộ biến đổi PD. M đk = K P . + K D . . Khớp thứ i: M đki = K Pi . i + K Di . . i K P , K D là hệ số khuếch đại tỉ lệ và hệ số khuếch đại vi phân của bộ diều chỉnh. = [ 1 , 2 , , n ] T . = [ . 1 , . 2 , , . n ] T M đk = [M đk1 , M đk2 , , M đkn ] T K P , K D là các ma trận đờng chéo. q q đ M đk . q . q đ Hình 1. 10: Sơ đồ điều khiển PD đơn giản dkn M . . . M M dk2 dk1 = Pn P P K K K 00 0 0 0 0 2 1 n n . . . 1 + Dn D D K K K 00 0 0 0 0 2 1 n . 2 . 1 . . . . Ưu điểm: tính toán hệ thống đơn giản, độ tác động nhanh cao. Nhợc điểm: không khử đợc sự phi tuyến ràng buộc giữa các khớp. 10 K P K D [...]... hệ số KP, KD, KI sao cho hệ thống hội tụ, ổn định tức là các sai số i 0 Ưu điểm: khử đợc tính phi tuyến của hệ thống, biến hệ thống thành tuyến tính Nhợc điểm: + Hệ thống điều khiển cồng kềnh, khối lợng tính toán lớn + Chỉ thực hiện đợc khi biết đầy đủ các tham số của Robot + Luật điều khiển không thích nghi khi tham số biến đổi V ứng dụng của Robot: 1 Ưu điểm của Robot: Robot có thể làm việc liên...Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot b Luật điều khiển mô men tính toán: Từ phơng trình động lực học, thiết kế luật điều khiển để khử phi tuyến giữa các khớp Phơng trình động lực học: M = H( q ) q + h( q , q ) + g( q ) (1 4) Chọn tín hiệu ra bộ điều khiển: Mđk = H( q ) U + h( q , q ) + g( q ) Trong đó U là tín hiệu điều khiển phụ M đk = M Khi đó:... Khái niệm robot scara -serpent: Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối của cánh tay Robot Chúng có một lợng nhỏ đàn hồi trong quá trình làm việc 13 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Do chuyển động của Robot SCARA đơn giản, dễ dàng nên nó đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Robot Serpent là... 14 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot trí khác nhau trong không gian Động học vị trí sẽ giải quyết mối quan hệ vị trí của khớp và tay Ta đặt lên mỗi thanh nối một hệ trục toạ độ, sử dụng phép biến đổi đồng nhất để miêu tả mối quan hệ về vị trí và hớng giữa các hệ toạ độ Phép biến đổi đồng nhất mô tả quan hệ tịnh tiến và quay giữa giữa hệ thống toạ độ một thanh... Với Robot cụ thể ta có: H( q ) 0, nên q =U (1 8) là phơng trình mô tả động học của hệ thống q Bộ điều khiển U M đk Robot q Hình 1 11: Sơ đồ điều khiển mô men tính toán Chọn luật điều khiển U đảm bảo một số chỉ tiêu: quá trình quá độ và sai số tĩnh Thờng chọn bộ điều chỉnh U là PID q =U = q đ + KP + KD + KI dt U = qđ - q : sai số vị trí : sai số tốc độ = qđ - q KP, KD, KI: là các hệ số... dụng của Robot: + Trong ngành công nghiệp cơ khí, Robot thực hiện những công việc nặng nhọc nh nâng hạ, lắp ráp các chi tiết lớn, cồng kềnh yêu cầu độ chính xác cao Sử dụng Robot để hàn điểm, hàn hồ quang, sơn, mạ 12 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot + Sử dụng Robot trong môi trờng độc hại, nguy hiểm nh trong các lò phản ứng hạt nhân, dới nớc + Robot thám... Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot 3 Động học vị trí: Động học vị trí Robot gồm 2 bài toán: Động học thuận: cho phép tính đợc vị trí và hớng của tay Robot từ vị trí và hớng của các khớp Robot Có hai phơng pháp giải bài toán động học thuận là: + Dùng các phép biến đổi + Gán hệ toạ độ cho các thanh nối Động học ngợc: giải bài toán khi biết vị trí tay của Robot, tính... a2 2 z2 d3 x2 4 x3 4 z4 z3 Hình 2 3: Cấu hình Robot Serpent Theo cấu hình Robot ta có bảng tham số: Bảng 2 1: Tham số động học Robot Serpent Thanh nối Biến a d 1 1 0 a1 0 2 2 -1800 a2 0 3 d3 0 0 d3 4 4 0 0 0 21 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Theo Denavit Hartenberg: toạ độ tay của Robot đợc xác định so với hệ toạ độ gốc: T4 = A1 A2 A3 A4 Trong đó: Cos... của bộ điều chỉnh Phơng trình động học của hệ thống: 11 (1 9) Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot (1 10) q = q đ + KP + KD + KI dt Với = q đ - q ta có: (1 11) + q đ + KP + KD + KI dt = 0 Khớp thứ i ta có: i + q đi + KPi i + KDi i + KIi i dt = 0 (1 11) Bằng phơng pháp mô hình hoá hoặc phơng pháp đặt nghiệm cực, ta xác định đợc các hệ số... Qui tắc đặt hệ toạ độ cho thanh n: + Gốc toạ độ đặt trên trục n + 1 và trùng với chân pháp tuyến chung giữa trục n và n + 1 + Trục zn trùng với trục n + 1 19 Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot + Trục xn trùng với hớng của an, đi ra từ trục n + 1 joint n joint n+1 n Link n zn -1 dn an n n zn xn xn -1 Hình 2 2: Đặt hệ toạ độ cho thanh nối Robot Hệ toạ độ n . vị trí thực của hệ thống. q đ q M đk - . q 9 K f Robot K e Bộ điều khiển Robot Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Hình 1. 9: Sơ đồ điều khiển phản. cực Nghiên cứu HTĐK Robot SCARA Chơng 1: Tổng quan các hệ thống điều khiển Robot Hình 1. 7: Phân loại các phơng pháp điều khiển Robot 1. Điều khiển quĩ đạo khớp: Thiết kế quĩ đạo điều khiển cho từng. cũng vừa điều khiển quỹ đạo. Điều khiển quĩ đạo có thể thông qua điều khiển quĩ đạo khớp hoặc điều khiển trực tiếp quĩ đạo tay. 7 Điều khiển Robot Điều khiển thô Điều khiển tinh Toạ độ khớp Toạ