Một mođun điều khiển có thể ưcòn có các cổng vào - ra I/O port để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ DUY THUẬN NGHIÊN CỨU LUẬN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN CƠ SỞ MƠ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG ROBOT SCADA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205046481000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ DUY THUẬN NGHIÊN CỨU LUẬN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN CƠ SỞ MƠ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG ROBOT SCADA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH Hà Nội - 2008 MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu tạo Robot 1.1.2 Các chuyển động Robot 1.1.3 Các cấu hình Robot 1.1.4 Hệ thống truyền động 1.1.5 Hệ thống cảm biến 1.2 Phân loại Robot công nghiệp 10 1.2.1 Phân loại theo dạng hình học khơng gian làm việc 10 1.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển 11 1.2.3 Phân loại theo số bậc tự 11 1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động 12 1.3 Ứng dụng Robot 12 1.3.1 Ưu điểm Robot 12 1.3.2 Các xu ứng dụng Robot 13 1.4 Tổng quan phương pháp điều khiển tự động cho Robot 13 Chương PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA 15 2.1 ROBOT SCARA 15 2.2 Bài tốn động học vị trí Robot 16 2.3 Xây dựng động học vị trí Robot SCARA 17 2.4 Phương trình động học ngược robot SCARA 20 2.5 Động lực học robot SCARA 23 2.5.1 Hàm Lagrange vấn đề động lực học 24 2.5.2 Phương trình động lực học Robot 25 Chương LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN ROBOT 34 3.1 Khái niệm chung hệ thống điều khiển tự động 34 3.1.1 Điều khiển khớp độc lập 35 3.1.2 Hàm truyền chuyển động khớp động 35 3.1.3 Lý thuyết điều khiển ổn định Lyapunov 37 3.2 Phương pháp điều khiển cổ điển 41 3.3 Phương pháp điều khiển đại 42 3.3.1 Điều khiển logic mờ 42 3.3.2 Điều khiển trượt 43 3.3.3 Điều khiển thích nghi 44 3.4 Ứng dụng vào robot SCARA 48 3.4.1 Điều khiển theo luật PD bù trọng lực 48 3.4.2 Luật điều khiển Lee-Slotine 49 3.4.3 Luật điều khiển thích nghi dựa sở mơ hình 52 Chương MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 54 4.1 Thông số hệ thống 54 4.2 Kết mô Matlab-Simulink 55 4.2.1 Luật điều khiển PD bù trọng trường 55 4.2.2 Luật điều khiển Lee-Slotine 58 4.2.3 Luật điều khiển thích nghi dựa sở mơ hình 60 Kết luận 62 Các tài liệu tham khảo TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi sở mơ hình ứng dụng vào Robot SCARA, kiểm nghiệm tính đắn áp dụng vào robot, đưa cơng thức tính động học thuận nghịch, động lực học, tổng hợp hệ truyền động Thiết kế điều khiển áp dụng tiêu chuẩn Lyapunov Đánh giá chất lượng tĩnh động mơ hình hóa, so sánh phương pháp điều khiển để rút kết luận cho phương pháp -1- Chương TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT 1.1 Giới thiệu chung Nhu cầu nâng cao 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 hình thành Thuật ngữ “Robot” xuất năm 1922 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Hơn 20 năm sau, 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 cơng 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 mơi 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 -2- Robot công nghiệp định nghĩa cấu máy lập trình được, có khả làm việc cách tự động khơng cần trợ giúp người tay máy hợp tác với Ứng dụng Robot: nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Thông thường, robot công nghiệp dùng lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn nhiệt luyện, gia ông lắp rắp… 1.1.1 Cấu tạo Robot Robot có cấu tạo mơ theo đặc điểm cấu tạo cánh tay người Cũng hiểu robot tập hợp phận cấu khí thiết kế để hình thành khối có chuyển động tương đối nhau, gọi khâu động Trong phần liên kết khâu động gọi khớp động hay gọi phần tử thực thực chuyển động để vận hành tay máy động điện , xylanh dầu ép, xylanh khí nén, … Phần quan trọng khác tay máy phận hay khâu tác động cuối để thao tác đối tượng làm việc – thường tay gắp đầu công cụ chuyên dùng Tay máy hay gọi cánh tay khí robot cơng nghiệp thơng thường chuỗi động hở tạo thành từ nhiều khâu kết nối với nhờ khớp động Khâu cuối tay máy thường có dạng tay gắp gấn dụng cụ công tác Mỗi khâu động tay máy có nguồn dẫn đơng riêng, lượng chuyển động truyền đến cho chúng điều khiển sở tín hiệu nhận từ phận phản hồi cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động khâu chấp hành, vấn đề đặc biệt quan tâm vị trí vận tốc dịch chuyển khâu cuối – khâu thể kết tổng hợp chuyển đông khâu thành phần -3- Các Robot công nghiệp ngày thường đặt đế gắn chặt với sàn Cơ thể gắn với đế, tổ hợp cánh tay nối với thể Cuối cánh tay cổ tay Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng vị trí Quan hệ chuyển động phần tử khác thể như: cổ tay, cánh tay thực qua chuỗi khớp nối Các chuyển động bao gồm chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Về mặt khí, Robot cấu tạo từ nối khớp Các nối ghép với khớp, cho phép Robot có chuyển động đa dạng Hình 1.1 Các thành phần Robot Cánh tay robot kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn động lực động điện (một chiều động bước), hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động -4- Dụng cụ thao tác gắn khâu cuối robot, dụng cụ robot có nhiều kiểu khác như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng công cụ làm việc mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn Thiết bị dạy-học (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot thao tác cần thiết theo yêu cầu trình làm việc, sau robot tự lặp lại động tác dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học) Các phần mềm để lập trình chương trình điều khiển robot cài đặt máy tính, dùng điều khiển robot thơng qua điều khiển (Controller) Bộ điều khiển gọi Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), thường kết nối với máy tính Một mođun điều khiển cịn có cổng vào - (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái thân, xác định vị trí đối tượng làm việc dị tìm khác; điều khiển băng tải cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot 1.1.2 Các chuyển động Robot Robot thiết kế để thực nhiệm vụ khác sản xuất Các công việc thực khả chuyển động thể, cánh tay, cổ tay Robot qua chuỗi chuyển động vị trí Cổ tay sử dụng cho Robot thực xác cơng việc Các chuyển động Robot chia làm hai chuyển động chuyển động cổ tay chuyển động toàn thể Các chuyển động riêng lẻ ghép nối gắn chặt với hai dạng chuyển động chúng giới hạn số bậc tự (deggrees of freedom) Các Robot thơng thường có đến bậc tự Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức [1]: