Luậ�� n vậ n Thậ� c sĩ� Kỹ� thuậ�� t Điề�u khiề�n robot 2 bậ�� c tự� do Luậ�� n vậ n Thậ�c sĩ� Kỹ� thuậ�� t Điề�u khiề�n robot 2 bậ�� c tự� do BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Ho[.]
Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Thăng Long ĐIỀU KHIỂN ROBOT BẬC TỰ DO Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS PHAN XUÂN MINH Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự HÀ NỘI – 2014 Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1.1 Sơ lược phát triển Robot công nghiệp 12 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP .2 Định nghĩa robot số khái niệm 12 1.2.1 Các định nghĩa Robot công nghiệp 12 12 VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU 2.2 Một số khái KHIỂN 12 niệm 13 1.3.2.3 MụcMột tiêusốvàthông ứng dụng Robot số đặccủa trưng củacông hệ thống nghiệp 14 Robot 14Robot công nghiệp 1.3.1 Mục tiêu ứng dụng 14 3.2 Ứng dụng mơ hình hóa Robot công 1.4 Cấu trúc hệ thống Robot công nghiệp nghiệp 14 16 1.4.1 Các thành phần Robot công nghiệp 16 4.2 Các dạng cấu hình học Robot 17 1.5.4.3 CácMô phương pháp lực điều khiển Robot cơng hình động nghiệp 29 học 18 1.5.1 Các phương pháp điều khiển truyền thống 29 5.2 Phương pháp điều khiển thông minh 1.6 Lý thuyết ổn định .35 Lyapunov 40 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 42 2 2 Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự CHO ROBOT BẬC TỰ DO 49 3.1 Mơ hình Robot Planar bậc tự 49 Thiết kế điều khiển trượt cho robot bậc tự mơ 3hình xác định 50 3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô Mô kiểm chứng Matlab-Simulink 51 51 3.2 Kết mô 52 KẾT 3.3 LUẬNNhận VÀ PHƯƠNG xét, đánhHƯỚNG giá kết PHÁT mô TRIỂN 57 56 PHỤ LỤC 61 Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Điều khiển trượt cho robot hai bậc tự do” tự thực hướng dẫn cô giáo GS.TS Phan Xuân thamhoàn khảo trung dẫn rathực cuối luận văn, tơi Minh.Ngồi Các sốcác liệutài vàliệu kết tồn đảm bảo khơng chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu Họctrách viên nhiệm Hoàng Thăng Long Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự MỞ ĐẦU Theo trình phát triển xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao dụngtriển rộngmạnh rãi vàmẽ… đóngVìvai quan trọng sản xuất hìnhRobot thànhứng phát thếtrò ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng đời sống cấu có linh khả hoạt lập trình người máyRobot để tạolàracơ hệđa sảnchức xuấtnăng tự động dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thông qua * Robot thể thao tác người hợp tác với truyền động có cách thơng lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào phép toán minh động máy hoặchiện đại số ma tay trận * Robot cóngười cánh tayđiều với khiển nhiều bậc tự có tính thể thực điều khiển bằngchuyển chương trình nạp sẵn chip bo mạch điều khiển robot Càng ngày ngành robot phát triển, đem lại thay đổi quan trọng chế tạo sản phẩm nâng cao suất chất lượng nhiều ngành công nghiệp Sử dụng Robot cơng nghiệp (RBCN), xí nghiệp cơng nghiệp thu nhiều lợi ích như: tăng thời gian hoạt động máy móc, tăng độ linh hoạt, có khả định trước công việc sản xuất tăng sản lượng nhờ làm ổn định trình Việc tự động hóa nhờ robot khắc phục tình trạng thiếu nhân cơng, đồng thời tăng độ an tồn cho người thiết bị Việc tiết kiệm nhân công hạ giáđóng thànhvai sản ưu điểm quyếthóa địnhlinh khả Robot tròphẩm, quan trọng tự động hoạt cạnh tranh Giá công tác vận thành robot tính củasơn hàn đượctự chuyểncủa bổ trợ chođang máy giảm CNC, dâykhi chuyền lắp ráp, gia tăng công động, nghệ ngày dễlại, sử dụng máy có Một thể kết hợp thao tác lặpcàng lặp RBCN vùng nguyCNC hiểm robot cóvới thể thành chuyển động từ Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuậthệ Điều khiền robot bậc lập tự dotrình điều khiển máy tính chúng thống có 2vị thể vị trí sáng trí khác để cung4 cấp chi tiết đồng thời giao hoạt động tiếp với cáctheo thiết công nghệ đặt Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự bị ngoại vi PLC, bàn điều khiển hệ thống mạng truyền thông công nghiệp Ưu điểm quan trọng kỹ thuật robot tạo nên khả linh hoạt hóa sản xuất Việc sử dụng máy tính điện tử - robot máy điều khiển theo chương trình cho phép tìm phương thức mẻ để tạo nên dây chuyền tự động cho sảnkhiển xuất robot hàng (ĐKRB) loạt với có nhiều mẫu, phẩm Kỹ Để hệ điều độ tin cậy,loại độ sản xác cao, thuật cơng giárobot thành hạ nghiệp máy vi tính đãthì đóng vai vụ trịcơ quan tiết kiệm lượng nhiệm bảntrọng hệ ĐKRB việc phải tạo đảm chuyền bảo dây giá trị yêu tự động (Hệ sản xuất linhvà hoạt FMS) cầu linh hoạt đại lượng điều chỉnh điều khiển Ngoài ra, hệ ĐKRB phải đảm bảo ổn định động tĩnh, chống nhiễu ngồi, đồng thời khơng Khigây thiếttác kế hệ ĐKRB mà sử dụng hệ điều chỉnh tự độngmôi truyền hại cho trường như: tiếng ồn mức quy định, sóng hài điện áp dòng động, cần phải đảm bảo hệ thực tất yêu cầu công nghệ, điện lớncác chochỉ lưới điện tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế Chất lượng hệ thống thể trạng thái tĩnh trạng thái động Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng độ xác điều chỉnh Trạng thái động có u cầu độ ổn định tiêu chất Đặc điểm thống ĐKRB thực điều lượng động độ điềuhệ chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều khiển bám theo chỉnh số lần quỹ đạo tạp đặt trước không gian,các tuybộnhiên dao động Đốiphức với hệ ĐKRB, việc lựa chọn sử dụng biến đổi, dịch chuyển loại động trọng tâm cácbị chuyển độngcảm thành phần quánvà tính điện, thiết đo lường, biến, cácvà bộmômen điều khiển đặc hệ thay đổi, biệt phương điều dẫn đến có thơng độngrất họclớn hệchất cũnglượng thay điều đổi theo quỹ phápđó điều khiển ảnhsố hưởng đến khiển đạo chuyển động bám xác quỹ thời xuất lực tác động qua lại, xuyên chéo đạođồng hệ chuyển động thành phần hệ với Các yếu tố tác động cho hệ ĐKRB mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở lớn cho việc mơ tả nhận dạng xác hệ Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuậtthống Điều khiền robot bậc tự ĐKRB bám theo quỹ đạo đặt trước phải ĐKRB Do vậy, giải vấn đề sau Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự * Khắc phục lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc quỹ đạođộng thành phần quỹ đạo chung hệ riêng chuyển như: lực quán tính, lực ly tâm,trọng lực ma sát * Khi tâm chuyển động thành phần hệ thay đổi theo quỹ đạo riêng chung kéo theo thay đổi thơng số động học hệ, điều địi hỏi phải có biến thiên tham số đưa vào điều khiển tương ứng để đảm bảo cân bằng, ổn định bền vững đồng thời phương pháp điều khiển thông thường sử dụng biện pháp bámCác theo quỹ phân tích gián đạo đặt tiếp thơng qua mơ hình làm việc hệ, song lại không cung cấp thông tin cách đầy đủ tồn hệ thống Cịn phương pháp phân tích trực tiếp ngoại trừ tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân tích tính ổn định Phương pháp điều khiển động lực học ngược cần phải biết xác thơng phương pháp mặt phẳng pha giới hạn hệ phi tuyến có hai biến trạng tới đối tượng thực tế lại có thơng số thay số củathái, đối cho tượng, đổi nhiễu chưa có phương pháp cụ thể khác khơng xác định mơi trường làm việc Do đó, việc thực điều khiển Phương pháp điều ly khó phi tuyến cóvề nhược điểmxác, hệ theo phương khiển gặp phân nhiều khăn độ hay thống điều nói cách khác khiển có tính tuyến cao, dotế độ phức tạp điều khiển khó thực phi thực lớn, khó có Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn thực khả đơn thực thực tế giản cho mơ hình tuyến tính với giả thiết bỏ qua liên hệ động lực học chuyển động thành phần hệ Ngoài ra, ổn định hệ thống kín vấn đề khó giải với tính phi tuyến cao mơ hình chuẩn Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có luật điều khiển thích nghi đơn giản hóa cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, phương pháp tồn sai lệch quỹ đạo trình điều Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuậtkhiển Điều khiền bậcvậy tự dosẽ không phù hợp với yêu cầu hệ điều thựcrobot khiển xác quỹ đạo Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Phương pháp điều khiển trượt có ưu điểm lớn đơn giản có tính bền vững cao Trong thực tế nói chung cơng nghiệp nói riêng có nhiều đối tượng ứng dụng phương pháp điều khiển trượt ưu điểm phương pháp này, đặc biệt đối tượng robot Mơ hình động lực Robot mơ hình phi tuyến với nhiều tham số bất định Phương pháp tiếp cận để điều khiển Robot phương pháp điều khiển tuyến tính, phương pháp thiết kế Hệ thống điều khiển Robot địi hỏi cấu trúc điều khiển thay có chế đặc biệt Robot có đặc tính phi tuyến đổi số linhhạn hoạt mạnh có tham để đảm bảo tính ổn định chất lượng bền vững có thay đổi số bất định tham số Chính phương pháp điều khiển phải tiếp tục nghiên cứu mơ hình có nhiễu tác động Và điều khiển trượt để đáp ứng (Sliding Modeđược yêu cầu chất lượng hoạt động Robot Contrrol - SMC) hay gọi điều khiển có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) phương pháp hiệu để giải vấn đề này.Nội Từ dung luận văn chia thành chương với nội dung sau: đánh giá nêu trên, tác giả luận văn định lựa chọn đề tài Chương 1: trượt Tổng quan Robot công nghiệp phương pháp điều khiển “Điều khiển Trình bày kiến thức áp dụng để thiết kế cho robot hai bậc tự do” luận văn lí thuyết - Sơ lược phát triển Robot công - nghiệp - Định nghĩa robot số khái niệm Mục tiêu ứng dụng Robot công - nghiệp - Cấu trúc hệ thống Robot công nghiệp Chương 2: Thiết kế điều khiển trượt pháp điều khiển Robot - Các Đặc phương điểm điều khiển công nghiệp - trượt Nguyên lý điều khiển trượt Ổn định Lyapunov - Tổng hợp tín hiệu điều khiển trượt Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Chương 3: Ứng dụng điều khiển trượt vào điều khiển robot planar hai bậc tự Thiết kế điều khiển trượt mô Matlab-Simulink Cuối tiến hành mô đánh giá kết đạt Trong trình nghiên cứu, tác giả luận văn cố gắng tiếp cận giải vấn đề cách triệt để Tuy vậy, thời gian có hạn trình độ chun mơn cịn nhiều điểm chưa hồn thiện, chắn khơng tránh khỏi sai sót Xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Điều định Kính mong nhận đóng góp bảo thêm thầy cô khiển Tự động trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác trình biết thựcơn Xingiả bày tỏ lòng sâuluận sắcvăn tới GS.TS Phan Xuân Minh, người định hướng tận tình bảo, giúp đỡ để tác giả hồn thành luận văn tốt Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè nghiệp đồng nghiệp, người ln ủng hộ nhiệt tình nguồn động viên to lớn tác giả suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận Hà nội, ngày 26 văn tháng năm 2014 Học viên Hoàng Thăng Long Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU SMC Sliding Mode Control VSC Variable Structure Control RBCN ĐKRB Luận vận Thậc sĩ Kỹ thuật Điều khiền robot bậc tự Điều khiển trượt Điều khiển cấu trúc thay đổi Robot công nghiệp Điều khiển Robot