(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho cánh tay robot sáu bậc tự do trong thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO CÁNH TAY ROBOT SÁU BẬC TỰ DO TRONG THỰC NGHIỆM MÃ SỐ: SV2022-27 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TRẦN MINH PHÚC SKC008040 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO CÁNH TAY ROBOT SÁU BẬC TỰ DO TRONG THỰC NGHIỆM SV2022-27 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Trần Minh Phúc Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 18151B – Khoa Điện - Điện tử Năm thứ: / Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện TP Hồ Chí Minh, 11/2022 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG BIỂU iii DANH MỤC HÌNH ẢNH iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU viii xi Tổng quan tình hình nghiên cứu xi Lý chọn đề tài xi Mục tiêu đề tài xii Phương pháp nghiên cứu xii Đối tượng phạm vi nghiên cứu xii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cánh tay máy công nghiệp 1.1.1 Định nghĩa cánh tay máy công nghiệp 1.1.2 Phân loại cánh tay máy công nghiệp 1.1.3 1.2 Thành phần cánh tay máy công nghiệp Động học cánh tay máy 1.2.1 Gắn hệ toạ độ lên khâu cánh tay máy 1.2.2 Động học thuận 1.2.3 1.3 Động học nghịch 10 Vận tốc động lực học cánh tay máy 11 1.3.1 Vận tốc góc, vận tốc dài 11 1.3.2 Ma trận Jacobian 11 1.3.3 Động lực học 12 1.4 Quy hoạch quỹ đạo cánh tay máy 14 1.5 Thuyết ổn định Lyapunov 16 1.6 Một số phương pháp điều khiển áp dụng cho cánh tay máy 17 I 1.6.1 Bộ điều khiển trượt 17 1.6.2 Bộ điều khiển trượt thích nghi 18 Công cụ đánh giá điều khiển 19 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20 1.7 2.1 Mô tả phần cứng thực nghiệm hệ thống 20 2.1.1 Yêu cầu thiết kế 20 2.1.2 Sơ đố khối phần cứng hệ thống 20 2.1.3 Lựa chọn thiết bị phần cứng 21 2.1.4 Sơ đồ dây 35 2.2 Tính tốn động học cánh tay máy 37 2.2.1 Đặt hệ trục toạ độ 37 2.2.2 Động học thuận 37 2.2.3 Động học nghịch 39 Tính tốn vận tốc động lực học cánh tay máy 42 2.3 2.3.1 Tính tốn vận tốc góc vận tốc dài 42 2.3.2 Tính toán ma trận Jacobian 45 2.3.3 Tính tốn động lực học cánh tay máy 46 Thiết kế điều khiển phi tuyến áp dụng cho hệ cánh tay máy 49 2.4 2.4.1 Bộ điều khiển trượt 49 2.4.2 Bộ điều khiển trượt thích nghi 51 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 54 3.1 Mô kiểm chứng điều khiển 54 3.2 58 Thực nghiệm kiểm chứng điều khiển KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ xiv Kết luận xiv Kiến nghị xiv TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC xv xvi MINH CHỨNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI xxiii II DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Bảng phân loại cánh tay máy cơng nghiệp theo cấu trúc khí Bảng 1-2 Bảng thông số Denavit – Hartenberg Bảng 1-3 Phương pháp quy hoạch quỹ đạo không gian làm việc không gian khớp 14 Bảng 2-1 Thông số kỹ thuật Denso VS-6556 21 Bảng 2-2 So sánh điều khiển trung tâm phổ biến 22 Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật ADVANTECH 610H 24 Bảng 2-4 Thông số kỹ thuật PCI-6713 25 Bảng 2-5 Thông số kỹ thuật SCB-68A 26 Bảng 2-6 Thông số kỹ thuật PCI-QUAD04 26 Bảng 2-7 Thông số kỹ thuật AC Servo 28 Bảng 2-8 Thông số kỹ thuật MR-J3-A 29 Bảng 2-9 Thông số kỹ thuật Mitsubishi NF30-CS 31 Bảng 2-10 Thông số kỹ thuật Woonyoung WYFS20T1AD 32 Bảng 2-11 Thông số kỹ thuật Mitsubishi SD-Q11 DC24V .32 Bảng 2-12 Thông số kỹ thuật Mitsubishi CP30-BA AC/DC 33 Bảng 2-13 Thông số kỹ thuật Omron S8PS – 05024CD 34 Bảng 2-14 Thông số kỹ thuật Fuji Electric AR22V0L 34 Bảng 2-15 Thông số kỹ thuật Fuji Electric AR22PR 35 Bảng 2-16 Bảng Denavit-Hartenberg cánh tay máy bậc tự 37 Bảng 2-17 Bảng thông số vật lý cánh tay máy bậc tự 46 Bảng 3-1 Bảng thông số mô điều khiển mô .54 Bảng 3-2 Bảng thông số thực nghiệm điều khiển 58 Bảng 3-3 Bảng đánh giá sai số quỹ đạo điều khiển thực nghiệm .61 Bảng 3-4 Bảng đánh giá sai số quỹ đạo điều khiển thực nghiệm .65 III DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển vòng hở Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển vịng kín Hình 1.3 Miêu tả bảng tham số Denavit Hartenberg Hình 1.4 Bài tốn động học thuận Hình 1.5 Bài tốn động học nghịch 10 Hình 1.6 a) Ổn định Lyapunov b) Ổn định tiệm cận Lyapunov 17 Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển trượt 17 Hình 1.8 Giai đoạn hoạt động điều khiển trượt 18 Hình 1.9 Hiện tưởng chuyển mạch tần số cao 18 Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiển trượt thích nghi 19 Hình 2.1 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống 21 Hình 2.2 Cánh tay máy Denso VS-6556 21 Hình 2.3 Máy tính cơng nghiệp ADVANTECH 610H 24 Hình 2.4 Bo mạch xuất ngõ tương tự PCI-6713 25 Hình 2.5 Khối kết nối I/O SCB-68A 26 Hình 2.6 Bo mạch xử lý tín hiệu encoder PCI-QUAD04 26 Hình 2.7 Động AC Servo Mitsubishi 28 Hình 2.8 Mô-đun điều khiển động MR-J3-A 29 Hình 2.9 Aptomat khối Mitsubishi NF30-CS 31 Hình 2.10 Bộ lọc nguồn Woonyoung WYFS20T1AD 32 Hình 2.11 Cơng tắc tơ Mitsubishi SD-Q11 DC24V 32 Hình 2.12 Aptomat Mitsubishi CP30-BA AC/DC 33 Hình 2.13 Bộ nguồn Omron S8PS – 05024CD 34 Hình 2.14 Nút nhấn khẩn cấp Fuji Electric AR22V0L 34 Hình 2.15 Cơng tắc Fuji Electric AR22PR 35 Hình 2.16 Sơ đồ khối dây tổng quát hệ thống 36 Hình 2.20 Tủ điện điều khiển hệ thống 36 Hình 2.21 Tổng quan phần cứng hệ thống 36 IV Hình 2.22 a) Cánh tay máy bậc tự sử dụng hệ thống; b) Đặt hệ trục toạ độ cánh tay máy bậc tự 37 Hình 3.1 Đáp ứng ngõ khớp a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp 55 Hình 3.2 Sai số ngõ khớp a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp 56 Hình 3.3 Tín hiệu điều khiển khớp a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp 57 Hình 3.4 Đáp ứng ngõ a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 59 Hình 3.5 Sai số ngõ a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 60 Hình 3.6 Tín hiệu điều khiển a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 61 Hình 3.7 Đáp ứng ngõ a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 63 Hình 3.8 Sai số ngõ a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 64 Hình 3.9 Tín hiệu điều khiển a) khớp 1; b) khớp 2; c) khớp 3; d) khớp 4; e) khớp 5; f) khớp thực nghiệm quỹ đạo 65 V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ TIẾNG ANH Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating Current Điện xoay chiều DC Direct Current Điện chiều PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic lập trình PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PD Proportional Derivative Bộ điều khiển vi phân tỉ lệ I/O Input/Output Đầu vào/đầu ISO International Organization for Standardization Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế SMC Sliding mode control Điều khiển trượt MIMO Multiple input multiple output Nhiều đầu vào nhiều đầu 3D 3-Dimension chiều TP Trajectory planning Quy hoạch quỹ đạo SC Simscape FK Forward kinematics Động học thuận IK Inverse kinematics Động học nghịch FD Forward dynamics Động học lực thuận ID Inverse dynamics Động học lực nghịch AO Analog output Đầu tín hiệu tương tự DI Digital input Đầu vào tín hiệu số MCCB Moulded Case Circuit Breaker Cầu dao khối NF Noise Filter Bộ lọc nguồn VI C Contactor Công tắc tơ CB Circuit Breaker Cầu dao Viscous friction Ma sát nhớt Coulomb friction Ma sát tĩnh Emergency stop button Nút nhấn khẩn cấp Switch Công tắc Coriolis/centrifugal Coriolis/ly tâm Analog Output Ngõ tương tự Encoder Input Đầu vào tín hiệu từ mã hố quay VII BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế điều khiển phi tuyến cho cánh tay robot sáu bậc tự thực nghiệm - Chủ nhiệm đề tài: Trần Minh Phúc Mã số SV: 18151223 - Lớp: 181511B Khoa: Điện – điện tử - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Hà Thanh Bình 18151157 181511B Điện – điện tử Tống Hải Ninh 18151212 181511C Điện – điện tử Nguyễn Minh Hoàng 19151127 19151CL1A Chất lượng cao - Người hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện Mục tiêu đề tài: Mục tiêu chung: Tính tốn thiết kế điều khiển phi tuyến cho cánh tay máy sáu bậc tự Mục tiêu cụ thể: - Lập danh sách tìm hiểu tổng quan đề tài nghiên cứu liên quan - Xây dựng lại mơ hình cánh táy máy công nghiệp 2D 3D phần mềm chun dụng - Phân tích, tính tốn động học, quy hoạch quỹ đạo động lực học cho cánh tay máy bậc tự - Thiết kế thi cơng tủ điện cho mơ hình cánh tay máy bậc tự - Xây dựng điều khiển phi tuyến điều khiển trượt (SMC) điều khiển trượt thích nghi (ASMC) Sử dụng thuyết ổn định Lyapunov để chứng minh tính ổn định hệ thống - Áp dụng điều khiển đề xuất mơ mơ hình thực nghiệm Đồng thời so sánh tính hiệu so với điều khiển tuyến tính - Sử dụng hệ thống thu thập liệu để quan sát, đánh giá chất lượng hiệu suất hoạt động điều khiển - Viết báo cáo tổng kết, báo khoa học Bài báo khoa học cho tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật VIII