Trang 11 Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người.. Trong đó phần liên kết giữ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ- LỰC TƯƠNG TÁC CHO ROBOT PLANAR BA BẬC TỰ DO THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205047121000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ANH QUÂN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ- LỰC TƯƠNG TÁC CHO ROBOT PLANAR BA BẬC TỰ DO THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH Hà Nội - 2008 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực tập nghiên cứu, tơi hồn thành đề tài luận văn tốt nghiệp “ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ-LỰC TƯƠNG TÁC CHO ROBOT PLANAR BA BẬC TỰ DO THEO PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI” Cho tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Tiến Sỹ Nguyễn Phạm Thục Anh-Giảng viên mơn Tự Động Hóa XNCN-Khoa Điện-Trường Đại Học Bách Khoa-Hà Nội giúp đỡ tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Xin bày tỏ lịng biết ơn tới thầy Bộ mơn Tự Động Hóa thuộc Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn đào tạo suốt giai đoạn học tập nghiên cứu sau Đại Học Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình bạn bè, người ln ủng hộ, khích lệ để tơi n tâm nghiên cứu, làm việc trưởng thành ngày hôm Một lần xin cảm ơn! Hà Nội, 30/07/2008 Phạm Anh Quân Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN MỤC LỤC Lời cảm ơn……………………………………………………………… Lời nói đầu………………………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………… Danh mục hình vẽ………………………………………………………… Chương I: Tổng quan Robot công nghiệp…………………………… 1.1 Giới thiệu chung.………………………………………………………… 1.1.1 Cấu tạo Robot…………………………………….…………… 1.1.2 Các chuyển động Robot………………………… …………… 1.1.3 Hệ thống truyền động……………………………………………… 1.1.4 Hệ thống cảm biến…………………………………….…………… 1.2 Phân loại Robot công nghiệp……………………………… …………… 1.2.1 Phân loại theo dạng hình học khơng gian làm việc………………… 1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển……………….…………… 1.2.3 Phân loại theo số bậc tự do………………………………………… 1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động………………… ………… 1.3 Các ứng dụng Robot………………………………………………… 1.3.1 Ưu điểm Robot………………………………………………… 1.3.2 Các xu hướng ứng dụng Robot………………… …………… 1.4 Tổng quan phương pháp điều khiển Robot………….…………… Chương II: Phương trình động lực học Robot………………….……… 2.1 Bài tốn động học vị trí…………………………………… …………… 2.2 Động học vị trí Robot Planar ba bậc tự do………………….…………… 2.3 Phương trình động học ngược.…………………………………………… 2.4 Động lực học Robot……………………………………………………… 2.4.1 Phương trình Lagrange……………………………… …………… 2.4.2 Phương trình động lực học Robot Planar ba bậc tự do.…………… Chương III: Lý thuyết điều khiển Robot………………………………… 3.1 Khái niệm chung hệ thống điều khiển tự động………… …………… 3.1.1 Điều khiển khớp độc lập………………………….…………… 6 13 13 14 14 15 15 16 16 16 17 17 19 19 20 23 26 26 27 33 33 33 Hàm truyền chuyển động khớp động 3.1.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov……………………………………… 3.2 Phương pháp điều khiển cổ điển………………………………………… 3.3 Phương pháp điều khiển thông minh……………………… …………… 34 35 38 40 Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN 3.3.1 Điều khiển logic mờ………………………………… …………… 3.3.2 Điều khiển trượt…………………………………………………… 3.3.3 Điều khiển thích nghi……………………………………………… 3.3.4 Mạng Nơron………………………………………… …………… 3.4 Áp dụng vào Robot planar ba bậc tự do…………………….…………… 3.4.1 Điều khiển theo luật PD-bù trọng trường…………….…………… 3.4.2 Luật điều khiển Lee-Slotine………………………….…………… 3.4.3 Luật điều khiển thích nghi dựa sơ mơ hình… …………… 3.4.4 Điều khiển vị trí Robot theo luật PD-bù trọng trường tác dụng lực f…………………………………………………………… 3.4.5 Điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực…………….…………… Chương IV: Mô Matlab-Simulink…………………………… 4.1 Thông số Robot Planar ba bậc tự do………………………………… 4.2 Kết mô Matlab-Simulink………………… …………… 4.2.1 Luật điều khiển PD bù trọng trường ……………………………… 4.2.2 Luật điều khiển thích nghi dựa sở mơ hình ……………… 4.2.3 Luật điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực……….…………… Kết Luận Tài liệu tham khảo………………………………………………………… Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN 40 41 42 46 46 46 47 49 53 54 59 56 60 60 62 64 68 69 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các thành phần Robot…………………….……………… Hình 1.2 Robot tọa độ vng góc…………………………… ……………… Hình 1.3 Robot tọa độ trụ…………………………………… ……………… Hình 1.4 Robot tọa độ cầu…………………………………………………… Hình 2.1Robot Planar ba bậc tự do…………………………………………… Hình 3.1 Mơ hình động kiểu kích từ độc lập……………………………… Hình 3.2 Mơ men trục động cơ……………………………………… Hình 3.3 Sơ đồ khối hàm truyền chuyển động bậc tự do…………………… Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống mờ…………………………………… Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt…………………………………… Hình 3.6 Cấu trúc chung điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR)……… Hình 3.7 Bộ điều khiển thích nghi dựa mơ hình mẫu…….……………… Hình 3.8 Bộ điều khiển thích nghi dựa sở mơ hình…….…………… Hình 3.9 Sơ đồ quỹ đạo chuyển động khâu tác động cuối Robot…………… Hình 3.10 Sơ đồ vận tốc điểm A…………………………………………… Hình 3.11 Điều khiển thích nghi tương tác vị trí-lực………………………… Hình 4.1 Quỹ đạo q1-luật PD bù trọng trường……………………………… Hình 4.2 Quỹ đạo q2-luật PD bù trọng trường……………………………… Hình 4.3 Quỹ đạo q3-luật PD bù trọng trường……………………………… Hình 4.4 Quỹ đạo q1-luật PD bù trọng trường gắp vật m4 ……………… Hình 4.5 Quỹ đạo q2-luật PD bù trọng trường gắp vật m4 ……………… Hình 4.6 Quỹ đạo q3-luật PD bù trọng trường gắp vật m4 ……………… Hình 4.7 Quỹ đạo q1-luật thích nghi sở mơ hình…………………… Hình 4.8 Quỹ đạo q2-luật thích nghi sở mơ hình…………………… Hình 4.9 Quỹ đạo q3-luật thích nghi sở mơ hình…………………… Hình 4.10 Quỹ đạo q1-luật thích nghi sở mơ hình (m4=20kg)……… Hình 4.11 Quỹ đạo q2-luật thích nghi sở mơ hình (m4=20kg)……… Hình 4.12 Quỹ đạo q3-luật thích nghi sở mơ hình (m4=20kg)……… Hình 4.13 Quỹ đạo điều khiển không gian khớp…………………………… 11 12 13 21 Hình 4.15 Sai lệch vị trí khơng gian khớp…………………………………… 66 Hình 4.16 Lực tác dụng lên mặt phẳng φ ( x) = …………………………… 66 Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN 34 34 35 41 42 44 45 51 54 55 57 61 61 61 62 62 62 63 63 64 64 64 65 65 Thesis Summary At the beginning of last century,the idea of Robot had been floated, which showed the dream of mankind in the creation of machine that can replaced human in tedious and dangerous works In around 1940, the first robot model (master – slave manipulator) was invented at the National Laboratory at Oak Riddge and Argonne in the United States to transport radio active substances At the 1980s, there had been around 40,000 machine robots in 500 models;those were produced by 200 companies in all around the world Today, robots were widely used in productions, science research and daily life, especially in flexcible line productions Robot has become smarter and considered as the products of new field: the Mechatronics The purpose of this thesis is to study the control of Robot, application in control the Robot Planar with three free dimmentions From that, simulate the movement of robot on space by Matlab – Simulink To accomplish the goal of this thesis, the candidate had studied: - Overall of Industrial Robot - Mathematical model of Robot Planer - Theory of Robot control - From the Mathematical model to build the stimulated model based on adaption controlling, check for stability and time response of the system This thesis has a bog contribution in approaching the intelligent and flexible controlling system based on stimulation of Matlab – Simulink This is the condition for real-life experiments Tóm tắt luận văn Vào đầu kỷ trước, ý tưởng Robot xuất hiện, thể ước mơ cháy bỏng người tạo người máy để thay công việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm Vào khoảng năm 1940, mẫu Robot (Master-Slave manipulator) đời phịng thí nghiệm quốc gia Oak Rigge va Argonne Hoa Kỳ, để vận chuyển hoạt chất phóng xạ Đến thập kỷ 80 giới có 40 nghìn Robot thuộc 500 kiểu, 200 hãng tham gia sản xuất Ngày nay, Robot sử dụng rộng rãi sản xuất, nghiên cứu khoa học đời sống Đó thiết bị khơng thể thiếu hệ thống sản xuất, đặc biệt hệ thống sản xuất linh hoạt Robot ngày khóe léo thơng minh, coi sản phẩm điển hình nghành kỹ thuật mới: nghành cơ-điện tử (Mechatronics) Bản luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu điều khiển Robot, ứng dụng vào điều khiển Robot Planar ba bậc tự tương tác vị trí-lực phương pháp thích nghi Từ đó, mơ quỹ đạo chuyển động Robot không gian khớp Matlab-Simulink Để thực nhiệm vụ nghiên cứu đề học viên nghiên cứu: - Tổng quan Robot công nghiệp - Mơ hình tốn học Robot Planar - Lý thuyết điều khiển Robot - Từ mơ hình tốn học xây dựng mơ hình mơ theo luật điều khiển thích nghi, kiểm tra tính ổn định thời gian đáp ứng hệ thống Bản luận văn góp phần quan trọng việc tiếp cận với hệ thống điều khiển thông minh linh hoạt, xây dựng dựa mô Matlab-Simulink Đây điều kiện chuẩn bị cho bước tiến hành thử nghiệm thực tế LỜI NÓI ĐẦU Vào đầu kỷ trước, ý tưởng Robot xuất hiện, thể ước mơ cháy bỏng người tạo người máy để thay cơng việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm Vào khoảng năm 1940, mẫu Robot (Master-Slave manipulator) đời phịng thí nghiệm quốc gia Oak Rigge va Argonne Hoa Kỳ, để vận chuyển hoạt chất phóng xạ Đến thập kỷ 80 giới có 40 nghìn Robot thuộc 500 kiểu, 200 hãng tham gia sản xuất Ngày nay, Robot sử dụng rộng rãi sản xuất, nghiên cứu khoa học đời sống Đó thiết bị khơng thể thiếu hệ thống sản xuất, đặc biệt hệ thống sản xuất linh hoạt Robot ngày khóe léo thơng minh, coi sản phẩm điển hình nghành kỹ thuật mới: nghành cơ-điện tử (Mechatronics) Bản luận văn có nhiệm vụ nghiên cứu điều khiển Robot, ứng dụng vào điều khiển Robot Planar ba bậc tự tương tác vị trí-lực phương pháp thích nghi Từ đó, mơ quỹ đạo chuyển động Robot không gian khớp Matlab-Simulink Để thực nhiệm vụ nghiên cứu đề học viên nghiên cứu: - Tổng quan Robot công nghiệp - Mô hình tốn học Robot Planar - Lý thuyết điều khiển Robot - Từ mơ hình tốn học xây dựng mơ hình mơ theo luật điều khiển thích nghi, kiểm tra tính ổn định thời gian đáp ứng hệ thống Bản luận văn góp phần quan trọng việc tiếp cận với hệ thống điều khiển thông minh linh hoạt, xây dựng dựa mô MatlabSimulink Đây điều kiện chuẩn bị cho bước tiến hành thử nghiệm thực tế Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN Chương I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu chung Từ kỷ 18, J.de.Vaucanson xây dựng thành công máy bằn kết cấu khí chơi nhạc, phục vụ mục đích giải trí Đây coi sản phẩm Robot Tiếp đó, Henri Maillardet chế tạo búp bê máy có khả vẽ tranh, trình diễn Philadelphia năm 1805… Thuật ngữ “Robot” xuất năm 1922 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng bắt đầu thành thực Sau chiến 2, Hoa Kỳ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ tay máy Minotaur I Handyman General Electric… Robot công nghiệp đưa vào ứng dụng vào năm 1961 nhà máy ô tô General Motor Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kỳ đến năm 1990 có 40 công ty Nhật Bản đưa loại robot tiếng Những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm loại cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại robot lắp ráp tự động điều khiển máy vi tính sở xử lý thơng tin từ cảm biến thị giác Từ năm 80 90, áp dụng rộng rãi tiến khoa học kỹ thuật, vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp tăng lên, giá thành giảm tính vượt trội Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền tự động sản xuất đại Học viên: Phạm Anh Quân-Tự động hoá XNCN