THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT DELTA Chương 1: Cơ sở lý thuyết về robot Delta Chương 2 : Giới thiệu phần cứng của robot Delta Chương 3 : Đề xuất thuật toán điều khiển phi tuyến cho robot delta Chương 4 : Thử nghiệm hệ thống
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT DELTA Giảng viên hướng dẫn : TS Quách Đức Cường Sinh viên thực hiện : Đào Tiến Huy - 2019600090 HÀ NỘI - 2023 1 Mục Lục 1.1 Giới thiệu về robot Delta .6 1.2 Ứng dụng của Robot song song 10 2.1 Sơ đồ khối tổng quan của robot delta .12 2.2 Khối Nguồn cấp 13 2.3 Khối chuyển động .18 2.4 Khối xử lý, đo lường 18 2.4, Sơ đồ mạch điện các khối 22 3.1 Các phương pháp điều khiển robot Delta hiện nay 23 3.2 Xây dựng mô hình cho robot Delta 26 3.3 Thiết kế giải thuật điều khiển cho tay gắp Delta 29 4.1 Dùng matlab Simulink thiết lập mô phỏng .33 4.2 Tiến hành mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink .40 4.3 Tiến hành chạy thử và nhìn trên khối View Joint Space 44 4.3 Lưu đồ thuật toán cho robot Delta 45 4.3 Lập trình giải thuật điều khiển trên ngôn ngữ C cho Robot Delta với nền tảng phần cứng Arduino 46 2 Danh mục hình ảnh Hình 1Cánh tay robot trong công nghiệp 6 Hình 2 Robot Delta 3PUS 8 Hình 3 Robot Delta 3 bậc tự do 3RUS 8 Hình 4 Máy in 3D sử dụng cấu trúc robot song song .10 Hình 5 Cấu tạo robot song song 3RUS 11 Hình 6 Sơ đồ mạch điện tổng quan của robot Delta 3 RUS 12 Hình 7 Mạch chỉnh lưu AC - DC 13 Hình 8 Cuộn dây biến áp xung 220V - 12V 14 Hình 9 Nguyên lý hoạt động của cầu Diode 14 Hình 10 Diode 1N4001 15 Hình 11 Ký hiệu của Diode 1N4001 trên mạch điện 15 Hình 12 Mạch buck không điều khiển sử dụng 7805 .16 Hình 13 Servo RC Emax ES-08MDII 17 Hình 14 Vi điều khiển ATMega328P .18 Hình 15 Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P .19 Hình 16 Sơ đồ mạch điện cho robot Delta 21 Hình 17 Chất lượng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển PID .22 Hình 18 Sơ đồ của bộ điều khiển PID 23 Hình 19 Mô hình robot song song delta 25 Hình 20 sơ đồ điều khiển của robot Delta 30 Hình 21 Mô phỏng điều khiển robot delta qua phần mềm matlab Simulink 32 Hình 22 Khối khởi tạo 32 Hình 23 Bên trong khối quỹ đạo đặt .33 Hình 24 Khối Inverted Kinematic 33 Hình 25 Bên trong khối động học ngược 34 Hình 26 Khối điều khiển 34 Hình 27 Bên trong khối Dynamic Matrix control signal 35 Hình 28 Bên trong khối control signal của control signal 35 Hình 29 Khối Delta 36 Hình 30 Bên trong khối Delta Robot 36 Hình 31 Khối Delta, Dynamic 37 Hình 32Khối Delta, Kinematic .37 Hình 33 Khối Nhìn 37 Hình 34 Khối View State Space .38 Hình 35 Đáp ứng quỹ đạo chuyển động của robot Delta trong không gian khớp với quỹ đạo là hình tròn 39 Hình 36 Đáp ứng chuyển động khâu tác động cuối cảu robot Delta với quỹ dạo là hình tròn.40 Hình 37 Đáp ứng chuyển động quỹ đạo mong muốn là hình tròn 40 Hình 38 Sai lệch vị trí góc khớp của robot Delta trong không gian 2D và 3D với quỹ đạo là hinh tròn 41 Hình 39 Đáp ứng quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp của robot Delta với quỹ đạo hình số 8 41 3 Hình 40 Đáp ứng quỹ đạo chuyển động khâu tác động cuối của robot Delta với trường hợp quỹ đạo số 8 42 Hình 41 Đáp ứng quỹ đạo chuyển động mong muốn là hình số 8 42 Hình 42 Sai lệch góc khớp và vị trí cảu robot Delta khí quỹ đạo là hình số 8 .43 Hình 43 Tốc độ của robot khi áp dụng bộ điều khiển PID .43 Hình 44 Lưu đồ thuật toán cho robot song song Delta 44 Hình 45 Khai báo chân và setup PID 45 Hình 46 Tính toán PID 46 Hình 47 Tính toán góc của servo 46 Hình 48 Hàm setup 46 Hình 49 Hàm vòng lặp 47 4 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là tự động hóa trong sản xuất và công nghiệp.Vì lý do đó mà các hệ thống sản xuất tự động đã ra đời nhằm phục vụ xã hội theo cách nhanh chóng hơn, tiện lợi hơn so với sức lao động chân tay của con người Với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội, đòi hỏi sản xuất phải nhanh, độ chính xác cao Do đó, robot ra đời để thay thế sức lao động của con người trong các khu công nghiệp… Trong công nghiệp, robot có thể đẩy nhanh tốc độ sản xuất, thay thế sức người trong lao động Trong các hệ thống tự động, không thể thiếu các loại robot Mỗi con robot đều có chức năng khác nhau và hình dáng khác nhau Có loại dùng để gặp đồ vật, có loại dùng để lắp ráp, hàn… Robot có rất nhiều hình dáng khác nhau từ giống người thật đến các cánh tay trong công nghiệp Robot delta là một trong những con robot sử dụng nhiều trong các hệ thống sản xuất thông minh Chúng có khả năng gắp các đồ vật hoặc lắp ráp các mảnh ghép một cách chính xác Chúng được điều khiển dựa trên máy tính với độ chính xác cao Điểm mạnh của robot delta là sự vô song và tốc độ của chúng Rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp của chúng như: công nghiệp thực phẩm, đồ uống… Chính vì các lý do trên nên em đã chọn đề tài “Thiết kế thuật toán điều khiển phi tuyến cho robot delta” với mục đích thiết kế thuật toán điều khiển cho robot delta ứng dụng trong việc robot gắp đồ vật Nội dung đề tài có 4 chương Chương 1: Cơ sở lý thuyết về robot Delta Chương 2 : Giới thiệu phần cứng của robot Delta Chương 3 : Đề xuất thuật toán điều khiển phi tuyến cho robot delta Chương 4 : Thử nghiệm hệ thống Em xin cảm ơn thầy giáo TS Quách Đức Cường đã hướng dẫn em trong đề tài này và mong muốn sự đóng góp của các thầy cô giáo để đề tài của em được hoàn thiện hơn 5 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ROBOT DELTA 1.1 Giới thiệu về robot Delta 1.1.1Khái quát về robot trong công nghiệp Robot công nghiệp là các tay máy tự động hoặc bán tự động có thể lập trình được Người ta lập trình robot bằng PLC hoặc vi điều khiển có độ nhạy cao Robot có thể được đặt cố định ở một mặt phẳng hoặc di chuyển được và lặp đi lặp lại các hành động Robot trong công nghiệp là robot sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt chúng được lập trình để điều khiển được, chúng có thể điều khiển 2 hoặc nhiều chiều khác nhau Robot công nghiệp có thể nâng các vật nặng hoặc di chuyển các đồ vật hoàn toàn tự động Ứng dụng của chúng là hàn, sơn, lắp ráp, chọn và đặt các linh kiện điện tử lên bảng mạch in, làm bao bì và dán nhãn, pallet, kiểm tra sản phẩm và thử nghiệm Tất cả các thao tác được thực hiện với độ bền cao, tốc độ và độ chính xác cao Hình 1Cánh tay robot trong công nghiệp Robot trong công nghiệp được điều khiển bằng 2 phương pháp Một là dùng máy tính lập trình điều khiển tự động không cần sự can thiệp của con người Hai là dùng các bộ điều khiển từ xa có joystick để điều khiển các chuyển động của chúng 1.1.2 Giới thiệu về robot Delta 3 bậc tự do 6 Robot song song là loại robot có cấu trúc là loại robot có động học khép kín, trong đó các bộ phận được nối với nhau bằng các khớp động HÌnh 1 Khớp ổ bi mắt trâu sử dụng trong robot Delta Ưu điểm của chúng là độ cứng cao do cấu trúc hình bình hành và khả năng chuyển động từ đơn giản đến phức tạp Robot Delta là loại robot song song sử dụng trong công nghiệp, có thể cung cấp chính xác vị trí làm việc đầu và cuối với tốc độ làm việc nhanh và chính xác Chính vì vậy nên chúng được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Loại robot này là robot xong song 3 bậc hoạt động dựa trên cơ chế hình bình hành và cùng với đó là một hệ thống cánh tay với cấu trúc nhỏ gọn, giúp nó không bị tốn quá nhiều diện tích trong nhà máy Là loại robot có cấu tạo chính gồm 3 cánh tay có khớp lăng trụ chính được nối với khớp ở bệ quay cố định Mỗi khớp lặng trụ sẽ có động cơ điều khiển cho các cánh tay này Cấu tạo của robot Delta sẽ gồm các phần như sau Một bệ cố định ở phía trên chứa động cơ điều khiển 3 cánh tay được gắn vào bệ Đầu những cánh tay này được gắn với một chi tiết hình tam giác nhỏ Khi cánh tay chuyển động, chi tiết này sẽ di chuyển theo Robot delta thường có trọng tải khá thấp, khoảng dưới 8kg Tuy nhiên nó rất linh hoạt cùng với tốc độ nhanh cho ra được những sản phẩm nhanh chóng mà độ chính xac cao Robot Delta có 2 loại là 3PUS và 3RUS, chúng có chức năng giống nhau nhưng kiểu dáng khác nhau Robot Delta 3PUS là một biến thể của 3RUS, chỉ thay thế 7 khớp dẫn động quay bằng khớp động dẫn tịnh tiến gồm hai bản cố định tam giác song song và khớp tịnh tiến nằm ở mỗi bên giúp nâng lên hạ xuống Hình 2 Robot Delta 3PUS Đối tượng mà em nghiên cứu chính là robot delta 3 bậc 3 RUS với 3 cánh tay chuyển động song song quanh một bệ cố định Hình 3 Robot Delta 3 bậc tự do 3RUS 8 Robot Delta 3RUS với 3 cánh tay chuyển động song song là được điều khiển bởi các động cơ bước (step motor) và các cánh tay này có nhiệm vụ điều khiển mâm giữa theo các hướng khác nhau mà không làm dịch chuyển bệ cố định Mâm giữa này có chức năng gắp đồ vật hoặc thả đồ vật hoặc có thể kéo đồ vật đi vị trí khác rất nhanh và chính xác 1.2 Ứng dụng của Robot song song Robot Delta có ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống như Trong công nghiệp: Robot Delta có ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Ví dụ như kéo thả đồ vật, lắp ráp linh kiện… Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để sắp xếp các sản phẩm trên một băng chuyền mà các loại robot khác không thể làm được Lý do chính khiến chúng được sắp xếp các sản phẩm khác thay cho các loại tay robot vì các sản phẩm khác nhau trên băng chuyền , cần tốc độ, các sản phẩm dễ vỡ… Trong mô phỏng: Người ta sử dụng robot Delta để mô phỏng yên ngựa hay là mô phỏng xe đạp cho vận động viên… Robot delta còn được sử dụng để mô phỏng buồng lái máy bay, đào tạo các phi công dân sự hoặc quân sự… Trong y học: Trong y học, người ta sử dụng robot có cấu trúc song song để làm giá nâng kính hiển vi, giúp các bác sĩ thực hiện ca phẫu thuật một cách dễ dàng Ngoài ra, chúng còn được sử dụng như một công cụ hỗ trợ giải phẫu Hoạt động kết hợp cảm biến hình ảnh Để nhận biết đúng loại sản phẩm thông qua ngoại hình, ngoài phần robot song song, ta phải sử dụng để cảm biến hình ảnh – đôi mắt của những chú robot song song Cảm biến hình ảnh này sẽ xử lý ảnh về ngoại hình, màu sắc… để robot song song có thể gắp đúng vật Máy in 3D và máy cắt CNC sử dụng hệ thống robot song song Là loại máy in sử dụng hệ thống song song của robot Delta kết hợp giữa robot 3PUS và 3RUS Công nghệ in 3D được cho là nhanh chóng, tiện lợi, tạo ra các sản phẩm đẹp bằng công nghệ in nhựa 9 Chúng được chế tạo để phục vụ sản xuất nhanh chóng các sản phẩn in 3D CHƯƠNG II GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG CỦA ROBOT DELTA 2.1 Sơ đồ khối tổng quan của robot delta 2.1.1 Sơ đồ khối cơ khí của robot Delta 3RUS Hình 4 Cấu tạo robot song song 3RUS Cấu tạo của robot này bao gồm: Khung cố định tam giác ở trên cùng Bộ chuyển động Ba chân chủ động điều khiển bằng động cơ Ba chân bị động, được nối với các chân chủ động bằng các ổ bi, khớp mắt trâu Ba chân bị động theo cấu trúc hình bình hành Nhờ cấu trúc hình bình hành mà robot có thể di chuyển bệ chuyển động tịnh tiến trong không gian 10