Tính toán tham số cho bộ điều khiển tay máy 3 bậc tự do đối với giải thuật động học ngược bằng

MỤC LỤC MỤC LỤC i Chương I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nội dung nghiên cứu 1.3 Bố cục 1.4 Phương pháp nghiên cứu .5 Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu 2.2 Phân loại robot công nghiệp 2.3 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp 10 2.4 Cấu trúc robot công nghiệp 10 2.5 Các phận cấu thành Robot công nghiệp 12 2.5 Hệ phương trình động học Robot .12 2.6 Tổng hợp chuyển động Robot 18 2.6.1 Nhiệm vụ 18 2.6.2 Bài toán động học ngược 18 2.6.3 Phương pháp giải toán động học ngược 19 Chương III THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN DÙNG PHƯƠNG PHÁP ĐẠI SỐ 21 3.1 Các thông số vùng làm việc SCORBOT ER V PLUS 21 3.2 Cấu tạo Robot SCORBOT ER 5PLUS .21 3.3 Giới hạn không gian làm việc SCORBOT ER 5PLUS .23 3.4 Các thông số kỹ thuật Robot .23 3.5 Phương trình động học robot bậc tự 24 3.5.1 Phương trình động học thuận 24 3.5.2 Phương trình động học ngược 28 3.5.3 Giải toán động học ngược phương pháp đại số .29 3.5.4 Sơ đồ khối điều khiển tay máy bậc tự .32 3.5.4.1 Máy tính - Giao diện điều khiển 32 3.5.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển 34 3.5.5 Mô hình phần cứng tay máy bậc tự 34 3.5.6 Các thành phần hệ thống 35 3.5.6.1 Nguồn 35 3.5.6.2 Encoder 36 3.5.6.3 Động DC servo .36 3.5.6.4 Mạch giao tiếp máy tính 37 3.5.6.5 Mạch điều khiển động 37 3.5.7 Kết thi cơng phần cứng mơ hình .38 3.5.8 Kết điều khiển tay máy ba bậc tự 39 Chương IV KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN .43 4.1 KẾT LUẬN 43 4.1.1 Kết đạt 43 4.1.2 Hạn chế đề tài 43 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 43 TÀI LIỆU THAM CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Khoa học – cơng nghệ có vai trị quan trọng nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Nó động lực sở để đánh giá phát triển quốc gia Với phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ mang đến cho người lợi ích to lớn Đưa máy móc vào thay lao động chân tay Một quốc gia muốn có kinh tế phát triển bền vững trị ổn định thiết phải tiếp thu, học hỏi cải tiến cơng nghệ Trong cơng nghiệp tự động hóa ưu tiên cần phát triển Trong xu toàn cầu hóa, thương trường ngày cạnh tranh khốc liệt địi hỏi doanh nghiệp sản xuất cần phải có cải tiến cụ thể công nghệ sản xuất nhằm nâng cao suất lao động, chất lượng sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động … để tồn phát triển Vì vậy, hầu hết nhà máy sản xuất tự trang bị cho dây chuyền sản xuất tự động đại phục vụ cho nhiều công đoạn sản xuất: hàn, gắp, đóng gói, phân loại sản phẩm … Mặt khác, môi trường công nghiệp với điều kiện mơi trường, nhiệt độ, khí hậu … khắc nghiệt mà người khơng thể đáp ứng việc áp dụng khoa học kỹ thuật lựa chọn hàng đầu Do đó, việc nghiên cứu, lập trình, chế tạo tay máy, Robot di động trở nên quan trọng cấp thiết, đề tài ứng dụng mang tính thực tế cao Nó khơng cịn vấn đề q xa lạ với mà xuất từ lâu giới Với số đề tài nghiên cứu lĩnh vực kể sau:  Andre P., Kauffmann J M., Lhote F., Taillard J.M Les Robot-Constituants Technologiques Hermes Publishing, 1983  Denavit J., Hartenberg R S., A Kinematic Notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrises ASME Journal of Applied Mechanics, 1955  Mair G Industrial Robotics Prentice Hall, 1988  Shimon Y.Nof, Handbook of Industrial Robotics, 2nd ed, John Wiley & Son Inc, 1999 Hiện nay, tình hình nghiên cứu Robot nước ngày phát triển có bước tiến vượt bậc với việc ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động: điều khiển trượt, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, Với số đề tài như:  Nguyễn Thiện Phúc, Trần Văn Cường, Tay máy công nghiệp TM-3B Thông báo khoa học trường đại học, 1995  Nguyễn Văn Minh, Trần Ngọc Toản, Phạm Đăng Phước, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot sơn phủ RSP-406 Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị tự động hố tồn quốc lần thứ IV, 4/2010  Nguyễn Văn Giáp, Đoàn Thế Thảo - Thiết kế, chế tạo điều khiển robot leo cầu thang - Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, 2003  Bùi Văn Hạnh-Thiết kế chế tạo robot hàn tự động-Trường đại học bách khoa Hà Nội, 2012 Cùng với đó, tác giả đưa đề tài: “TÍNH TỐN THAM SỐ CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BẬC TỰ DO VỚI GIẢI THUẬT ĐỘNG HỌC NGƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐẠI SỐ” Tác giả trình bày tổng quan cấu trúc học tay máy, cách xây dựng phương trình động học, tập trung vào giải thuật điều khiển tay máy di chuyển không gian dùng phương pháp đại số, bên cạnh ứng dụng giải thuật vào điều khiển mơ hình tay máy thực tế để chứng minh tính hiệu giải thuật điều khiển 1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong đề tài này, tác giả tiến hành tìm hiểu mặt lý thuyết tiến hành xây dựng giải thuật điều khiển robot thực tế Lý thuyết: - Khảo sát tay máy bậc tự thực tế: thu thập số liệu thông số tay máy chiều dài khâu, góc giới hạn, động truyền động, cảm biến vòng quay, kết cấu khí - Tìm hiểu phương trình động học thuận – ngược tay máy: Từ thông số tay máy ta tiến hành xây dựng phương trình động học thuận - Giải thuật động học ngược tay máy ba bậc tự kết hợp xây dựng giải thuật động học ngược theo phương pháp đại số cho tay máy - Tìm hiểu phương pháp giao tiếp máy tính vi điều khiển - Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình C - Thiết kế giải thuật điều khiển Mơ hình thực nghiệm: - Phục chế mơ hình khí cánh tay máy ba bậc tự - Thi công mạch điều khiển động DC khớp - Thi công mạch giao tiếp vi điều khiển PIC 18F4431 máy tính - Lập trình giao diện giải thuật điều khiển cho tay máy dựa ngôn ngữ lập trình C 1.3 BỐ CỤC Đề tài gồm có chương: Chương 1: Tổng quan Robot - Giới thiệu đề tài - Tình hình nghiên cứu nước - Mục tiêu đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Khảo sát số liệu thông số tay máy - Phương pháp xây dựng phương trình động học thuận - Phương pháp xây dựng phương trình động học ngược - Các phương pháp giải phương trình động học robot Chương 3: Thiết kế giải thuật điều khiển dùng phương pháp đại số - Mơ hình tốn học robot ba bậc tự - Thiết kế điều khiển tay máy ba bậc tự với giải thuật động học ngược theo phương pháp đại số Chương 4: Kết luận hướng phát triển - Nêu lên kết đạt - Hướng phát triển đề tài 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Nghiên cứu lý thuyết tay máy thực tế - Phương pháp tham khảo tài liệu: tìm kiếm thơng tin từ sách ,báo, tạp chí cơng nghệ, internet - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ kiến thức thu thập tiến hành khảo sát, tính toán, thiết kế hệ thống … CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU Thuật ngữ “Robot” lần xuất vào năm 1921 kịch “Rossum’s Universal Robots” Karel Capek 20 năm sau nghiên cứu thành cơng Hoa Kỳ đưa vào ứng dụng năm 1961 nhà máy lắp rắp ôtô hãng GM Hơn nửa kỹ có mặt ngành sản xuất, cánh tay Robot công nghiệp mang lại nhiều hiệu đáng kể góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động sản xuất Sơ lược lịch sử phát triển Robot công nghiệp  Robot công nghiệp chế tạo có tên Versatran cơng ty AMF (American Machine and Foundary Company), thời điểm Mỹ xuất loại Robot Unimate -1900 dùng ngành công nghiệp ôtô  Tiếp theo sau Mỹ nước sản xuất Robot công nghiệp Anh (1967), Thụy Điển – Nhật (1968), Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973), …  Năm 1967 Đại học Standford (Mỹ) chế tạo mẫu Robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, 1974 công ty Cincinnati đưa loại robot T3 (The Tomorrow Tool) điều khiển máy vi tính nâng vật có khối lượng lên đến 40kg  Trong năm sau này, với phát triển ngành công nghệ thông tin điện tử Robot ngày đại làm việc môi trường khắc nghiệt, tự động hóa dây chuyền sản xuất chiếm vị trí quan trọng ngành công nghiệp mũi nhọn Các thông số kỹ thuật cánh tay máy công nghiệp: Cánh tay máy công nghiệp thường đặc trưng bảng thông số kỹ thuật sau: Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật cánh tay máy công nghiệp Thông số kỹ thuật Số bậc tự Tải nâng Giá trị kg Giá trị giới hạn (max, min)  Biến khớp quay rad  Biến khớp tịnh tiến mm Vận tốc góc lớn quay rad/s Vận tốc tịnh tiến lớn mm/s Tầm với (max/min) mm Tầm cao (max/min) mm Sai số định vị mm Hệ truyền dẫn động - Hệ điều khiển - Kết cấu tay máy công nghiệp Tay máy thành phần quan trọng định khả làm việc Robot, với phát triển khoa học kỹ thuật ngày cánh tay máy có kết cấu đa dạng, thiết kế sử dụng tay máy cần ý đến thơng số hình - động học, thông số liên quan đến khả làm việc như: tầm với, số bậc tự do, tải trọng vật nâng, độ cứng vững lực kẹp,…  Robot kiểu tọa độ Đề-các: có chuyển động tịnh tiến theo phương Hình 2.1: Robot kiểu tọa độ Đề-các  Robot kiểu tọa độ trụ: vùng làm việc robot có dạng hình trụ rỗng Thường khớp thứ chuyển động quay Hình 2.2: Robot kiểu tọa độ trụ Cấu hình R.T.T  Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc robot có dạng hình cầu, đặc biệt loại robot có độ cứng vững thấp hai loại Hình 2.3.1: Cấu hình R.R.R Hình 2.3.2: Cấu hình R.R.T Hình 2.3: Robot kiểu tọa cầu  Robot kiểu tọa độ góc: loại robot sử dụng nhiều 10 = arctg( ) Thay vào phương trình (3.13) a2.2cos (3.14) (3.15) Như vậy: (3.16) (3.17) (3.18) Kết luận: Khi có điểm nằm giới hạn không gian làm việc tay máy dựa vào giải thuật động học ngược ta xác định xác góc tương ứng để điều khiển tay máy đến vị trí 33 Khi giải toán động học ngược phương pháp đại số ta luôn nhận giá trị , tùy theo giá trị thực tế phù hợp với tay máy để chọn vị trí điều khiển thích hợp Với kết tính tốn hàm lượng giác phức tạp nên luận văn tác giả sử dụng ngơn ngữ lập trình C# để thiết kế giao diện điều khiển 3.4.4 Sơ đồ khối điều khiển tay máy bậc tự Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển tay máy bậc tự Hệ điều khiển tay máy xây dựng sơ đồ khối hình 3.6 Hệ bao gồm ba khối chính: - Máy tính - Giao diện điều khiển - Mạch điện điều khiển - Mơ hình phần cứng 3.4.4.1 Máy tính - Giao diện điều khiển Sử dụng ngơn ngữ lập trình C# để thiết kế giao diện điều khiển tay máy bậc tự do, giao diện điều khiển chia làm khối như: 34 Tính động học thuận KHỐI ĐIỀU KHIỂN Set tham số RS 232 KHỐI HỒI TIẾP Tính động học ngược Hình 3.7: Giao diện điều khiển  Khối tính động học thuận: khối có chức tính tốn thơng số dựa vào phương trình động học thuận, đặt thơng số ngõ vào góc khớp , kết tính tọa độ vị trí đầu cơng tác tay máy M [xM, yM, zM]  Khối tính động học ngược: khối có chức tính tốn thơng số dựa vào giải thuật động học ngược, đặt thông số ngõ vào tọa độ vị trí đầu cơng tác tay máy M [xM, yM, zM], kết tính góc khớp  Khối điều khiển: khối có chức điều khiển hoạt động khớp tay máy, điều khiển cho tay máy vị trí HOME, truyền liệu cho vi điều khiển SEND, lệnh điều khiển RUN, dừng điều khiển STOP 35  Khối hồi tiếp: khối có chức trả kết điều khiển, hiển thị kết tay máy thực  Khối Set thông số cho RS 232: khối dùng để cài đặt thơng số mạch giao tiếp máy tính thơng qua chuẩn RS 232 3.4.4.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển Hình 3.8: Lưu đồ giải thuật điều khiển 3.4.5 Mơ hình phần cứng tay máy bậc tự 36 Hình 3.9: Mơ hình phần cứng tay máy 3.4.6 Các thành phần hệ thống 3.4.6.1 Nguồn Hệ thống hoạt động có ổn định hay khơng cịn phụ thuộc nhiều vào tính ổn định nguồn cung cấp Nguồn cung cấp cho hệ điều khiển tay máy gồm hai nguồn:  Nguồn điều khiển  Nguồn công suất Nguồn điều khiển cấp cho cổng RS 232 thông qua cáp USB từ máy tính 5V, board mạch cổng có IC ổn áp chuyển 5v thành 3.3V tương thích mức tín hiệu điện áp cấp cho RS232 Nguồn công suất cấp cho driver điều khiển động 12V DC 37 Hình 3.10: nguồn 12V-5A 3.4.6.2 Encoder Là loại cảm biến vị trí, đưa thơng tin góc quay dạng số mà khơng cần bộADC.Encoder quay quang cịn gọi mã hóa vịng quay Hình 3.11: cấu tạo encoder quang 3.4.6.3 Động DC servo Động DC servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín.Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác 38 Động servo có nhiều kiểu dáng kích thước, sử dụng nhiếu máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển máy tính mơ hình máy bay xe Ứng dụng động servo robot, loại với động dùng mơ hình máy bay xe Trong đề tài này, tay máy thiết kế sử dụng động DC servo nguồn cấp 12 VDC, có kèm theo giảm tốc encoder quang Hình 3.12: động DC servo sử dụng tay máy 3.4.6.4 Mạch giao tiếp máy tính Hình 3.13: Mạch chuyển đổi USB sang UART 4.6.5 Mạch điều khiển động 39 Hình 3.14: Board mạch điều khiển tay máy 3.4.7 Kết thi cơng phần cứng mơ hình Hình 3.15: Mơ hình phần cứng tay máy 40 Hình 3.16: mơ hình phần cứng điều khiển tay máy Kết điều khiển PID phương pháp thực nghiệm Bảng 4.1: Thông số điều khiển PID Khớp i Kp Ki Kd Khớp 100 100 Khớp 100 100 Khớp 200 100 3.4.8 Kết điều khiển tay máy ba bậc tự Để điều khiển vị trí tay máy ba bậc tự trước tiên ta phải thực bước sau: Chạy phần mềm điều khiển, hình xuất hiện: Hình 3.17: Màn hình giao diện phần mềm điều khiển 41 - Khai báo bảng điều khiển RS 232 tiến hành kết nối - Nhập tọa độ điểm tương ứng: M1[x1, y1, z1]; M2[x2, y2, z2]; M3[x3,y3,z3] - Áp dụng giải thuật động học ngược ta tính góc quay khớp tương ứng: M1[ ]; M2[ ]; M3[ ] - Sau nhập góc quay tương ứng vào vị trí, chọn lệnh RUN Kết điều khiển: Điều khiển tay máy vị trí Home: Hình 3.18: Tay máy vị trí Home Điều khiển tay máy tới vị trí M1: 42 Hình 3.19: Tay máy vị trí M1 Điều khiển tay máy tới vị trí M2: Hình 3.20: Tay máy vị trí M2 Điều khiển tay máy tới vị trí M3: 43 Hình 3.21: Tay máy vị trí M3 44 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN 4.1.1 Kết đạt Trong đề tài này, ngồi phần sở lý thuyết phần trọng tâm tác giả trình bày tổng quan Scorbot er vplus, phương pháp xây dựng hệ phương trình động học thuận, phương trình động học ngược, kết hợp giải toán động học ngược phương pháp đại số, nghiệm giải phương trình động học thuận so sánh với kết toán động học ngược tương đối xác, bên cạnh tác giả thiết kế giao diện điều khiển phần mềm C#, kết điều khiển vị trí cánh tay máy bậc tự với sai số tương đối nhỏ Bộ điều khiển cho thấy cánh tay máy điều khiển theo vị trí xác cập nhật tọa độ liên tục, sai số nhỏ 4.1.2 Hạn chế đề tài Trong đề tài tác giả chưa làm điều khiển nhiều vị trí lúc, chưa điều khiển tay máy theo quỹ đạo, giới hạn không gian làm việc chưa đạt theo yêu cầu nhà sản xuất kết điều khiển vị trí tay máy sai số kết cấu tay máy cũ kỹ, hệ thồng tiếp điểm hành trình bị sai số 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Qua việc phân tích hạn chế đề tài, tác giả hướng phát triển sau: Nghiên cứu điều khiển tay máy phát triển lên năm bậc Nghiên cứu phát triển điều khiển tay máy theo quỹ đạo điều khiển xác vị trí 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Ts Nguyễn Đức Thành (2008), Đo lường điều khiển máy tính, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM [2] Ts Nguyễn Thiện Thành (2007), Trí tuệ nhân tạo hệ chuyên gia, NXB Giáo dục [3] Ts Lê Hoài Quốc, Kỹ thuật người máy robot công nghiệp, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM [4] Ks Trần Xuân Trường, Tài liệu sử dụng CCS tiếng Việt (tài liệu lưu hành nội bộ) Trường ĐH KHTN [5] Nguyễn Thiện Phúc (2005), Robot - Thế giới công nghệ cao bạn, NXB KHKT [6] Đào Văn Hiệp (2002), Kỹ thuật Robot, NXB KHKT [7] Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm (2003), Nguyên lý máy, NXB GD [8] Nguyễn Thiện Phúc (2004), Robot công nghiệp, NXB KHKT [9] Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển Robot công nghiệp - Những vấn đề cần biết Tạp chí Tự động hố ngày - số tháng 4, 5, / 2006 [10] Phạm Đăng Phước (1998) Robot công nghiệp NXB KHKT [11] Nguyễn Thiện Phúc, Trần Văn Cường-Về phương pháp giải toán ngược động học tổng hợp quĩ đạo chuyển động người máy Tuyển tập báo cáo khoa học hội nghị tự động hố tồn quốc lần thứ II, 1996 Tài liệu nước [12] Theory and Practice of Robots and Manipulators, Proceedings of RoManSy 84 The 5th CISM-IFToMM Symposium 46 [13] Rohrs C.E., Melsa J.L., Schultz D.G., Linear Control Systems McGraw-Hill, 1993 [14] Mair G Industrial Robotics Prentice Hall, 1998 [15] Roth B., Robotics, Applied Mechanics Reviews, Vol 31, 1978 47