Phân tích và đề xuất phương pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Ngọc Trúc PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CÔNG NGHIỆP TRONG TÌNH TRẠNG TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Ngọc Trúc PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CƠNG NGHIỆP TRONG TÌNH TRẠNG TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH Ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn người hướng dẫn khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Người hướng dẫn khoa học GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Lê Ngọc Trúc i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến hướng dẫn tận tình Thầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang suốt trình thực luận án từ giai đoạn hình thành ý tưởng đề tài đến xây dựng kế hoạch bước thực để hoàn thành luận án Đã có khó khăn trở ngại, nhờ bảo Thầy mà dần vượt qua Tôi xin cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa (Đại học Bách khoa Hà Nội) tạo điều kiện thuận lợi cho tơi có mơi trường nghiên cứu cởi mở nghiêm túc sở vật chất cần thiết để thực luận án Và quan trọng có đóng góp, trao đổi sâu sắc thiết thực nội dung nghiên cứu thông qua buổi báo cáo chuyên môn trình thực luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp, Bộ mơn Điều khiển tự động (Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội) có hướng dẫn, góp ý học thuật cần thiết giá trị Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Động lực, thầy cô đồng nghiệp Khoa Cơ khí Động lực tạo điều kiện hỗ trợ nhiều thời gian làm nghiên cứu sinh Tôi xin cảm ơn anh/chị/em nghiên cứu sinh Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Viện Điện (Đại học Bách khoa Hà Nội) động viên, khích lệ, giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình nghiên cứu Tơi xin cảm ơn người bạn thân thiết với chương trình ANOT nhờ giúp tơi tìm lại EYVTTJ Điều mang đến cho nhiều nghị lực giai đoạn quan trọng luận án Cuối cùng, tơi dành tình cảm lời cảm ơn chân thành đến tồn thể gia đình thân u tơi ủng hộ, chia sẻ tinh thần lẫn vật chất để tơi hồn thành luận án Lê Ngọc Trúc Hà Nội, tháng năm 2021 ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG .xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xv MỞ ĐẦU 1 Sự cần thiết đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Những đóng góp luận án Bố cục luận án TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu robot công nghiệp 1.2 Các cấu hình robot công nghiệp 1.3 Các thành phần robot cơng nghiệp 1.4 Cơ chế chấp hành 1.5 Vấn đề tổn thất chế chấp hành khả điều khiển .8 1.5.1 Các dạng tổn thất chế chấp hành 1.5.2 Tình hình nghiên cứu tổn thất chế chấp hành tay máy robot 12 1.5.3 Phân tích khả điều khiển tay máy cơng nghiệp tình trạng tổn thất chế chấp hành 14 1.5.3.1 Phân tích động học kiểu tay máy cơng nghiệp có khớp quay điển hình bị tổn thất chế chấp hành 14 1.5.3.2 Các khả điều khiển tay máy cơng nghiệp điển hình bị tổn thất chế chấp hành 24 1.6 Đề xuất hướng nghiên cứu luận án 27 1.6.1 Hướng nghiên cứu luận án 27 1.6.2 Dự kiến đóng góp 28 1.7 Kết luận chương 28 iii MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT 29 2.1 Giới thiệu 29 2.2 Vận tốc tịnh tiến vận tốc quay khâu 29 2.3 Phương trình Euler-Lagrange 32 2.4 Mô hình động lực học dạng tốn học 33 2.5 Mơ hình bán vật lý cho tay máy robot 38 2.5.1 Giới thiệu 38 2.5.2 Mơ hình CAD 3D tay máy robot 39 2.5.3 Phương pháp dùng mạng vật lý để mơ hình hóa hệ thống vật lý 41 2.5.3.1 Phương pháp dùng Simulink truyền thống 41 2.5.3.2 Phương pháp dùng mạng vật lý 41 2.5.4 Mơ hình bán vật lý chưa xét tới ma sát khớp 42 2.5.4.1 Mô đáp ứng động lực học 43 2.5.4.2 Mơ mơ hình robot có vịng điều khiển 46 2.5.5 Mơ hình bán vật lý có ma sát khớp 49 2.6 Kết luận chương 52 TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 54 3.1 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng suy giảm mô men .54 3.1.1 Giới thiệu 54 3.1.2 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo khớp 56 3.1.2.1 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng PDT 58 3.1.2.2 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng BDT .59 3.1.2.3 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng BDTR 61 3.1.3 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo điểm công tác 63 3.1.3.1 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng PDT 63 3.1.3.2 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng BDT .66 3.1.3.3 Ảnh hưởng tổn thất chế chấp hành dạng BDTR 69 3.2 Phương pháp điều khiển có tổn thất chế chấp hành 72 3.2.1 Giới thiệu 72 3.2.2 Khái quát lý thuyết điều khiển trượt 73 3.2.3 Khái quát lý thuyết điều khiển thích nghi 77 3.2.4 Mơ hình hệ thống có tổn thất chế chấp hành dạng PDT 80 iv 3.2.5 Thiết kế điều khiển trượt thích nghi có tổn thất chế chấp hành dạng PDT 81 3.2.6 Áp dụng cho tay máy robot 2-DOF 85 3.2.7 Áp dụng cho robot công nghiệp 6-DOF 89 3.3 Kết luận chương 97 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHO MỘT DẠNG TAY MÁY ROBOT 99 4.1 Giới thiệu robot Serpent 99 4.2 Động học 99 4.2.1 Động học thuận 101 4.2.2 Động học ngược 102 4.3 Mơ hình động lực học 104 4.3.1 Mơ hình toán học 104 4.3.2 Mơ hình bán vật lý 105 4.4 Lập quỹ đạo chuyển động 107 4.5 Các kết mô thực nghiệm 112 4.5.1 Kết mô 112 4.5.2 Kết thực nghiệm 125 4.6 Kết luận chương 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC PL1 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị ⃗ ̇ ̈ m/s m m/s m/s m/s m/s m/s m/s m/s m ̂ A ̂ B ̂ ̃ Ý nghĩa Tốn tử tích Kronecker Ký hiệu cho dạng vector hình học Ký hiệu đạo hàm cấp biến “ ” theo thời gian Ký hiệu đạo hàm cấp hai biến “ ” theo thời gian Ma trận đơn vị có chiều Gia tốc tịnh tiến dọc theo đoạn AB Độ dài pháp tuyến chung trục khớp trục khớp đo dọc trục (tham số D-H) Gia tốc tịnh tiến lớn quỹ đạo tổng quát Gia tốc tịnh tiến lớn dọc theo đoạn AB Gia tốc tịnh tiến lớn dọc theo đoạn OA Gia tốc tịnh tiến dọc theo đoạn OA Gia tốc tịnh tiến dọc trục ( , , ) Gia tốc tịnh tiến lớn dọc trục ( , , ) Vector gia tốc tịnh tiến khâu EE hệ tọa độ sở với thành phần dọc trục , , Hệ số dương thứ đa thức thu sau khai triển biến trượt thành đa thức Các thành phần vector hệ tọa độ sở Vector hướng trục EE Vector tham số ước lượng ước lượng Điểm đầu mút quỹ đạo điểm làm việc Một điểm tùy ý khâu Ma trận đường chéo tính theo vector Khoảng bão hịa hàm sat() Vector tham số cập nhật luật thích nghi Điểm đầu mút quỹ đạo điểm làm việc Ma trận tham số chứa thành phần bất định Ma trận giá trị nhận dạng Ma trận sai lệch Biểu diễn cho hàm Biểu diễn cho hàm Các ma trận đường chéo với hệ số dương Vị trí điểm trọng tâm khâu Đường giao miền giới hạn mặt cầu (tâm điểm làm việc , bán kính ) Ma trận Coriolis/ly tâm , C ̂ vi Ma trận C với giá trị nhận dạng ̂ C C m rad rad m rad ̂ Ma trận Coriolis/ly tâm robot 2-DOF Độ dài pháp tuyến chung trục trục đo dọc trục (tham số D-H) Vùng không gian làm việc đầy đủ robot Vùng không gian làm việc bị hạn chế robot chế chấp hành thứ bị bó cứng Phần tử số dương cột , hàng Sai lệch bám khớp đặt thứ đáp ứng khớp Vector sai lệch bám khớp đặt đáp ứng khớp Vector cột thứ ma trận đơn vị , Vector sai lệch vị trí với thành phần , Vector sai lệch Sai lệch góc vector Hàm phi tuyến hệ affine SISO Hàm phi tuyến thứ hệ affine MIMO Ước lượng hàm hệ affine MIMO Vector tham số chứa thành phần bất định Vector giá trị nhận dạng Vector sai lệch Hằng số dương thứ Gia tốc trọng trường Vector thành phần trọng lực Vector với giá trị nhận dạng Vector thành phần trọng lực robot 2-DOF Vector gia tốc trọng trường xét hệ tọa độ sở Hàm phi tuyến hệ affine SISO Hàm phi tuyến hệ affine MIMO Ước lượng hàm hệ affine MIMO Phần tử thứ vector Vector thay cho tích Vector hàm phi tuyến Ma trận hàm [ ] hệ affine MIMO ] hệ affine MIMO Mơ men qn tính khâu theo trục Ma trận tensor quán tính khâu xét hệ tọa độ thứ Ma trận tensor quán tính khâu xét hệ tọa độ sở Ma trận Jacobi quay ứng với vector Ma trận Jacobi quay ứng với vector Ma trận Jacobi tịnh tiến ứng với vector Hệ số khuếch đại điều khiển SMC cho hệ SISO Hệ số ma sát nhớt khớp m/s m/s ̂ ̂ ̇ ̂ kg.m kg.m kg.m Nm/(rad/s) Ma trận hàm [ ̂ vii , , ̂ ̂ ̂ J O m J kg m ̇ ̈ m ̇ ̈ m m m m m m m m J rad rad rad/s rad/s rad rad rad rad rad rad/s rad/s rad rad Vector tham số điều khiển SMC Tổng động tay máy robot Ma trận đường chéo tính theo vector Ma trận đường chéo chứa tham số Ma trận đường chéo chứa tham số Các ma trận tham số điều khiển Các ma trận tham số điều khiển Chiều dài khâu Hàm Lagrange Số đầu vào hệ phi tuyến affine MIMO Khối lượng khâu Ma trận quán tính tổng quát tay máy robot Ma trận với giá trị nhận dạng Ma trận quán tính tổng quát robot 2-DOF Số bậc tự Các thành phần vector hệ tọa độ sở Vector hướng trục EE Các thành phần vector hệ tọa độ sở Vector hướng trục EE Vị trí ban đầu EE Gốc hệ tọa độ thứ i Độ dài giữavà điểm làm việc chiếu lên Các tọa độ vector hệ tọa độ sở Vector độ dài điểm Vector độ dài điểm Vector vị trí điểm làm việc EE Vector đại số vector hệ tọa độ sở Vector đại số vector hệ tọa độ sở Vị trí tâm mặt cầu hướng (tâm cổ tay) Tổng tay máy robot Góc quay khớp tạo động khớp Biến góc khớp Vận tốc biến góc khớp Gia tốc biến góc khớp Quỹ đạo mong muốn biến góc khớp Quỹ đạo tham chiếu biến góc khớp Đáp ứng góc khớp mơ hình tốn học Đáp ứng góc khớp mơ hình bán vật lý Vector biến góc khớp Vector vận tốc biến góc khớp Vector gia tốc biến góc khớp Vector quỹ đạo mong muốn góc khớp Vector quỹ đạo tham chiếu góc khớp Vector thành phần tạo lực không viii