Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi LiSlotine cho hệ chuyển động Robot Almega 16

2.1.1. Lịch sử phát triển của Robot Almega 16.Robot Almega 16 là Robot được sản xuất ở Nhật Bản cũng đã khá lâu, có 6 trục quay, được thiết kế riêng cho ngành công nghiệp chế tạo sử dụng tự động hóa dựa trên các tay máy có tính linh hoạt được ứng dụng rất mạnh trong công nghiệp như vận chuyển, sắp xếp, đóng gói hàng, đặc biệt là trong ngành phun sơn, hàn…, nó có một cấu trúc mở để đáp ứng yêu cầu sử dụng linh hoạt và có thể giao tiếp một cách sâu rộng với các hệ thống bên ngoài. Cơ cấu của Robot được thiết kể một cách chắc chắn, có thể chịu đựng được các môi trường khắc nhiệt hay những đòi hỏi khắt khe của mối trường. Các phần trụ, đệm, bánh răng và các phần nhạy cảm khác đều được bảo vệ một cách rất tốt. Ngày nay Robot Almega 16 này được sử dụng với nhiều phiên bản khác nhau tùy thuộc vào khả năng thích ứng với môi trường và có thể được trang bị các phần mềm ứng dụng tùy theo các yêu cầu ứng dụng. Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệpChương 2: Nghiên cứu Robot Almega 16Phương trình động học thuậnPhương trình động lực họcChương 3: Thuật toán điều khiển thích nghi LiSlotine cho hệ chuyển động Robot Almega 16Nội dung phương phápTính toán áp dụng cho Robot Almega 16Chương 4: Mô phỏng và kết luậnGiới thiệu phương trình mô phỏng MatlabSimulink và MatlabSimechanicMô phỏng cho 3 khớp đầu sao cho vị trí khớp thực bám vị trí khớp đặt với sai số cho phép < 0.1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TÊ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi Li-Slotine cho hệ chuyển động Robot Almega 16 Ngành đào tạo: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 103 Họ và tên sinh viên: Nguyễn Minh Đông Người hướng dẫn luận văn tốt nghiệp 1. TS. Võ Thu Hà Hà nội - Năm 2012 1 Đề tài 2 Tên đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi Li-Slotine cho hệ chuyển động Robot Almega 16 Nội dung đồ án: Mục tiêu đề tài: Điều khiển bám quỹ đạo chính xác Tên sinh viên: Nguyễn Minh Đông Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Chương 2: Nghiên cứu Robot Almega 16 - Phương trình động học thuận - Phương trình động lực học Chương 3: Thuật toán điều khiển thích nghi Li-Slotine cho hệ chuyển động Robot Almega 16 - Nội dung phương pháp - Tính toán áp dụng cho Robot Almega 16 Chương 4: Mô phỏng và kết luận - Giới thiệu phương trình mô phỏng Matlab/Simulink và Matlab/Simechanic - Mô phỏng cho 3 khớp đầu sao cho vị trí khớp thực bám vị trí khớp đặt với sai số cho phép < 0.1 2 Giảng Viên Hướng Dẫn Võ Thu Hà CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ROBOT ALMEGA 16. 2.1.GIỚI THIỆU VỀ ROBOT ALMEGA 16. 2.1.1. Lịch sử phát triển của Robot Almega 16. Hình 2.1. Mô hình robot Almega 16 Robot Almega 16 là Robot được sản xuất ở Nhật Bản cũng đã khá lâu, có 6 trục quay, được thiết kế riêng cho ngành công nghiệp chế tạo sử dụng tự động hóa 3 O 0 O 1 O 2 O 3 X 0 X 1 Z 2 X 2 d 1 θ 1 θ 2 θ 3 Z 1 Z 0 X 3 Z 3 C 0 C 1 C 2 l C1 l C2 l C3 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 dựa trên các tay máy có tính linh hoạt được ứng dụng rất mạnh trong công nghiệp như vận chuyển, sắp xếp, đóng gói hàng, đặc biệt là trong ngành phun sơn, hàn…, nó có một cấu trúc mở để đáp ứng yêu cầu sử dụng linh hoạt và có thể giao tiếp một cách sâu rộng với các hệ thống bên ngoài. Cơ cấu của Robot được thiết kể một cách chắc chắn, có thể chịu đựng được các môi trường khắc nhiệt hay những đòi hỏi khắt khe của mối trường. Các phần trụ, đệm, bánh răng và các phần nhạy cảm khác đều được bảo vệ một cách rất tốt. Ngày nay Robot Almega 16 này được sử dụng với nhiều phiên bản khác nhau tùy thuộc vào khả năng thích ứng với môi trường và có thể được trang bị các phần mềm ứng dụng tùy theo các yêu cầu ứng dụng. 2.1.2.Xác định các thông số của Robot Almega 16 Do cấu trúc phức tạp của Robot mà ở đây ta không có điều kiện xác định hoàn toàn chính xác các thông số của Robot như khối lượng các khớp, chiều dài các khớp. Việc xác định các thông số của Robot ở đây mang tính gần chính xác nhất bằng cách xấp xỉ các khâu của Robot về các hình đơn giản có thể tính toán được. 2.1.2.1. Đế Đế là một bộ phận của Robot hay chính là thanh nối thứ nhất, cố định gắn với khớp quay thứ nhất. Thể tích của đế: Hình 2.2. Hình dạng thật của đế Hình 2.3. Hình dạng đơn giản hóa của đế 4 2 3 0 0.35 V 0,35.0,35.0,40 ( ) .0.25 0.07305 m 2 = + π = (2.1) 2.1.2.2.Khâu thứ nhất Là một phần của Robot nối giữa khớp quay thứ nhất và khớp quay thứ hai. Thể tích của khâu thứ nhất như sau: 2 2 3 1 0,35 0,18 V ( ) .0,22 2. ( ) .0,1 0,02625 (m ) 2 2 = π + π = (2.2) 2.1.2.3.Khâu thứ hai Là một phần của Robot gắn giữa khớp quay thứ hai và khớp quay thứ ba. Thể tích của khâu thứ hai như sau: Hình 2.5. Hình dạng đơn giản hóa của khâu thứ nhất Hình 2.4. Hình dạng thật của khâu thứ nhất Hình 2.6. Hình dạng thật của khâu thứ hai Hình 2.7. Hình dạng đơn giản hóa của khâu thứ hai 5 3 2 V 0,65.0,13.0,13 0,01099 (m ) = = (2.3) 2.1.2.3.Khâu thứ ba Khâu thứ ba là một phần của Robot nằm giữa khớp quay thứ ba và khớp quay thứ tư. Thể tích của khâu thứ ba như sau: 2 3 3 0,12 V ( ) .0,47 0,00532 (m ) 2 = π = (2.4) 2.1.2.4.Khâu thứ tư Là một phần của Robot nằm giữa khớp quay thứ tư và khớp quay thứ năm của Robot. Thể tích của khâu thứ tư như sau: 2 3 4 0,11 V ( ) .0,40 0,00380 (m ) 2 = π = (2.5) Hình 2.8. Hình dạng thật của khâu thứ ba Hình 2.9. Hình dạng đơn giản của khâu thứ ba Hình 2.10. Hình dạng thật của khâu thứ tư Hình 2.11. Hình dạng đơn giản hóa của khâu thứ tư 6 2.1.2.5.Khâu thứ năm và khâu thứ sáu Khâu thứ 5 một phần của Robot nằm giữa khớp quay thứ năm và khớp quay thứ sáu của Robot. Khâu thứ 6 là một phần của Robot gắn giữa khâu thứ năm của Robot vào khâu tác động cuối của Robot. Thể tích của khâu thứ năm: 3 5 0,10 V ( ).0,12 0,00094 (m ) 2 = π = (2.6) Thể tích của khâu thứ sáu: Hình 2.12. Hình dạng thật của khâu thứ năm và khâu thứ sáu Hình 2.13. Hình dạng đơn giản hóa của khâu thứ năm Hình 2.14. Hình dạng đơn giản hóa của khâu thứ sáu 7 2 3 6 0,08 V ( ) .0,02 0,00010 (m ) 2 = π = (2.7) 2.1.3.Khối lượng của các khâu của Robot Để cho đơn giản ở đây ta giả thiết là toàn bộ vật liệu làm Robot là cùng loại, và đồng nhất vì vậy mà khối lượng sẽ tỉ lệ với thể tich. Tổng thể tích của Robot là: V = 0,12035 3 m Do tổng khối lượng của Robot là 250kg và với thể tích của các khâu được xác định ở phần trên tính được gần đúng khối lượng của các khâu như sau: 0 4 1 5 2 6 3 m 100 kg m 10 kg m 67 kg m 4 kg m 52 kg m 1 kg m 16 kg = = = = = = = 2.2.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN 2.1.1.Lập bảng DH cho 3 bậc đầu của Robot Almega 16. 8 O 0 O 1 O 2 O 3 X 0 X 1 Z 2 X 2 d 1 θ 1 θ 2 θ 3 Z 1 Z 0 X 3 Z 3 C 0 C 1 C 2 l C1 l C2 l C3 Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 Hình 2.15 Mô hình Robot Almega 16 Bảng DH Khâu i θ i a i α i d 1 1 θ 0 90 1 d 2 2 θ 2 l 0 0 3 3 θ 3 l 0 0 2.1.2.Thiết lập các ma trận A i 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 c s s c A d     −   =       2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 c s c l s c s l A −       =       3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 c s c l s c s l A −       =       2.1.3. Xác định phương trình động học thuận - Tính các ma trận 0 A i 9 1 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 0 0 1 2 1 2 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 c s c s c l s c s c s l A A A d −         −     = × = ×             1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 2 0 0 1 2 1 2 2 2 1 2 2 0 0 0 0 1 c c c s s c c l s s s s c s c l A A A s c d l s −     − −   = × =   +     0 0 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2 1 1 2 2 3 3 3 3 1 2 1 2 1 1 2 2 3 3 3 3 0 2 2 3 2 2 1 2 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 A A A A c c c s s c c l c s c l s c s s c s c l s c s l A A s c d l s = × × − −         − −     = × = ×     +         1 23 1 23 1 1 23 3 1 2 2 1 23 1 23 1 1 2 2 1 23 3 0 3 23 23 1 2 2 23 3 0 0 0 0 1 c c c s s c c l c c l s c s s c s c l s c l A s c d l s s l − +     − − +   =   + +     Với: 23 2 3 23 2 3 cos( ) sin( ) c s θ θ θ θ = + = + [ ] 1 23 3 1 2 2 1 23 3 1 2 2 23 3 2 2 1 , , ( ),( ),( ) T x y z P P P P c c l c c l s c l s c l s l s l d   = = + + + +   2.2.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC. 2.2.1.Động năng, thế năng. 1 1 0,0,w θ   =   & 2 2 0,0,w θ   =   & 2.2.1.1Khớp 1: 0 1 1 A A= Vị trí các trục x,y,z: 1 1 1 1 0, 0,x y z d= = = - Động năng: 10 [...]... điều khiển này là không bền với nhiễu Bộ điều khiển thích nghi Li-Slotine không có khả năng loại được nhiễu cho dù là nhiễu nhỏ Mà trong quá trình robot hoạt động luôn có nhiễu tác động chính vì thế mà để có bộ điều khiển thích nghi thôi thì rất khó áp dụng vào thực tế 3.3.ÁP DỤNG VÀO ROBOT ALMEGA 16 3.3.1.Phương trình động lực học dạng triển khai Để áp dụng thuật toán điều khiển Li-Slotine ta sử dụng. .. 2 sin θ3 21 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI LI-SLOTINE CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG ROBOT ALMEGA 16 3.1 NỘI DUNG PHƯƠNG PHÁP: Khi mô hình robot là không biết rõ hoặc không xác định được chính xác các tham số mô hình thì luật điều khiển thích nghi theo Li-Slotine đề xuất bằng việc ước lượng 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... 23lc3 + c 2a 2 g G = m c l g 3 23 c3  31 ( ( ) )( ( ( ) ) ) Phương trình động lực học của robot cũng có thể được viết dưới nhiều dạng khác nhau để có thể áp dụng được các thuật toán điều khiển một cách dễ dàng Ở chương 2 nghi n cứu các thuật toán điều khiển thông minh nên ta có thể đưa phương trình động lực học của robot Almega 16 về dạng sau: & q)q & & τ = M(q, q, && && + C(q,q)q + G(q)  τ1   M11... luật điều khiển thích nghi theo Li-Slotine luôn có hệ thống nhận dạng tham số động của hệ thống, luôn cập nhật các tham số đó so sánh giá trị ước lượng được với giá trị thực rồi đưa vào bộ điều khiển để hiệu chỉnh đảm bảo hệ thống ổn định và sai lệch các khớp quay sẽ hội tụ về không, luật điều khiển cũng được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Xuất phát từ phương trình động lực học của robot. .. của phương pháp điều khiển thích nghi theo LiSlotine : 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 bộ điều khiển luôn luôn cập nhật sự thay đổi tham số của mô hình với việc chọn các tham số của bộ điều khiển tối ưu nhất thì hệ thống sẽ vừa bám chính xác quỹ đạo đặt tốt, vừa tác động nhanh Nhược... hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng lệnh help) Ví dụ: Command Window: >> help plot Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab: 34 4.1.1.2.Hướng dẫn sử dụng Simulink: a, Cách mở chương trình Simulink - Click vào biểu tượng như hình dưới... thuật toán điều khiển thích nghi theo Li-Slotine : 26 ˆ Bước 1 : Đặt các giá trị ước lượng p từ phương trình động lực học ˆ Bước 2 : Tìm các giá trị ước lượng ma trận quán tính M , vectơ tương hỗ và ˆ ˆ ly tâm C , vectơ trọng trường G ˆ & & Bước 3 : Tính ma trận Y (q, q, v, v) Bước 4 : Tìm các hệ số hiệu chỉnh KD và ma trận chéo dương Γ tối ưu Bước 5 : Kiểm tra sự hội tụ của sai lệch về không cho các. .. gồm các hàm toán học, các chức năng xuất nhập cũng như các khả năng điều khiển chương trình MATLAB cung cấp các toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng khác nhau Ví dụ như: một số toolbox liên quan tới điều khiển( control system toolbox, Optimzation toolbox…); các toolbox liên quan tới lĩnh vực điện, cơ khí… SIMULINK là một công cụ của MATLAB nhằm mục đích mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ. .. hệ thống động học Giao diện đồ họa trên màn hình của SIMULINK cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc SIMULINK cung cấp cho người dùng một thư viện rất phong 33 phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn Ngườidùng cũng có thể tạo ra các hộp công... nhật thích nghi như ở hình (3.15) luôn đảm bảo & V = −r T K D r ≤ 0 Có nghĩa là hệ thống ổn định lim e = 0  x→∞ & lim V = 0 ⇒ lim r = 0 ⇒  Hay : x→∞ x →∞ & lim e = 0  x→∞ Điều này đảm bảo cho quỹ đạo của robot tiến tới quỹ đạo đặt khi thời gian tiến tới vô cùng 25 3.1.2.Sơ đồ cấu trúc luật điều khiển Li-Slotine : KDr τ dk θ ,θ& Robot &ˆ p = − Γ yT r Hình 3.7 Mô hình luật điều khiển Li-Slotine Các . thích ứng với môi trường và có thể được trang bị các phần mềm ứng dụng tùy theo các yêu cầu ứng dụng. 2.1.2.Xác định các thông số của Robot Almega 16 Do cấu trúc phức tạp của Robot mà ở đây ta. Robot ở đây mang tính gần chính xác nhất bằng cách xấp xỉ các khâu của Robot về các hình đơn giản có thể tính toán được. 2.1.2.1. Đế Đế là một bộ phận của Robot hay chính là thanh nối thứ nhất,. m gs l θ θ   + + + − + + − + −   & & 2.2.2.Sử dụng đạo hàm Lagarange cho các khớp. Lấy đạo hàm hàm Lagrange theo biến à i i v θ θ & (i=1,2,3)ta được. 2.2.2.1.Khớp 1. ( ) 2 2