ứng dụng luật điều khiển phi tuyến phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM oOo LÊ VĂN MAI ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP. HCM 10- 2013 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM oOo LÊ VĂN MAI ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGÔ MẠNH DŨNG TP. HCM 10- 2013 3 LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGÔ MẠNH DŨNG Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGÔ CÔNG PHƯƠNG Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM ngày 02 tháng 11 năm 2013. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PGS.TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG Chủ tịch Hội đồng; 2. TS. NGÔ CÔNG PHƯƠNG Ủy viên, phản biện; 3. PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Ủy viên, phản biện; 4. TS VŨ THANH SƠN Ủy viên, thư ký; 5. PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ Ủy viên. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian làm việc và nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS Ngô Mạnh Dũng, luận văn đã hoàn thành kế hoạch yêu cầu đề ra. 4 Luận văn đã nghiên cứu triển khai và ứng dụng luật điều khiển phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link dựa trên ý tưởng : luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robot hai bánh được thiết kế độc lập và dựa trên các điều kiện “bắt tay” giữa hai hệ thống độc lập này nhằm đạt được mục đích của hệ thống robot hàn kết hợp. Tính hội tụ của từng bộ điều khiển đã được chứng minh dựa trên tiêu chuẩn hội tụ Lyapunov, và khả năng phối hợp giữa hai luật điều khiển được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab để thử nghiệm tính hội tụ của robot hàn nói trên. Cuối cùng luật điều khiển được triển khai tính hội tụ trên mô hình robot thân 2 bánh kế hợp tay máy Scara có kích thước dài x rộng x cao (270mm x 270mm cao 70mm tầm với của Scar robot là 350mm) điều khiển trên nền vi xử lý PIC18F cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm và lý thuyết theo đúng mục tiêu đặt ra, việc này cho thấy tính đúng đắn và khả thi của bộ điều khiển này. Tôi xin cam đoan trong quá trình thực hiện luận văn đã làm việc nghiêm túc. Tất cả các mẫu hình, bảng biểu, tài liệu được trích và tham khảo theo đúng qui chế, qui định. TP.HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2013 Người viết cam đoan Lê Văn Mai LỜI CẢM ƠN 5 Để hoàn thành luận văn này tác giả đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫn giúp đỡ quý báu của nhiều người. Lời đầu tiên xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP. Hồ Chí Minh và đặc biệt là quý thầy cô Phòng Khoa học – Công nghệ, Quý thầy cô của khoa Điện- Điện Tử Viễn Thông. Xin cảm ơn phòng thí nghiệm của trường Cao Đẳng Nghề tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu và đặc biệt tác giả xin bày tỏ lỏng cảm ơn sâu sắc tới Thầy TS Ngô Mạnh Dũng giảng viên trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, Thầy đã tận tình giúp đỡ và động viên khi thực hiện luận văn. Hơn nữa, xin gửi lời chân thành cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình, bạn bè đồng nghiệp Với kiến thức được học tập nơi nhà trường tác giả mong muốn được chuyển hóa thành những ứng dụng thực tế để hoàn thiện mình hơn và giúp tác giả trưởng thành và hiểu rõ hơn và qua đó phần nào đóng góp để xây dựng đất nước ngày càng tốt đẹp. TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2013 Lê Văn Mai MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Trang 5 6 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về lịch sử phát triển robot Trang 7 1.2 Những ứng dụng điển hình hiện nay của robot Trang 11 1.3 Ưu và khuyết điểm của robot cánh tay Trang 12 1.4 Ưu và khuyết điểm của robot dạng bánh Trang 14 1.5 Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh Trang 16 CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY 2.1 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy mang súng hàn Trang 20 2.2 Giải bài toán động học cho thân robot hai bánh Trang 24 2.3 Giải bài toán động lực học cho thân robot hai bánh Trang 26 2.4 Giải bài toán động học cho tay máy Scara Trang 28 2.5 Công cụ toán học Trang 29 2.5.1 Bổ đề Barbalat Trang 29 2.5.2 Hệ quả có ích của bổ đề Barbalat Trang 31 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY 3.1 Tóm tắt về triển khai ứng dụng luật điều khiển phân tán cho robot hàn kết hợp giữa thân robot hai bánh và tay máy Scara mang súng hàn Trang 33 3.2 Giới thiệu về robot hàn ứng dụng trong công nghiệp Trang 35 3.3 Đặt vấn đề lựa chọn luật điều khiển cho robot hai bánh Trang 35 3.4 Tóm tắt lại mô hình toán của thân robot hai bánh và tay máy Scara . Trang 36 3.5 Tính toán thiết kế luật điều khiển Trang 40 3.5.1 Thiết kế luật điều khiển bằng mô hình động học cho tay máy Trang 41 3.5.2 Thiết kế luật điều khiển cho thân robot hai bánh bằng phương pháp mặt trượt có kết hợp điều kiện bắt tay với cánh tay máy bên trên Trang 47 3.5.3 Chứng minh sự hội tụ của bộ điều khiển u Trang 52 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT 2 BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY TRÊN MATLAB 4.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab Trang 55 4.2 Mô phỏng robot hai bánh kết hợp tay máy scara Trang 59 4.3 Kết quả mô phỏng Trang 61 4.4 Kết luận Trang 66 CHƯƠNG V: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 2 BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY MANG SÚNG HÀN CÓ ĐIỂM HÀN BÁM THEO ĐƯỜNG HÀN VỚI VẬN TỐC KHÔNG ĐỔI 7 5.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Trang 67 5.2 Thiết kế và thực hiện phần cơ khí hệ thống Trang 70 5.3 Giới thiệu sơ lược về các chuẩn sử dụng trong điều khiển hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy Trang 73 5.3.1 Sơ lược về chuẩn giao tiếp SPI Trang 73 5.3.2 SPI trong vi điều khiển Pic Trang 75 5.3.3 Mạch giao tiếp SPI trong robot Trang 77 5.4 Tổng quan về vi điều khiển PIC Trang 78 5.4.1 Vi điều khiển Pic 16F887 Trang 78 5.4.2 Vi điều khiển Pic 18F4431 Trang 80 5.5 Thiết kế các mạch điện tử cho robot điều khiển kết hợp tay máy và thân robot hai bánh Trang 81 5.5.1 Mạch CPU trung tâm điều khiển Trang 81 5.5.2 Mạch điều khiển DC cho 2 bánh chủ động của thân robot Trang 86 5.5.3 Mạch điều khiển động cơ cho các khớp của tay máy Trang 89 5.5.4 Sơ đồ cung cấp điện tổng thể và sơ đố kết nối tín hiệu điều Trang 91 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết luận và đánh giá Trang 93 6.2 Hướng phát triển của đề tài Trang 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 94 PHỤ LỤC Trang 97 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, robot hàn được sử dụng rộng rãi để nâng cao chất lượng mối hàn 8 và dần dần giúp con người tránh được tiếp xúc làm việc trong môi trường nguy hiểm và độc hại của hồ quang hàn và khói hàn. Thông thường robot hàn sử dụng trong nhà máy ô tô chủ yếu là tay máy robot dạng tay máy Puma và tay máy Scara. Với đặc điểm của loại tay máy này có đáp ứng nhanh vươn tới các điểm làm việc của tay máy, vì có đặc điểm giống cánh tay con người. Tuy nhiên, các tay máy này thường được gắn cứng vào đế và các đế của tay máy robot thường gắn cố định so với mặt đất nên không gian làm việc của robot bị giới hạn trong không gian làm việc chủ yếu là một phần của khối cầu. Vì ứng dụng hàn có tính chất chuyển động của điểm cuối có vận tốc khá chậm trung bình vận tốc hàn khoảng 7mm/s, do đó để mở rộng không gian làm việc cho robot hàn trong các vùng không gian rộng như trong công nghiệp đóng tàu (hàn dọc theo boongke của tàu), thông thường trước đây người ta sử dụng mobile robot (robot hai bánh thường được sử dụng trong trường hợp này). Theo lý thuyết thì điểm tâm của robot hai bánh có khả năng di chuyển tới mọi điểm trên mặt phẳng cần hàn và đáp ứng được góc hàn theo yêu cầu. Tuy nhiên, trong ứng dụng hàn thì điểm hàn thông thường không nằm trùng với tâm của robot hai bánh và điểm hàn của súng hàn thường nằm cố định ngoài robot và nằm trên đường nối tâm hai bánh của robot. Với tính chất bánh không trượt trên mặt phẳng nên robot hai bánh không thể chuyển dịch trực tiếp theo hướng trục của 2 bánh robot do đó sai số theo hướng này hội tụ khá chậm theo hướng góc của robot hai bánh việc này làm cho sự di chuyển điểm hàn của súng hàn hội tụ theo hướng này rất khó khăn và rất chậm. Để mở rộng không gian làm việc của robot hàn và khắc phục nhược điểm của robot hàn 2 bánh và nhanh chóng giúp cho điểm hàn của súng hội tụ nhanh theo các đường hàn cho trước một cách dễ dàng, chúng ta kết hợp hai ưu điểm của robot tay máy và robot hai bánh để tạo ra hệ thống di chuyển súng hàn robot hai bánh – tay máy. Vì vậy, trong luận văn này tác giả phát triển mô hình hình robot hai bánh kết hợp tay máy Scara và thiết lập kết hợp luật điều khiển phân tán kết hợp giữa robot hai bánh và tay máy scara để điều khiển điểm hàn của súng hàn trên mặt phẳng có đáp ứng nhanh trong việc hội tụ các sai số và thỏa mãn cho việc mở rộng không gian làm việc của tay máy. Trong mô hình này thì tay máy Scara được gắn cứng trên tâm của robot hai bánh. Tay máy Scara robot mang theo súng hàn. Một luật điều khiển phi tuyến phân tán được xem xét và triển khai cho tay máy và robot hai bánh để di chuyển điểm 9 hàn của súng hàn bám theo đường hàn cong trơn cho trước với vận tốc không đổi (được cài đặt tùy theo mỗi chế độ hàn). Bằng việc kết hợp với vận tốc di chuyển của robot hai bánh, lợi dụng tính đáp ứng nhanh của tay máy Scara sẽ di chuyển súng hàn dọc theo đường hàn cho trước với vận tốc không đổi. Thân robot hai bánh sẽ di chuyển theo khuynh hướng làm cho tay máy trở về vị trí thoải mái nhất (vị trí này được lựa chọn trước và có khả năng dự trữ vùng làm việc của tay máy Scara robot tốt nhất). Dựa trên khuynh hướng giúp tay máy trở về vị trí tốt nhất, một luật điều khiển phi tuyến được triển khai cho robot hai bánh kết hợp với các biến chuyển động của tay máy (là thân đế của tay máy) để robot hai bánh này mang hệ thống hoàn thành nhiệm vụ đề ra là di chuyển điểm làm việc của súng hàn dọc theo đường hàn với vận tốc không đổi và có góc tiếp tuyến với đường hàn một góc cố định. Hình 0.1. Mô hình cơ khí robot hai bánh kết hợp tay máy mang súng hàn. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về lịch sử phát triển robot. 10 Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp. Karel Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch và nặng nhọc. Hình 1.1. Những ý tưởng về robot đầu tiên trong vở kịch của Karel Capex. Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực và năm 1996 hãng Boston Dynamics cũng đã chế tạo thành công robot 4 chân sử dụng thủy lực di chuyển với tốc độ khá cao 5km/giờ như hình 1.2. [...]... điều khiển phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link trong hình 3.1 được dựa trên ý tưởng như sau: luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robot hai bánh được thiết kế độc lập và dựa trên các điều kiện “bắt tay giữa hai hệ thống độc lập này nhằm đạt được mục đích của hệ thống robot hàn kết hợp Luật điều khiển thứ 1 cho tay máy Scara... thay thế bằng táy máy Scara Thuật toán điều khiển cho robot hàn kết hợp Việc triển khai thuật toán điều khiển cho robot hai bánh kết hợp tay máy có thể được triển khai theo hai phương án: • Coi robot hai bánh và tay máy Scarra là một hệ thống nhất và thiết lập mô hình toán cho hệ thống này sau đó triển khai luật điều khiển cho hệ thống • Có thể xem hệ thống robot hàn trên gồm hai thành phần mô hình... robot hai bánh cho hệ thống robot hàn trên Hệ thống robot hàn trên được phân tích trong hệ trục tọa độ chuẩn, dựa trên mô hình này chương kế tiếp sẽ triển khai thử nghiệm luật điều khiển phân tán cho thân robot và tay máy thông qua điều kiện phối hợp nhằm điều khiển điểm hàn của súng hàn thỏa điều kiện hàn và cánh tay robot luôn ở vị trí tốt nhất 2.1 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống robot hai bánh kết. .. đường hàn tiếp theo (mô tả giống trong hình 3.1) 3.3 Đặt vấn đề lựa chọn luật điều khiển cho robot hàn Để giải quyết vấn đề điều khiển cho robot hai bánh kết hợp tay máy Scara mang súng hàn, việc triển khai luật điều khiển có thể triển khai theo hai hướng sau: • Coi robot hai bánh và tay máy Scarra là một hệ thống nhất và thiết lập mô hình toán cho hệ thống này sau đó triển khai luật điều khiển cho hệ thống. .. số nhằm giúp hai luật bắt tay nhau tốt hơn trước khi triển khai thực nghiệm Vì vậy trong luận văn này ta sẽ chọn phương án hai để triển khai luật điều khiển cho robot hai bánh kết hợp tay máy Scara Chương 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY 21 Như ở chương một đã trình bày, robot hai bánh kết hợp với cánh tay robot Scara kết hợp tạo thành hệ thống robot hàn Đặc biệt... TAY MÁY 3.1 Tóm tắt về triển khai ứng dụng luật điều khiển phân tán cho robot hàn kết hợp giữa thân robot hai bánh và tay máy Scara mang súng hàn 33 Nhận thấy trong quá trình hàn, điểm hàn di chuyển rất chậm dọc theo mối hàn trung bình trong khoảng 4~7,5mm/s, do đó ý tưởng áp dụng luật điều khiển phân tán cho robot hàn kết hợp được thực hiện trong chương này, việc triển khai và ứng dụng luật điều khiển. .. điểm gốc của tay máy được di chuyển do hai bánh xe chủ động của thân robot hai bánh (vì gốc của tay máy gắn trên thân robot hai bánh) và thông tin nhận được sai số của “điểm điều khiển của súng hàn và “điểm tham chiếu” thu được từ cảm biến (tourch sensor) gắn trên đầu cuối của link 3 của tay máy Scara, một luật điều khiển được thiết lập cho tay máy Scara để vị trí của “điểm điều khiển của súng hàn hay... với đường hàn với góc hàn và vận tốc dài dọc theo mối hàn luôn là hằng số trong suốt quá trình hàn Luật điều khiển thứ 2 cho thân robot hai bánh được thiết kế luật điều khiển cho hai bánh chủ động của thân robot di chuyển sao cho kết hợp với tay máy để đưa điểm gốc của tay máy về vị trí mà tay máy có độ dự trữ nhiều nhất hay còn gọi là “tư thế thoải mái nhất” cho tay máy Nhờ vào hai luật điều khiển này... tưởng ứng dụng luật điều khiển phân tán để điều khiển điểm làm việc của súng hàn bám theo đường hàn với vận tốc là hằng số trong suốt quá trình hàn Luật điều khiển phân tán được triển khai cho hai phần là robot hai bánh và tay máy Scara Trong chương này chúng ta sẽ xây dựng mô hình động học và động lực học của robot hai bánh và mô hình động học của tay máy Scara có điểm tâm gốc trùng với điểm tâm của robot. .. nghiệp đóng tàu (hàn dọc theo boong ke của tàu), với ý tưởng trên tác giả đưa ra mô hình robot hai bánh kết hợp tay máy Scara như trong hình 1.13 dưới Hình 1.13 Robot hai bánh kết hợp tay máy ứng dụng trong hàn Robot hai bánh mang tay máy Scara 3 bậc tự do và có tâm đế của tay máy trùng với tâm xoay của robot dự định ứng dụng vào lĩnh vực hàn các mối hàn ghép giữa mặt phẳng và vách dựng ứng Dựa vào tính . phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link dựa trên ý tưởng : luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robot hai bánh được. TP.HCM oOo LÊ VĂN MAI ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ. 29 2.5.2 Hệ quả có ích của bổ đề Barbalat Trang 31 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY 3.1