Tieu luan mon Dieu khien chuyen dong_xay dung cau truc dieu khien cho Robot docx

Tiểu luận môn học: Điều khiển chuyển động Đề Tiểu luận Điều khiển chuyển động Cho một robot hai khâu có cấu trúc động học như hình vẽ, thông số như bảng kê và phương trình trạng thái mô tả hệ như sau: Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính Chiều dài khâu 1 l 1 0,26 m Chiều dài khâu 2 l 2 0,26 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 l c1 0,0983 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 l c2 0,0229 m Khối lượng khâu 1 m 1 6,5225 kg Khối lượng khâu 2 m 2 2,0458 kg Mô men quán tính của khâu thứ nhất J 1 0,1213 kg.m 2 Mô men quán tính của khâu thứ hai J 2 0,1213 kg.m 2 Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s 2 2 1 11 12 1 1 1 1 2 2 21 22 2 2 2 1 2 2 2 2 2 11 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 12 21 2 2 1 2 2 2 2 2 22 2 2 ( ) . 2 . ( ) D = l ( l 2 l ) ( ) 2 D = D = (l l ) D = l t t t t t M t D D G H H D D G M t H J m c m l c l c C J J m l l m l l C m c l c C J J m l m c θ θ θ θ θ θ       +     = × + +                     + + + + + + + + + + + + + + && & && && & 2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12 2 2 2 12 2 12 1 1 1 1 1 2 2 2 12 1 2 12 1 2 ;H = ( lg ) = l ( l ) ( ) = l ) ); ; ; ; ( ); ( ) t t t t t J J m l m l m l l S G m g c C m g l C c C m g l C l C G m g c C m gl C C cos S sin C cos S sin C cos S sin θ θ θ θ θ θ θ θ + + − + + + + + + = = = = = + = + Yêu cầu: Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot nói trên (giả thiết không tải) M ỤC L ỤC Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Dương. Lớp K12-TĐH 1 Tiểu luận môn học: Điều khiển chuyển động Trang Lời nói đầu 3 Phần 1. Tổng quan về điều khiển robot 4 1.1. Điều khiển chuyển động 4 1.2. Điều khiển Robot 4 Phần 2. Xây d-ng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot hai khâu 9 2.1. Động lực học Robot 10 2.2. Mô phỏng trên Matlab/simulink 12 Phần 3. Kết luận 18 Tài liệu tham khảo. 19 Lời nói đầu Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Dương. Lớp K12-TĐH 2 Tiểu luận môn học: Điều khiển chuyển động Điều khiển chuyển động là môn mới xuất hiện gần đây tập hợp các tri thức thuộc lĩnh vực điều khiểu (VD: Lý thuyết điều khỉên tuyến tính, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Tay máy và tự động san xuất linh hoạt,…) phối hợp nhiều động cơ tạo thành các chuyển động đã định để các đại lượng như vận tốc, gia tốc, mô men, quĩ đạo thành các đại lượng có hướng. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các máy móc thiết bị công nghiệp càng ngày càng phải đáp ứng những yêu cầu phức tạp hơn, đạt năng suất cao hơn và làm việc một cách chính xác hơn. Trong thế kỷ 20 và bước sang thế kỷ 21, sự phát triển công nghệ chế tạo, điều khiển Robot là một trong những bước tiến mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Robot là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện được những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con người. Ngày này Robot đã trở thành một trong những công cụ không thể thiếu trong các nhà máy, xí nghiệp có mức độ tự động hoá cao. Robot đảm nhận các công việc khó khăn thay thế con người như làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, các môi trường phóng xạ hay nhiệt độ cao. Hơn nữa, Robot còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học như y tế, sinh học, thăm dò địa chất, thám hiểm ngoài không gian… và ngay cả trong đời sống như bán hàng, làm việc nhà… Trong quá trình học tập môn Điều khiển chuyển động, dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS. Nguyễn Như Hiển em được giao đề tài “Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot hai khâu” (với cấu trúc và các số liệu cho trước). Do trình độ nhận thức và thời gian học tập, nghiên cứu có hạn chế nên bài tiểu luận của em không tránh khỏi những thiếu sót cần được bổ xung và hoàn chỉnh. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, chỉ bảo của các thầy cô giáo để bài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự giảng dạy nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Như Hiển và sự quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, các bạn trong nhóm đã giúp đỡ em hoàn thiện bài tiểu luận này. Thái Nguyên, ngày 17 tháng 5 năm 2011 Học viên Nguyễn Thị Dương PHẦN 1 Học viên thực hiện: Nguyễn Thị Dương. Lớp K12-TĐH 3 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng TNG QUAN V IU KHIN CHUYN NG V IU KHIN ROBOT 1.1. iu khin chuyn ng iu khin chuyn ng (KC) l mụn hc mi xut hin gn õy, tp hp cỏc tri thc thuc lnh vc iu khin phi hp nhiu ng c, to thnh cỏc chuyn ng ó nh Nhim v ca iu khin chuyn ng: S dng thit b in - t (ụi khi: thy lc, khớ nộn) to mụmen, to lc cho cỏc C K mụmen, lc thụng qua K dũng, ỏp nh thit b in t cụng sut K tng nhỏnh truyn ng (T) riờng r K tng nhúm T di cỏc iu kin ng b, ng tc 1.2. iu khin Robot Rôbôt là một hệ thống phức tạp, tính phi tuyến rất cao. Ngay từ khi ra đời hệ điều khiển rôbôt đã ứng dụng những kỹ thuật mới nhất để tạo ra đợc khả năng thao tác chính xác nhất có thể. Lịch sử phát triển rôbốt đã ứng dụng rất nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau. đáp ứng đợc khả năng thay đổi tham số, tính phi tuyến cao chỉ có kỹ thuật điều khiển thích nghi . Trong đó kỹ thuật điều khiển thích nghi cũng đợc ứng dụng theo các thuật toán khác nhau: Kỹ thuật điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn; điều khiền thích nghi động lực học ngợc; điều khiển thích nghi theo sai lệch, Phơng pháp điều khiển động lực học ngợc là chọn luật điều khiển sao cho khử đợc các thành phần phi tuyến của phơng trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các thanh nối tiếp đó chọn các tham số bộ điều chỉnh PI theo điều kiện ổn định Lyapunov để khử sai số giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn và quỹ đạo chuyển động thực. Phơng pháp này có thể cho phép các đặc tính tĩnh và đặc tính động cao, tuy nhiên khối lợng tính toán lớn thời gian tính toán lâu do vậy nó bị hạn chế ứng dụng trong thực tế với những hệ yêu cầu độ tác động nhanh. Sơ đồ Hình 1.1 là sơ đồ điển hình của hệ thống điều khiển vị trí, trên sơ đồ thể hiện các vị trí và tốc độ của khớp thờng đợc đo bởi các sensor nh chiết áp, máy phát tốc, các thiết bị mã hoá. Các tín hiệu ra đợc đa đến khối điều khiển và khối điều khiển này tạo ra tín hiệu điều khiển, điều khiển các khớp các cơ cấu dẫn động làm cho tay máy chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 4 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng Sơ đồ tổ chức kỹ thuật của Robot. Tổ chức kỹ thuật của Rôbôt đợc chia thành 4 khối chức năng chính đợc ninh hoạ nh Hình 1.2. Khối A: Gồm hai thành phần : Teach pendant : Có nhiệm vụ thực hiện các quá trình dạy học cho Rôbốt Record buttum: Lu trữ và chuyển giao các dữ liệu cảm nhận vật lý trong quá trình học gọi là Bộ cảm nhận vật lý thông qua khối này tín hiệu đặc trng cho Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 5 Hình 1.1 .Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí Quỹ đạo đặt Bộ điều khiển Hệ thống đo (Các sensor) Robot Vị trí tay tại thời điểm t Tốc độ của khớp Tín hiệu điều khiển Teach Pendent Record buttum Forward Kinematic Inverts Kinematic Cartesianpo nt storage Trajectory Phaner Control Motor Dymanic Rôbốt Dynamic Physical Postion Computer Block A Block B Block D Block C Hình 3.3 .Sơ đồ tổ chức kỹ thuật củRôbốt Hỡnh 1.2 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng độ dài và toạ độ góc của vị trí đầu và vị trí cuối của quỹ đạo chuyển động đợc cảm nhận Ví dụ :Giá trị [( 0 ,h 0 );( f ,h f )] Khối B: Là khối xử lý của Rôbốt gồm các cụm vi xử lý để giải quyết các vấn đề sau : Nhóm Forword Kinematic :Thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở thông số vào ( s ,h s ). Tức là giải quyết Bài toán động học thuận Nhóm Cartesian Point Storage: Lu trữ và chuyển giao các kết quả của quá trình giải Bài toán động học thuận Nhóm Trajectory Planer:Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm đã hoặc cha Dạy để hình thành bộ quỹ đạo chuyển động cần có [X d (t);Y d (t)] của cơ cấu chấp hành cuối Nhóm Invers Kinematic: Giải bài toán động học ngợc tìm ra các thông số điều khiển [ đ (t),h đ (t)] Khối C : Là khối điều khiển bao gồm bộ so sánh cặp giá trị Đặt Thực qua các bộ biến đổi, khuyếch đại và tín hiệu đầu ra là tín hiệu điều khiển (Theo nguyên tắc NC) Khối D: Là cơ cấu chấp hành, bao gồm khối nguồn động lực (Mortor Dymanic) các cơ cấu chấp hành (Rôbốt Dymanic) và khối cảm nhận vật lý vị trí trên chúng (Physical position) Thông qua sự chia ra từng khối theo tổ chức kỹ thuật cho thấy có ba bộ thông số chủ yếu sau : Bộ thông số cảm nhận vị trí Bộ thông số hình học Bộ thông số điều khiển Nó đợc biến đổi và chuyển liên tục từ nhóm chức năng này sang nhóm chức năng khác (Đợc thể hiện bằng ký hiệu trên hệ thống ). Do đó nhiệm vụ chủ yếu của quá trình thiết kế động học Rôbốt là thiết lập giải bài toán động học thuận và bài toán động học ngợc. Kết quả tìm đợc sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đa ra tín hiệu điều khiển chính xác theo mong muốn. Phơng trình động lực học. Để giải quyết bài toán quan hệ giữa lực và vị trí thì cần giải quyết bài toán động lực học, nói chung bài toán động lực học là rất phức tạp. Mọi phơng trình động học đợc xuất phát từ hai phơng trình cơ sở sau: Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 6 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng Phơng trình động lực học Đối với biến khớp quay i i i LL . t M = Đố với biến khớp tịnh tiến i i i r L r L . t F = L :Là hàm Lagrange của hệ thống L=K-P K: Là tổng động năng của hệ P: Là tổng thế năng của hệ Xuất phát từ phơng trình Lagrange đối với từng loại khớp ta có một phơng trình trạng thái cho biến khớp riêng, về tổng quát ta gọi biến chung là q, thì khi đó ta có véc tơ mô men lực là ( ) ( ) ( ) qgqqhqqHF ++= Hệ thống thống điều khiển Robot. Bài toán điều khiển trong Robot. Bài bài toán điều khiển Rôbốt trong thực tế gặp hai loại bài toán chính là bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh. a) Bài toán điều khiển thô: Là bài toán điều khiển Rôbốt lắp giáp chi tiết trong giai đoạn Rôbốt chuyển động tự do trong không gian, thời kỳ Rôbốt không tiếp xúc động lực. b) Bài toán điều khiển tinh : Là bài toán điều khiển trong giai đoạn lắp ghép. Đây là bài toán điều khiển đồng thời vị trí và lực. Trong điều khiển qũy đạo tay Rôbốt thì có hai phơng pháp chính là điều khiển quỹ đạo khớp và điều khiển quỹ đạo tay hai phơng pháp này có những u nhợc điểm sau: a) Phơng pháp điều khiển quỹ đạo khớp có u điểm là điều khiển trực tiếp đợc hệ truyền động của khớp, nh điều khiển , udo vậy có thể đảm bảo đợc các giới hạn của hệ thống truyền động. Ngoài ra còn có liên quan đến giải bài toán động lực học ngợc đơn giản. Nhợc điểm chính của phơng pháp này là vì điều khiển gián tiếp vị trí của tay lên điều khiển có độ chính xác không cao. Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 7 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng b) Điều khiển quỹ đạo tay: Có u điểm nổi bật là cho phép điều khiển chính xác quỹ đạo tay nhng có nhợc điểm là khối lợng tính toán lớn, đôi khi khó đảm bảo một số điềm kiện nh về gia tốc mômen Mô hình toán học của Robot. 1. Mô hình toán học của Robot. Để giải bài toán điều khiển rôbốt cần phải xây dựng mô hình toán học của Rôbốt. Mô hình toán học dạng tổng quát của Robot có dạng sau: ( ) GHDM + + = 2 121 ,., Trong đó : :M Véc tơ mô men của lực khớp [ ] n21 M MMM = q :Véc tơ biến khớp [ ] n 21 = ( ) ,, HD :Các ma trận tham số ( ) G :Ma trận mô men trọng lực 2. Mô hình toán học của hệ thống truyền động. Hệ thống truyền động của Robot phổ biến hiện nay gồm hai dạng chính sau: Hệ truyền động thuỷ lực ,khí nén Hệ truyền động điện (Dùng động cơ xoay chiều hoặc động cơ một chiều làm nguồn động lực ) Sơ đồ cấu trúc của một khớp Rôbốt đợc mô tả dạng đơn giản nh hình 3.5 Trong đó : J Đ :Mô men quán tính của động cơ J T :Mô men quán tính của khớp Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 8 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc của một khớp Rôbốt Đ M T , T J T J Đ M Đ Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng i:Tỷ số truyền hộp tốc độ :Hiệu suất bộ truyền Bài toán điều khiển vị trí là một bài toán quan trọng điều khiển Rôbốt để giải quyết bài toán này thì cần giải hai bài toán cơ bản là bài toán thiết kế quỹ đạo và bài toán xác định luật điều khiển sẽ dùng trong đó. Trong điều khiển Rôbốt thờng sử dụng các luật điều khiển (bộ điều khiển có phản hồi P, PI, PID, và luật điều khiển theo mô men tính toán PHN 2 XY DNG CU TRC IU KHIN V TR CHO ROBOT HAI KHU Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 9 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng 2.1. Động lực học robot hai khâu Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng nh tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Việc nghiên cứu động lục học rôbôt thờng giảI quyết hai nhiệm vụ sau đây: 1. Xác định mô men và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động khi đó quy luật biến đổi của biến khớp coi nh đã biết. 2. Xác định các sai số động tức là sai lệch so với quy luật chuyển động theo chơng trình. Lúc này cần khảo sát phơng trình chuyển động của rôbôt có tính đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu. đối với các khâu khớp của rôbôt, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt chúng ta phảI kể đến các hiệu ứng trọng trờng, hiệu ứng quán tính, hiệu ứng tơng hỗ, hiệu ứng ly tâm Vị trí robot hai khâu là đối tợng có nhiều đầu vào đầu ra (Hệ MIMO) có tính phi tuyến mạnh vì vậy cần xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí. Thông thờng điều ta biết là các vị trí và hớng mà ta muốn robot phải dịch chuyển tới và điều ta cần biết là nối quan hệ giữa các hệ t trung gian trung gian để phối hợp tạo ra chuyển động của robot, hay nói cách khác đó chính là giá trị của các biến khớp ứng với mỗi toạ độ và h ớng của khâu chấp hành cuối hoặc công cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, muốn vậy ta phải giải hệ ph ơng trình động học của robot. Sơ đồ động học robot đợc minh họa nh hình 2.1, phơng trình động học vào ra hai khâu có dạng nh sau: 2 1 11 12 1 1 1 1 2 2 21 22 2 2 2 1 2 2 2 2 2 11 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 12 21 2 2 1 2 2 2 2 2 22 2 2 ( ) . 2 . ( ) D = l ( l 2 l ) ( ) 2 D = D = (l l ) D = l t t t t t M t D D G H H D D G M t H J m c m l c l c C J J m l l m l l C m c l c C J J m l m c + = ì + + + + + + + + + + + + + + + + && & && && & 2 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12 2 2 2 12 2 12 1 1 1 1 1 2 2 2 12 1 2 12 1 2 ;H = ( lg ) = l ( l ) ( ) = l ) ); ; ; ; ( ); ( ) t t t t t J J m l m l m l l S G m g c C m g l C c C m g l C l C G m g c C m gl C C cos S sin C cos S sin C cos S sin + + + + + + + + = = = = = + = + Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 10 [...]... ca iu khin chuyn ng, v gii thiu tng quan v iu khin robot Trong phn hai em ó xõy dng c bng thụng s D-H v cỏc ma trn T1,T2 cho cu trỳc iu khin v trớ ca Robot Trờn c s s dng phn mm MatlabSimilink em ó mụ phng cỏc phng trỡnh ng hc ca Robot Do trỡnh nhn thc ca em cũn nhng hn ch nht nh nờn bi vit khụng trỏnh khi nhng thiu sút cn c b xung v hon chnh Em rt mong nhn c s hng dn, úng gúp ý kin ch bo ca thy giỏo... hc: iu khin chuyn ng [1] Nguyn Nh Hin - Bi ging iu khin chuyn ng - i hc k thut cụng nghip Thỏi Nguyờn [2] Phm ng Phc Robot cụng nghiờp i hc Bỏch khoa TP H Chớ Minh [3] Nguyn Doón Phc Lý thuyt iu khin phi tuyn NXB Khoa hc k thut H Ni (2003) [4] Nguyn Phựng Quang Matlab v Simulink dnh cho k s iu khin t ng [5] Hong Minh Sn- [2] Bela G Liptak: Instrument Engineers Handbook: Process Control [6] Michael...Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng Hình 2.1 sơ đồ động học robot hai khâu Trong đó : là vị trí của khâu thứ nhất và khâu thứ hai; G1,G2 là mômen điều khiển khâu thứ nhất và khâu thứ hai; Jt,mt mô men quán tính và khối lợng của phụ tải nhng yêu cầu không tải nên... sin 1 + l2 sin(1 + 2 ) 1 0 0 1 Mô phỏng trên matlab/simulink Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng Lp K12-TH 12 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng Thực hiện mô phỏng với các giátrị ban đầu của các thông số robot hai khâu trên Matlab matlab/simulink: m1= 6,5225Kg, m2=2,0458Kg, l1= 0,26m, lc1= 0,0983m, l2= 0,26m, J1= 0,1213Kg.m2, J2= 0,1213Kg.m2, lc2= 0,0983m, g=9,81m/s Sơ đồ mô phỏng G1, G2, D11, D22, D12, . Tổng quan về điều khiển robot 4 1.1. Điều khiển chuyển động 4 1.2. Điều khiển Robot 4 Phần 2. Xây d-ng cấu trúc điều khiển vị trí cho robot hai khâu 9 2.1. Động lực học Robot 10 2.2. Mô phỏng. CU TRC IU KHIN V TR CHO ROBOT HAI KHU Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 9 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng 2.1. Động lực học robot hai khâu Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần. cơ cấu dẫn động làm cho tay máy chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Hc viờn thc hin: Nguyn Th Dng. Lp K12-TH 4 Tiu lun mụn hc: iu khin chuyn ng Sơ đồ tổ chức kỹ thuật của Robot. Tổ chức kỹ thuật