Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng bộ vi điều khiển dsPic30f4013 cho hệ chuyển động robot công nghiệp 3 bậc tự do

LỜI NÓI ĐẦUVào đầu thế kỷ trước, ý tưởng đầu tiên về robot đã xuất hiện, thể hiện ước mơ, khao khát của con người là sáng tạo ra những người máy để thay thế mình trong các công việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm. Vào khoảng năm 1940, mẫu robot đầu tiên ra đời tạo phòng thí nghiệm quốc gia OAK Ridge và Argonnecuar Mỹ, để vận chuyển các chất phóng xạ. Đến thập kỷ 80 trên thế giới đã có 40 nghìn robot thuộc 500 kiểu, do 200 hãng tham gia sản xuất. Ngày nay robot được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu khoa học và đời sống. Đó là thiết bị không thể thiếu được trên các hệ thống sản xuất, đặc biệt là các hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot ngày càng khéo léo và thông minh, được coi là sản phẩm điển hình của một ngành kỹ thuật mới: Ngành cơđiện tử (Mechatronics).Cho đến nay, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đã đưa môn robot công nghiệp vào chương trình chính khóa. Môn học này được giảng dạy chủ yếu cho các ngành cơ khí, song các khía cạnh riêng của kỹ thuật robot, như kỹ thuật điều khiển, lập trình, mô phỏng cũng được các ngành khác rất quan tâm.Để góp phần vào việc tìm hiểu ứng dụng Robot công nghiệp vào sản xuất. Trong khuân khổ của đồ án tốt nghiệp với đề tài em được giao là: “Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng bộ vi điều khiển dsPic30f4013 cho hệ chuyển động robot công nghiệp 3 bậc tự do”. Đây là đề tài mới, cộng với sự thu nhận kiến thức hạn chế, nên trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành đồ án, em cũng không tránh khỏi những thiếu sót.Vậy em kính mong nhận được những ý kiến phê bình và sự hướng dẫn của các thầy cô. Để em hoàn thành được đồ án này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của cô Võ Thu Hà cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Điện. Em xin chân thành cảm ơn cô Võ Thu Hà và các thầy cô trong khoa và kính chúc các thầy cô sức khỏe dồi dào và công tác tốt. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2012.MỤC LỤC1.2 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP.41.2.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp.41.2.1.1 Tay máy.51.2.1.2 Bộ phận dẫn động.61.2.1.3 Bộ phận điều khiển.71.2.1.4 Cảm biến.71.2.2 Đặc tính của robot công nghiệp.81.2.2.1 Tải trọng.81.2.2.2 Độ phân giải không gian.81.2.2.3 Tầm với.81.2.2.4 Độ chính xác.81.2.2.5 Độ lặp lại.91.2.2.6 Độ nhún.9cuối1.3 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP.101.3.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp.101.3.2 Ứng dụng của robot công nghiệp.101.3.3 Tình hình ứng dụng của robot công nghiệp trên thế giới.111.3.4 Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam.111.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP.121.4.1 Đặt vấn đề.121.4.2 Hệ thống điều khiển Robot công nghiệp.121.4.2.1 Bài toán điều khiển quỹ đạo.131.4.2.2 Điều khiển tọa độ khớp.141.4.2.3 Điều khiển tọa độ đề các.141.4.2.4 Bài toán điều khiển lực.151.4.2.5 Điều khiển trở kháng.151.4.2.6 Điều khiển hệ lai.151.4.3 Một số phương pháp điều khiển robot.161.4.3.1 Phương pháp điều khiển mô men tính toán.161.4.3.2 Phương pháp điều khiển trượt.171.4.3.3 Phương pháp điều khiển mờ.181.4.3.5 Phương pháp điều khiển bền vững.192.3.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC.242.3.1.Động năng, thế năng.242.3.1.1Khớp 1:242.3.1.2.Khớp 2:242.3.1.3.Khớp 3:252.3.2.Sử dụng đạo hàm Lagarange cho các khớp.262.3.2.1.Khớp 1.262.3.2.2.Khớp 2.272.3.2.3.Khớp 3.282.3.3.Phương trình động lực học dưới dạng ma trận trạng thái.29

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN:

Xây dựng mô hình thực nghiệm ứng dụng bộ vi điều khiển dsPic30f4013 cho

hệ chuyển động robot công nghiệp 3 bậc tự do

Ngành đào tạo: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số ngành: 103

Họ và tên sinh viên: Lưu Tuấn Khanh

Người hướng dẫn luận văn tốt nghiệp

1 ThS Võ Thu Hà

LỜI NÓI ĐẦU

Vào đầu thế kỷ trước, ý tưởng đầu tiên về robot đã xuất hiện, thể hiện ước

mơ, khao khát của con người là sáng tạo ra những người máy để thay thế mìnhtrong các công việc nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm Vào khoảng năm 1940, mẫurobot đầu tiên ra đời tạo phòng thí nghiệm quốc gia OAK Ridge và Argonnecuar

Mỹ, để vận chuyển các chất phóng xạ Đến thập kỷ 80 trên thế giới đã có 40 nghìnrobot thuộc 500 kiểu, do 200 hãng tham gia sản xuất Ngày nay robot được sử dụngrộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu khoa học và đời sống Đó là thiết bị không thểthiếu được trên các hệ thống sản xuất, đặc biệt là các hệ thống sản xuất linh hoạt.Robot ngày càng khéo léo và thông minh, được coi là sản phẩm điển hình của mộtngành kỹ thuật mới: Ngành cơ-điện tử (Mechatronics)

Cho đến nay, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đã đưa mônrobot công nghiệp vào chương trình chính khóa Môn học này được giảng dạy chủyếu cho các ngành cơ khí, song các khía cạnh riêng của kỹ thuật robot, như kỹ thuậtđiều khiển, lập trình, mô phỏng cũng được các ngành khác rất quan tâm

Để góp phần vào việc tìm hiểu ứng dụng Robot công nghiệp vào sản xuất.Trong khuân khổ của đồ án tốt nghiệp với đề tài em được giao là: “Xây dựng môhình thực nghiệm ứng dụng bộ vi điều khiển dsPic30f4013 cho hệ chuyển độngrobot công nghiệp 3 bậc tự do” Đây là đề tài mới, cộng với sự thu nhận kiến thứchạn chế, nên trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành đồ án, em cũng khôngtránh khỏi những thiếu sót

Vậy em kính mong nhận được những ý kiến phê bình và sự hướng dẫn củacác thầy cô Để em hoàn thành được đồ án này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của cô

Võ Thu Hà cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Điện Em xin chânthành cảm ơn cô Võ Thu Hà và các thầy cô trong khoa và kính chúc các thầy cô sứckhỏe dồi dào và công tác tốt

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2012

MỤC LỤC

1.2 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 4

1.2.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp 4

1.2.1.1 Tay máy 5

1.2.1.2 Bộ phận dẫn động 6

1.2.1.3 Bộ phận điều khiển 7

1.2.1.4 Cảm biến 7

1.2.2 Đặc tính của robot công nghiệp 8

1.2.2.1 Tải trọng 8

1.2.2.2 Độ phân giải không gian 8

1.2.2.3 Tầm với 8

1.2.2.4 Độ chính xác 8

1.2.2.5 Độ lặp lại 9

1.2.2.6 Độ nhún 9

cuối1.3 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 10

1.3.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp 10

1.3.2 Ứng dụng của robot công nghiệp 10

1.3.3 Tình hình ứng dụng của robot công nghiệp trên thế giới 11

1.3.4 Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam 11

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP 12

1.4.1 Đặt vấn đề 12

1.4.2 Hệ thống điều khiển Robot công nghiệp 12

1.4.2.1 Bài toán điều khiển quỹ đạo 13

1.4.2.2 Điều khiển tọa độ khớp 14

1.4.2.3 Điều khiển tọa độ đề các 14

1.4.2.4 Bài toán điều khiển lực 15

1.4.2.5 Điều khiển trở kháng 15

1.4.2.6 Điều khiển hệ lai 15

1.4.3 Một số phương pháp điều khiển robot 16

1.4.3.1 Phương pháp điều khiển mô men tính toán 16

1.4.3.2 Phương pháp điều khiển trượt 17

1.4.3.3 Phương pháp điều khiển mờ 18

1.4.3.5 Phương pháp điều khiển bền vững 19

2.3.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC 24

2.3.1.Động năng, thế năng 24

2.3.1.1Khớp 1: 24

2.3.1.2.Khớp 2: 24

2.3.1.3.Khớp 3: 25

2.3.2.Sử dụng đạo hàm Lagarange cho các khớp 26

2.3.2.1.Khớp 1 26

2.3.2.2.Khớp 2 27

2.3.2.3.Khớp 3 28

2.3.3.Phương trình động lực học dưới dạng ma trận trạng thái 29

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn, công nghệ thông tin, trítuệ nhân tạo và cơ khí chính xác đã đưa Robot lên một tầm cao mới, từ đó robot khôngcòn là những cỗ máy cồng kềnh vô tri vô giác chỉ biết lặp đi lặp lại một hành vi nhấtđịnh nữa mà nó đã bắt đầu có cảm giác, suy nghĩ, phân tích Từ đó, rất nhiều thế hệrobot đã ra đời với nhiều chủng loại và nhiệm vụ khác nhau như: Robot công nghiệp,robot giúp việc trong gia đình, robot thăm dò nghiên cứu, robot y học trong đó cónhững loại robot sản xuất ra để tăng năng suất lao động như robot công nghiệp, đócũng là loại robot chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể trong đề tài này

Hình 1.1 Robot công công nghiệp

1.2 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.2.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp.

Hình 1.2 Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp.Một robot công nghiệp thường có các thành phần chính sau:

Tay máy công nghiệp là một bộ phận cơ khí quan trọng đóng vai trò là bộphận chấp hành của robot Tay máy được mô phỏng giống bàn tay của con ngườinên nó có các bộ phận chính sau:

Vì thế, tay máy có thể là một cơ cấu phẳng hay không gian Tay máy cónhiều bậc tự do có khả năng thực hiện các thao tắc trong mặt phẳng hoặc khônggian với một phan vi nhất định Không gian hoạt động của tay máy còn được gọi làtrường hoạt động của tay máy

Tùy thuộc vào yêu cầu từng loại robot mà người ta thường đưa ra các thông

số kĩ thuật để đánh giá khả năng hoạt động của robot Một số thông cơ bản thườnggặp của robot:

- Tải trọng: khẳ năng mang tải của robot

- Trường hoạt động của robot: là phạm vi không gian mà khả năngrobot có thể với tới

- Độ phân giải không gian: là khả năng dịch chuyển bé nhất của cáckhớp bao gồm các chuyển dịch về góc và chuyển dịch tịnh tiến

- Độ chính xác: là khả năng robot có thể đạt được

1.2.1.2 Bộ phận dẫn động.

Bộ phận dẫn động của robot thông thường là các động cơ:

- Động cơ điện 1 chiều

- Động cơ điện xoay chiều

- Động cơ bước

- Động cơ khí nén và thủy lực

Động cơ khí nén và thủy lực sử dụng trong các trường hợp yêu cầu về côngsuất lớn, tốc độ chậm mà các loại động cơ điện không đáp ứng được.

Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống dẫn động robot bằng thủy lực thì kết cấurobot khá cồng kềnh và phức tạp hơn so với dung động cơ điện

1.2.1.3 Bộ phận điều khiển.

Để điều khiển các hoạt động của robot,, bộ điều khiển robot giữ vai trò quantrọng như bộ não của con người Bộ phận điều khiển thường được thực thiện thôngqua một hệ thống các chương trình điều khiển – mỗi chường trình đẳm nhiệm mộtnhiệm vụ cụ thể Tùy thuộc vào đặ điểm làm việc của từng robot mà các chươngtrình điều khiển nói trên được xây dựng khác nhau cho phù hợp

Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ cung cấp một chuỗi logic cho chương trìnhvận hành tay máy Ngoài ra bộ điều khiển còn có nhiệm vụ giải quyết các bài toán

lý thuyết cần cho mỗi bước của chương trình và liên tục đo đạc, xử lý sai số giữa vịtrí thực của robot và các tọa độ tính toán trong quá trình chyển động dưới dạng:điểm- điểm, hoặc theo một quỹ đạo liên tục

- Động học thuận: có chức năng thiết lập và giải các bài toán động học,trên cơ sở các tham số đầu vào bao gồm góc quay và độ dịch chuyểntịnh tiến của các biến khớp

- Lưu trữ và chuyển giao: có chức năng tiếp nhận và chuyển giao cáckết quả vừa giải ra động học thuận robot Cụm lập trình có chức nănglập trình để sao cho quỹ đạo của robot đi qua các điểm đã định trướchay thực hiện trọn vẹn quỹ đạo do yêu cầu đặt ra

1.2.1.4 Cảm biến

Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: cảm biến trạng thái bên trong

và cảm biến trạng thái bên ngoài Cảm biến trạng thái bên trong có chức năng đolường các biến, tham số như: vị trí hay tốc độ khớp được sử dụng cho các mạchtrong hệ thống điều khiển robot Cam biến trạng thái bên ngoài sẽ đo lường các biếnkhoảng cách, mức, tiếp xúc

Sử dụng cảm biến bên ngoài cho phép robot tiếp xúc với môi trường mộtcách mềm dẻo và thông minh hơn Với các cảm biến bên ngoài, các robot có thểnhìn và cảm giác để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong khi cần ít các cơ cấu

điều khiển hơn các robot được lập trình sẵn Đồng thời robot cũng có khả năngthích nghi với các công việc khác nhau, đạt được độ van năng cao hơn.

1.2.2 Đặc tính của robot công nghiệp.

1.2.2.1 Tải trọng.

Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một

số đặc tính nào đó Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức rất nhiều, nhưngrobot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức Tải trọng của robot thông thườngrất nhỏ so với trọng lượng của robot

Ví dụ: robot LR Mate của hang Fanuc có trọng lượng 40 Kg chỉ mang đượctải trọng 3Kg, robot M-16i có trọng lượng 269 Kg mang được tải trọng 18.5 Kg

1.2.2.2 Độ phân giải không gian.

Độ phân giải không gian là gia tang nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi dichuyển trong không gian Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và độchính xác cơ khí Độ phân giải điều khiển được xác định bởi độ phân giải hệ thốngđiều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước dichuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển robot:

Độ chính xác sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay robot:Phạm vi di chuyển càng xa bệ robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác

cơ khí càng lớn Độ chính xác của robot sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robotđược giới hạn trong phạm vi cho phép Tải trọng cũng ảnh hưởng hưởn đến độ

chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm độ chính xác

di chuyển Thông thường độ chính xác di chuyển của robot công nghiệp đạt0,025mm

1.2.2.5 Độ lặp lại.

Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểmtrong nhiều lần hoạt động (Ví dụ: 100 làn) Do một số yếu tố mà robot không thểvới tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nămtrong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn Bán kính của đường tròn đó

là độ lặp lại

Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác Độ chính xácđánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệuchỉnh bằng chương trình Nhưng sai số ngẫu nhiên khó có thể khử được Độ lặp lạicần phải được xác định bằng thực nghiệm với tải trọng và các hướng di chuyểnkhác nhau (phương thẳng đứng và phương nằm ngang…) Độ lặp lại của các robotcông nghiệp thằng 0,025mm

1.2.2.6 Độ nhún.

Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lựchoặc moment tác dụng Độ nhún lớn có ý nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khilực tác động nhỏ và ngược lại Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ

Hình 1.4 Minh họa độ chính xác và độ phân giải điều khiển

chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng Nếu robot mang tải trọng nặng,trọng lượng tải sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch chuyển…

Nếu robot được lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay, độ chínhxác sẽ giảm trong điều kiện làm việc có tải

1.3 ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.3.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp.

Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây truyềncông nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sảnphẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm

cơ bản của Robot đó là :

- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn ngườithợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc Do đó Robot giúpnâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm đượcđáng kể chi phí cho người lao động

- Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ

- Robot giúp cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất màchúng ta cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phảilàm việc trong môi trường ô nhiễm, ẩm ướt, nóng nực Thậm chí rất độc hại đến sứckhoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ, phóng xạ …

1.3.2 Ứng dụng của robot công nghiệp.

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản suất và đời sống củacon người, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và được ứngdụng trong nhiều lĩnh vực khác như:

- Phụ vụ máy NC và các hệ thống tự động linh hoạt

- Chế tạo máy.

- Kiểm tra sản phẩm, hàng hóa

- Sơn

- Bảo vệ

1.3.3 Tình hình ứng dụng của robot công nghiệp trên thế giới.

Nhìn chung việc sử dụng robot ở các nước công nghiệp phát triển như: Mỹ,Nhật, Đức… rất phổ biến với tốc độ phát triển hàng năm là rất nhanh Theo thống

kê chưa đầy đủ, tỷ lệ phân bố phạm vi ứng dụng robot công nghiệp trong các lĩnhvực như sau: Ôtô 31%, thiết bị điện 16%, dầu khí và thực phẩm 16%, hóa thựcphẩm 12%, thiết bị viễn thông 8%, máy công cụ 6%, kim khí 4% và các ngành khácchiếm 20%

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thuộc các ngành đào tạo rabước nhảy vọt về loại hình robot trên thế giới Hiện nay, có rất nhiều loại robotthông minh, loại robot này có các giác quan nhận thức như con người Ngoài ra,ngày càng nhiều robot siêu nhỏ dùng trong Y học để quan sát chụp các bộ phận bêntrong cơ thể con người Trong tương lai không xa sẽ xuất hiện nhiều loại robot cókhả năng phục vụ gia đình

1.3.4 Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam.

Trong giai đoạn trước năm 1990, hầu như trong nước hoàn toàn chưa dunhập về kỹ thuật Robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnhvực này Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực mới mẻ này trong nước

đã có triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 và52B.03.01

Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầuđổi mới Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại Robot công nghiệp phục vụ các côngviệc như: tháo lắp dụng cụ, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ Ôtô xe máy, phun phủcác bề mặt

Một sự kiện đáng chú ý là tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech đãbước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng Đây là nhà máy đầutiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot

Những năm gần đây, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Tự động hóa, Trườngđại học Bách Khoa Hà Nội, đã nghiên cứu thiết kế một kiểu Robot mới là Robot

RP Robot RP thuộc loại Robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu tay người) Hiện nay

đã chế tạo 2 mẫu: Robot RPS-406 dùng để phun men và Robot RPS-4102 dùngtrong công nghệ bề mặt

Ngoài ra Trung tâm còn chế tạo các loại Robot khác như: Robot SCA minidùng để dạy học, Robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng, Robocar chữ thập đỏcho người tàn tật … Bên cạnh đó còn xây dựng các thuật toán mới để điều khiểnRobot, xây dựng “thư viện” các mô hình của Robot trên máy tính …

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.4.1 Đặt vấn đề.

Như ta đã biết khi Robot chuyển động trong không gian quỹ đạo thì sẽ chịuảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như: nhiễu tác động, ma sát chuyển động, ảnhhưởng của gia tốc trọng trường Những yếu tố này làm cho việc chuyển động vàđiều khiển Robot hết sức là khó khăn Cũng vì vậy mà ta ta phải tìm hiểu, nghiêncứu các phương pháp điều khiển để có thể khắc phục được những nguyên nhân ảnhhưởng trên

1.4.2 Hệ thống điều khiển Robot công nghiệp.

Liên quan tới các đặc điểm của robot có thể chia bài toán điều khiển robotthành 2 loại: điều khiển thô và điều khiển tinh Ở bài toán điều khiển thô sẽ xác địnhluật điều khiển thích hợp để tốc độ vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sátquỹ đạo thiết kế trong thời gian quá độ nhỏ nhất Bài toán thứ 2 liên quan đến quátrình robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp robot lắpgiáp một chi tiết vào một thiết bị máy Như vậy, quá trình làm việc này sẽ yêu cầuđiều khiển cả lực và vị trí

Từ yêu cầu thực tế của từng robot ta phân loại phương pháp điều khiển robottheo mục đích cụ thể của từng bài toán đặt ra Mỗi phương pháp điều khiển đều có

mô hình khác nhau, nhưng một thành phần không thể thiếu là bộ điều khiển củarobot Bộ điều khiển quyết định ứng dụng của robot Thấy được tầm quan trọng của

bộ điều khiển, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu, tìm hiểu nhằm đưa ra bộđiều khiển tối ưu nhất

Hình 1.5 Các bài toán điều khiển robot.

Điều khiển chuyển động thô hay điều khiển quỹ đạo có thể thực hiện ở hệ tọa

độ khớp hay tọa độ Decac Điều khiển chuyển động tinh là điều khiển lực, thực chất

là kết hợp điều khiển lực và quỹ đạo Điều khiển lực gồm điều khiển trở kháng vàđiều khiển hỗn hợp

Ngoài các phương pháp truyền thống ra, thì còn một số phương pháp điềukhiển thông minh, có khả năng thích nghi và chống nhiễu cao, đó là điều khiển mờ,điều khiển mạng nơ ron, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững…

1.4.2.1 Bài toán điều khiển quỹ đạo.

Chức năng của hệ thống điều khiển chuyển động là đảm bảo tay máy robot chuyểnđộng bám theo quỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc Chuyển động của tayrobot được thực hiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot Trên cơ sở đó, cóhai dạng hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển không gian khớp và

hệ thống điều khiển tọa độ Đề - các

1.4.2.2 Điều khiển tọa độ khớp.

Hệ thống điều khiển tọa độ khớp có đại lượng điều khiển là vị trí của khớprobot: góc quay đối với khớp quay, độ dịch chuyển của khớp tịnh tiến Bộ điềukhiển được thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị tríkhớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất Vị trí đặt của khớp được tính toán từlượng đặt vị trí của tay robot trong không gian làm việc thông qua khâu tính toánđộng học ngược

Ưu điểm của phương pháp điều khiển ở không gian khớp là bộ điều khiển tácđộng trực tiếp đến hệ truyền động của khớp Tuy nhiên, hệ thống điều khiển nàykhó đảm bảo độ chính xác vị trí của tay khi tồn tại các sai lệch trong cơ cấu cơ khíhoặc thiếu thông tin về quan hệ vị trí giữa tay robot và đối tượng

Hình 1.6 Sơ đồ khối thệ thống điều khiển ở không gian khớp

1.4.2.3 Điều khiển tọa độ đề các.

Hệ thống điều khiển tọa độ đề các còn được gọi là hệ thống điều khiển khônggian làm việc có chức năng duy trì trực tiếp sai lệch vị trí của tay robot trong khônggian làm việc bằng không

Lượng đặt của hệ thống điều khiển là vị trí tay máy trong không gian làmviệc và lượng phản hồi là vị trí thực của tay Khâu tính toán động học ngược sẽthuộc mạch vòng điều khiển phản hồi

Ưu điểm của phương pháp điều khiển tọa độ đề các là tác động trực tiếp cácbiến không gian làm việc Nhưng nhược điểm của phương pháp là khối lượng tínhtoán lớn do tồn tại khâu tính toán động học ngược trong vòng điều khiển

Động học

ngược

Bộ điều khiển

Bộ biến đổi Động

cơ

Cơ cấu Robot

Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển tọa độ Đề-Các.

1.4.2.4 Bài toán điều khiển lực.

Điều khiển lực là trường hợp tổng quát của bài toán điều khiển quỹ đạo, hầuhết robot trong quá trình làm việc sẽ tiếp xúc với môi trường khi di chuyển theo mộtquỹ đạo cho trước Khi đó cần điều khiển cả vị trí và lực của Robot sinh ra Hiệnnay, có hai phương pháp điều khiển dùng để điều khiển lực: phương pháp điềukhiển trở kháng và phương pháp điều khiển hệ lai

1.4.2.5 Điều khiển trở kháng.

Nguyên lý cơ bản của điều khiển trở kháng là điều khiển vị trí và lực bằngđiều chỉnh trở kháng của cơ cấu cơ khí tay robot phù hợp với ngoại lực tác dụng lêntay robot khi tiếp xúc với môi trường

Trở kháng cơ khí là một khái niệm bảo thị độ cứng của cơ cấu chống lại lựctác dụng lên nó

Điều khiển trở kháng có hai phương pháp:

- Điều khiển trở kháng thụ động

- Điều khiển trở kháng tích cực

1.4.2.6 Điều khiển hệ lai.

Điều khiển hệ lai là phương pháp điều khiển độc lập vị trí và lực Các tínhiệu đầu ra của bộ điều khiển sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành khớp bám theo quỹđạo vị trí và sinh ra lực đặt trước Khi robot làm việc tiếp xúc với môi trường, lực sẽđược điều chỉnh theo một hướng, còn điều khiển vị trí sẽ theo một hướng khác

Do đặc điểm làm việc của tay robot khi tiếp xúc với môi trường mà chia làmhai loại rằng buộc: rằng buộc tự nhiên và rằng buộc nhân tạo:

Bộ điều khiển hệ lai được chia làm hai phần:

Bộ điều khiển

Bộ biến đổi Động

cơ

Cơ cấu Robot

d

- Bộ điều khiển tuyến tính hóa phản hồi nhằm khử các thành phần phi tuyến và rằngbuộc của hệ thống để nhận được hệ thống độc lập tuyến tính.

- Bộ điều khiển thứ hai được thiết kế để cơ cấu tay robot bám theo quỹ đạo mongmuốn và sinh lực cần thiết

1.4.3 Một số phương pháp điều khiển robot.

Hệ động lực học của robot thường là các hệ phi tuyến cao, có hàm lượnggiác và nhiều yếu tố bất định nên phương pháp điều khiển robot là các phương phápđiều khiển phi tuyến Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển robot đã đượcnghiên cứu và ngày càng phát triển như: điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi,điều khiển trượt và một số phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờhay điều khiển nơron

1.4.3.1 Phương pháp điều khiển mô men tính toán.

Phương pháp mô men tính toán rất phổ biến trong kỹ thuật điều khiển robothiện đại Mục đích của phương pháp là lựa chọn bộ điều khiển có khả năng loại trừhoàn toàn các tác động phi tuyến của robot đưa hệ thống thành hệ tuyến tính dạngtích phân kép Do vậy, các thành phần tạo nên tính tuyến tính của hệ thống như:trọng trường, ma sát, mô men… hoàn toàn được loại bỏ Sau đó, một bộ điều khiểnphản hồi thông thường dạng PD hay PID được áp dụng để đưa robot đến vị trí mongmuốn Xuất phát từ phương trình động lực học robot dạng:

Khi đó phương trình (2-3) thành phương trình độc lập cho các khớp.

Nhược điểm của phương pháp điều khiển mô men quán tính là phải biết đầy

đủ và chính xác hệ phương trình động lực của robot Trong thực tế, đáng tiếc cácthông số của robot có nhiều bất định và có thể thay đổi theo thời gian Do đó, đểkhử hoàn toàn các thành phần phi tuyến cần phải ước lượng chính xác các thông sốcủa robot hoặc áp dụng phương pháp tự thích nghi, bù các yếu tố bất định trong quátrình điều khiển

1.4.3.2 Phương pháp điều khiển trượt.

Phương pháp điều khiển trượt là một dạng của hệ điều khiển có cấu trúc thayđổi VSC (variable structure control) thuộc lớp các hệ thống điều khiển có phản hồikhông liên tục Điều khiển trượt được ứng dụng cho các hệ thống liên tục và rời rạcnhiều đầu vào nhiều đầu ra

Đặc điểm nổi bật nhất của điều khiển trượt là tính bền vững hay nói cáchkhác là hệ thống ít nhạy cảm với sự thay đổi của tham số Điều khiển trượt ổn địnhcho lớp đối tượng có tính phi tuyến cao và các tham số không được biết đến chínhxác, nên phương pháp này dùng phổ biến cho các bài toán điều khiển robot

Các hệ điều khiển trượt có tính ổn định và hội tụ toàn cục Tuy nhiên, khi màgiải tần là hữu hạn, ảnh hưởng của độ trễ và quán tính của đối tượng dẫn đến hiệntượng dao động xung quanh mặt trượt gây nên sai số điều khiển Để khắc phục hiệntượng này người ta có thể sử dụng thêm phương pháp điều khiển nâng cao chấtlượng điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển trượt chia làm hai bước :

- Đầu tiên là lựa chọn mặt trượt sao cho sai số điều khiển trượt về không

- Bước tiếp theo là tìm tín hiệu điều khiển để duy trì hệ điều khiển trượt theomặt trượt về gốc tọa độ

Nguyên lý điều khiển bằng phương pháp trượt :

Hình1.8 Đường trượt trên mặt phẳng e e .

1.4.3.3 Phương pháp điều khiển mờ.

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, F (x)) trong đó x  M và F là ánh xạ F : M  [0, 1]

Ánh xạ F được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F.

Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có hai cách: tính trực tiếp (nếu F (x) ở dạng công thức tường minh) hoặc tra bảng (nếu

F (x) ở dạng bảng).

Các hàm liên thuộc F (x) có dạng “trơn” được gọi là hàm liên thuộc kiểu S.

Đối với hàm liên thuộc kiểu S, do các công thức biểu diễn F (x) có độ phức tạp lớn

nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu Trong kỹ thuật điều khiển mờ

thông thường, các hàm liên thuộc kiểu S thường được thay gần đúng bằng một hàm

tuyến tính từng đoạn

Một hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc

có mức chuyển đổi tuyến tính.

 

s>0

s=0s<0

Hàm liên thuộc F (x) như trên với m 1 = m 2 và m 3 = m 4 chính là hàm phụ thuộccủa một tập kinh điển.

1.4.3.5 Phương pháp điều khiển bền vững.

1.4.3.5.1 Nội dung phương pháp.

Bộ điều khiển bền vững có cấu trúc thay đổi được thiết kế cho những hệ thốngrobot cũng không cần biết chính xác các tham số của mô hình robot Nhiệm vụ của

bộ điều khiển bền vững là xác định được vùng bao mà trong vùng bao thì hệ thống

sẽ ổn định mà không chịu tác động bởi bất cứ nhiễu nào, cụ thể nhiệm vụ của bộđiều khiển VCS là xác định được một mặt trượt và lái hệ thống về bề mặt trượt đóthì sau đó hệ thống sẽ “ trượt” trên bề mặt đó và sẽ luôn ổn định ngay cả dưới tácđộng nhiễu Như vậy bộ điều khiển này loại bỏ tính ảnh hưởng phi tuyến của cáckhớp bằng cách đặt hệ thống tới mặt trượt Luật điều khiển này cũng được xây dựngdựa trên tiêu chuẩn ổn định Luyapunov

Hình 1.10 Mô hình luật điều khiển bền vững VSS

1.4.3.5.2 Ưu nhược điểm.

- Ưu điểm: Bộ điều khiển này cũng giống với bộ điều khiển thích nghi Li –

Stotile là không cần biết chính xác các tham số động lực học của robot mà vẫn ổnđịnh được hệ thống, đảm bảo sai lệch giữa vị trí đặt và giá trị thực giảm về 0 nhanhchóng, ổn định hệ thống ngay cả khi có nhiễu tác động

- Nhược điểm: Việc xác định vùng bao, vùng giới mà trong đó hệ thống ổn

định là rất khó khăn không phải lúc nào cũng xác định được, thậm chí là không xácđịnh được Để hạn chế được nhược điểm này thì các tốt nhất là kết hợp với bộ điềukhiển thích nghi vì bộ điều khiển thích nghi có khả năng xác định được sự thay đổicủa vùng bao do đó mà hệ thống có thể ổn định được

1.4.3.4 Phương pháp điều khiển thích nghi.

1.4.3.4.1 Nội dung phương pháp.

Khi mô hình robot là không biết rõ hoặc không xác định được chính xác cáctham số mô hình thì luật điều khiển thích nghi theo Li-Slotine đề xuất bằng việc ướclượng các thông số động lực học không biết chính xác như ma trận quán tính M,vectơ tương hỗ và ly tâm H, vectơ gia tốc trọng trường G

Trong luật điều khiển thích nghi theo Li-Slotine luôn có hệ thống nhận dạngtham số động của hệ thống, luôn cập nhật các tham số đó so sánh giá trị ước lượngđược với giá trị thực rồi đưa vào bộ điều khiển để hiệu chỉnh đảm bảo hệ thống ổnđịnh và sai lệch các khớp quay sẽ hội tụ về không, luật điều khiển cũng được xâydựng dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov

Hình 1.11 Mô hình luật điều khiển Li-Slotine

- Ưu điểm : Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là không cần biết chính

xác các tham số của mô hình thì bộ điều khiển vẫn đảm bảo hệ thống ổn định vì bộđiều khiển luôn luôn cập nhật sự thay đổi tham số của mô hình với việc chọn cáctham số của bộ điều khiển tối ưu nhất thì hệ thống sẽ vừa bám chính xác quỹ đạođặt tốt, vừa tác động nhanh

- Nhược điểm : Nhược điểm lớn nhất của phương pháp điều khiển này là

không bền với nhiễu Bộ điều khiển thích nghi Li-Slotine không có khả năng loạiđược nhiễu cho dù là nhiễu nhỏ Mà trong quá trình robot hoạt động luôn có nhiễutác động chính vì thế mà để có bộ điều khiển thích nghi thôi thì rất khó áp dụng vàothực tế

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ ROBOT

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Xây dựng mô hình robot 5 khớp quay để gắp và nhả vật như sau:

Hình 2.1 Mô hình robot công nghiệp 5 khớp

2.1.1 Giới thiệu.

Mô hình robot công nghiệp 5 bậc tự do sử dụng 5 động cơ Radio controlledservo viết tắt là RC servo Cánh tay robot được điều khiển bằng bộ điều khiểndsPic30f4013 sử dụng vi điều khiển dsPic30f4013 Sử dụng trình biên dịch Mplab xide và ngôn ngữ lập trình C30 để viết chương trình hoạt động cho Robot Sử dụngmạch nạp Pickit v2.61 để nạp chương trình cho chip Sử dụng cảm biến quangOMRON D3F-E30C4 để phát hiện vật

2.2 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN.

2.2.1 Lập bảng Denavit-Hartenberg (D-H).

Hình 2.2 Gắn hệtọa độ vào robot

Bảng Denavit- Hartenberg (DH)

00

2 3

00

c s

   0

0 0 1 1 .sin

c c

2.3.2.Sử dụng đạo hàm Lagarange cho các khớp.

Lấy đạo hàm hàm Lagrange theo biến i vài (i=1,2,3)ta được

           Với :

Hoặc viết ở dạng rút gọn:

2

           Với:

Phương trình động lực học dưới dạng ma trận trạng thái dạng tổng quát nhưsau:

Trong đó:

33 31 13 133