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 đã nghiên cứu triển khai và ứng dụng luật điều khiển phân tán chođiều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link dựatrên ý tưởng : luật điều khiển

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

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

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;

3 PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Ủy viên, phản biện;

5 PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ Ủy viên

Xác nh n c a Ch t ch H i đ ng đánh giá lu n v n và Tr ng Khoa qu n lýủa Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý ủa Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý ịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý ội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý ồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý ăn và Trưởng Khoa quản lý ưởng Khoa quản lý ản lýchuyên ngành sau khi lu n v n đã đ c s a ch a.ăn và Trưởng Khoa quản lý ược sửa chữa ửa chữa ữa

VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Sau thời gian làm việc và nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tìnhcủa Thầy TS Ngô Mạnh Dũng, luận văn đã hoàn thành kế hoạch yêu cầu đề ra

Luận văn đã nghiên cứu triển khai và ứng dụng luật điều khiển phân tán chođiều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link dựatrên ý tưởng : luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robothai bánh được thiết kế độc lập và dựa trên các điều kiện “bắt tay” giữa hai hệ thốngđộc lập này nhằm đạt được mục đích của hệ thống robot hàn kết hợp Tính hội tụcủa 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 môphỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab để thử nghiệm tính hội tụ của robothàn nói trên Cuối cùng luật điều khiển được triển khai tính hội tụ trên mô hìnhrobot thân 2 bánh kế hợp tay máy Scara có kích thước dài x rộng x cao (270mm x270mm cao 70mm tầm với của Scar robot là 350mm) điều khiển trên nền vi xử lýPIC18F cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm và lý thuyết theo đúng mục tiêuđặt 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, quiđịnh

TP.HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2013

Người viết cam đoan

Lê Văn Mai

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này tác giả đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫngiúp đỡ quý báu của nhiều người Lời đầu tiên xin chân thành gửi lời cảm ơnđến quý Thầy Cô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP Hồ Chí Minh vàđặc biệt là quý thầy cô Phòng Khoa học – Công nghệ, Quý thầy cô của khoaĐiện- Điện Tử Viễn Thông Xin cảm ơn phòng thí nghiệm của trường CaoĐẳng Nghề tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu và đặc biệt tác giả xin bày tỏ lỏng cảm ơnsâu 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 đượcchuyển hóa thành những ứng dụng thực tế để hoàn thiện mình hơn và giúp tácgiả trưởng thành và hiểu rõ hơn và qua đó phần nào đóng góp để xây dựng đấtnước ngày càng tốt đẹp

TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2013

Lê Văn Mai

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU Trang 5

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 111.3 Ưu và khuyết điểm của robot cánh tay Trang 121.4 Ưu và khuyết điểm của robot dạng bánh Trang 141.5 Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh Trang 16CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG ROBOT HAIBÁNH KẾT HỢP TAY MÁY

2.1 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy mang súnghàn Trang 20 2.2 Giải bài toán động học cho thân robot hai bánh Trang 242.3 Giải bài toán động lực học cho thân robot hai bánh Trang 262.4 Giải bài toán động học cho tay máy Scara Trang 282.5 Công cụ toán học Trang 292.5.1 Bổ đề Barbalat Trang 292.5.2 Hệ quả có ích của bổ đề Barbalat Trang 31CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾNPHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAIBÁNH KẾT HỢP TAY MÁY

3.1 Tóm tắt về triển khai ứng dụng luật điều khiển phân tán cho robot hàn kết hợpgiữa thân robot hai bánh và tay máy Scara mang súng hàn Trang 333.2 Giới thiệu về robot hàn ứng dụng trong công nghiệp Trang 353.3 Đặt vấn đề lựa chọn luật điều khiển cho robot hai bánh Trang 353.4 Tóm tắt lại mô hình toán của thân robot hai bánh và tay máy Scara Trang 363.5 Tính toán thiết kế luật điều khiển Trang 403.5.1 Thiết kế luật điều khiển bằng mô hình động học cho tay máy Trang 413.5.2 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 473.5.3 Chứng minh sự hội tụ của bộ điều khiển u Trang 52CHƯƠNG 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 554.2 Mô phỏng robot hai bánh kết hợp tay máy scara Trang 594.3 Kết quả mô phỏng Trang 614.4 Kết luận Trang 66CHƯƠNG V: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 2 BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY MANG SÚNG HÀN CÓ ĐIỂM HÀN BÁM THEO ĐƯỜNG HÀN VỚI VẬN TỐCKHÔNG ĐỔI

5.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Trang 675.2 Thiết kế và thực hiện phần cơ khí hệ thống .Trang 705.3 Giới thiệu sơ lược về các chuẩn sử dụng trong điều khiển hệ thống robot haibánh kết hợp tay máy Trang 735.3.1 Sơ lược về chuẩn giao tiếp SPI Trang 735.3.2 SPI trong vi điều khiển Pic Trang 755.3.3 Mạch giao tiếp SPI trong robot Trang 775.4 Tổng quan về vi điều khiển PIC Trang 785.4.1 Vi điều khiển Pic 16F887 Trang 785.4.2 Vi điều khiển Pic 18F4431 Trang 805.5 Thiết kế các mạch điện tử cho robot điều khiển kết hợp tay máy và thân robothai bánh Trang 815.5.1 Mạch CPU trung tâm điều khiển Trang 815.5.2 Mạch điều khiển DC cho 2 bánh chủ động của thân robot Trang 865.5.3 Mạch điều khiển động cơ cho các khớp của tay máy Trang 895.5.4 Sơ đồ cung cấp điện tổng thể và sơ đố kết nối tín hiệu điều Trang 91

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ6.1 Kết luận và đánh giá Trang 936.2 Hướng phát triển của đề tài Trang 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 94PHỤ LỤC Trang 97

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, robot hàn được sử dụng rộng rãi để nâng cao chất lượng mối hàn

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 máyrobot dạng tay máy Puma và tay máy Scara Với đặc điểm của loại tay máy này cóđáp ứng nhanh vươn tới các điểm làm việc của tay máy, vì có đặc điểm giống cánhtay con người Tuy nhiên, các tay máy này thường được gắn cứng vào đế và các đếcủa tay máy robot thường gắn cố định so với mặt đất nên không gian làm việc củarobot 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 kháchậm trung bình vận tốc hàn khoảng 7mm/s, do đó để mở rộng không gian làm việccho robot hàn trong các vùng không gian rộng như trong công nghiệp đóng tàu (hàndọc 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 thìđiểm tâm của robot hai bánh có khả năng di chuyển tới mọi điểm trên mặt phẳngcần hàn và đáp ứng được góc hàn theo yêu cầu Tuy nhiên, trong ứng dụng hàn thìđiểm hàn thông thường không nằm trùng với tâm của robot hai bánh và điểm hàncủa súng hàn thường nằm cố định ngoài robot và nằm trên đường nối tâm hai bánhcủa robot Với tính chất bánh không trượt trên mặt phẳng nên robot hai bánh khôngthể chuyển dịch trực tiếp theo hướng trục của 2 bánh robot do đó sai số theo hướngnày hội tụ khá chậm theo hướng góc của robot hai bánh việc này làm cho sự dichuyển 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 điểmcủa robot hàn 2 bánh và nhanh chóng giúp cho điểm hàn của súng hội tụ nhanh theocác đường hàn cho trước một cách dễ dàng, chúng ta kết hợp hai ưu điểm của robottay 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 kếthợp tay máy Scara và thiết lập kết hợp luật điều khiển phân tán kết hợp giữa robothai bánh và tay máy scara để điều khiển điểm hàn của súng hàn trên mặt phẳng cóđáp ứng nhanh trong việc hội tụ các sai số và thỏa mãn cho việc mở rộng khônggian làm việc của tay máy

Trong mô hình này thì tay máy Scara được gắn cứng trên tâm của robot haibánh Tay máy Scara robot mang theo súng hàn Một luật điều khiển phi tuyến phântán được xem xét và triển khai cho tay máy và robot hai bánh để di chuyển điểmhàn 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 củarobot hai bánh, lợi dụng tính đáp ứng nhanh của tay máy Scara sẽ di chuyển súnghàn dọc theo đường hàn cho trước với vận tốc không đổi Thân robot hai bánh sẽ dichuyển theo khuynh hướng làm cho tay máy trở về vị trí thoải mái nhất (vị trí nàyđược lựa chọn trước và có khả năng dự trữ vùng làm việc của tay máy Scara robottốt nhất) Dựa trên khuynh hướng giúp tay máy trở về vị trí tốt nhất, một luật điềukhiển phi tuyến được triển khai cho robot hai bánh kết hợp với các biến chuyểnđộng của tay máy (là thân đế của tay máy) để robot hai bánh này mang hệ thốnghoàn thành nhiệm vụ đề ra là di chuyển điểm làm việc của súng hàn dọc theo đườnghàn 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.

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởngsản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922trong 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 - theotiếng 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 dụngtrong công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứuGoertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùngnăm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động lànhững động cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tụcchế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tácđộng lên khâu cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng GeneralMills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển Năm 1968R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốnchân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suấtgắn 100 mã lực và năm 1996 hãng Boston Dynamics cũng đã chế tạo thành côngrobot 4 chân sử dụng thủy lực di chuyển với tốc độ khá cao 5km/giờ như hình 1.2

Hình 1.2 Robot 4 chân được phát triển và nghiên cứu bởi hãng Boston Dynamics.

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạtđược vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1được điều khiển từ trái đất (hình 1.3)

Hình 1.3 Xe tự hành thám hiểm mặt trăn và Trưởng Khoa quản lýng (1970) Lunokohod 1

Ngoài ra, viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đãthiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điềukhiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.4) Robotnày được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường điđến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng

Hình 1.4 Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera.Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Côngnghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kếrobot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phátminh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình Joseph Engelberger, người

mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãngUnimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển nhữngthế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1962, robot Unmation đầu tiênđược đưa vào sử dụng tại hãng General Motors

Năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàuthám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trênsao Hoả (hình 1.5) và đây cũng là cũng là điểm nhấn để mở ra thời ký ứng dụng taymáy trong công nghiệp được mở rộng trong ứng dụng ngày càng nhiều

Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạngcủa “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy.Tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot Trên hình 1.6trình bày một robot công nghiệp được lập trình phục vụ theo mục đích côngnghiệp cơ khí khác xa với robot R2D2, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợiích to lớn

Hình 1.5 Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1

Hình 1.6 Robot Scara được ứng dụng trong công nghiệp

Lịch sử ra đời của robot gắn liền với sự khao khát sáng tạo của con người,mong muốn có một thiết bị máy móc hoạt động thay thế cho con người nhằm giảiphóng sức lao động và đảm trách những công việc nguy hiểm, độc hại…

Cho dù trong cả thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay thì định nghĩa chínhxác robot vẫn là một vấn đề bàn luận Những thành tựu vượt bậc về khoa học kỹthuật đã tạo ra những cơ cấu cơ khí hoạt động giống như con người, nó đã thay thếcông việc cho con người ở những môi trường nguy hiểm, độc hại, nặng nhọc… Các

cơ cấu này làm việc một cách tự động hóa, liên tục và không cần suy nghĩ Nhữngtính năng này dường như khá phổ biến và có thể ở bất cứ thiết bị hiện đại nào Đây

là định nghĩa được mọi người thường nghĩ đến về robot

Gần một thế kỷ tiếp theo, robot đã liên tục được phát triển nhờ sự đóng gópbởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot

1.2 Những ứng dụng điển hình hiện nay của robot

Ngày nay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp.Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Mộttrong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt

độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớnvới nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việctrong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngànhcông nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làmviệc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, vàxưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ.

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robotnhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyểnkhắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cầnhàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước(hình1.7, fanucrobotics.com)

Hình 1.7 Robot hàm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của conngười, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot Ngoài ra, con ngườiphải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơnlành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và

có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp Điều đó thểhiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũngnhư cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại Tất cảrobot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun vàdịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi robot thực hiệncông việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó Nhưthế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫnhướng cho chúng Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng

‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khácnữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắnkính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung

gian Ở mục sau, ba ứng dụng của robot trong công nghiệp được khảo sát ở cácgiai đoạn nghiên cứu khác nhau.

1.3 Ưu và khuyết điểm của robot cánh tay.

Thuật ngữ “tay máy” hay “robot cánh tay” ở đây ta hiểu tay máy là mộtdạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tayngười Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết

kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâuđộng Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động haycòn gọi là các trục

Thông thường dạng của tay máy robot là dạng tay máy Puma và tay máyScara Robot Puma (Programmable Universal Machine for Assembly, orProgrammable Universal Manipulation Arm) là một cánh tay robot công nghiệpđược phát triển bởi Victor Scheinman tại Đại học Stanford năm 1972 Robot Puma

có thể hoạt động theo theo các trục X-Y-Z, nên khâu cuối (End-efactor) rất linh hoạt

và nhanh chóng đạt được các yêu cầu về vị trí và góc xoay với thao tác gần gốngtay người nên rất mềm dẻo và linh động trong vùng không gian hoạt động của nó

Hình 1.8 Robot Puma của Unimate và ABB

Robot Scara ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản)

là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Tên gọiScara là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot Arm” – Tay máy mềmdẻo tùy ý Cánh tay của nó là cứng nhắc ở trên trục-Z và mềm dẻo trên trục XY.Loại robot này thường dựng trong công việc lắp rắp nên Scara đôi khi được giảithích là từ viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” Ba khớp đầutiên của kiểu robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳngđứng Với cấu trúc này tay máy Scara loại bỏ được phần lớn của yếu tố trọng lực tác

động lên tay máy Tác động này gây khó khăn trong việc thiết kế chế tạo và điềukhiển tay máy

Hình 1.9 Robot Scara của Toshiba và Epson

Với đặc điểm của các loại tay máy này đáp ứng rất nhanh vươn tới các điểmlàm việc của tay máy, vì có cấu trúc vững chắc giống cánh tay con người làm việctrong mặt phẳng ngang

Tuy nhiên, hạn chế lớn nất của các tay máy là khâu đế của tay máy thườngđược gắn cứng vào hệ qui chiếu mặt đất nên vùng làm việc bị giới hạn trong khônggian hẹp Không gian làm việc của tay máy kiểu này phụ thuộc chủ yếu vào kíchthước của tay máy

1.4 Ưu và khuyết điểm của robot dạng bánh.

Robot di chuyển dạng bánh nói chung bao gồm robot hai bánh, robot nhiềubánh, robot bánh xích, robot bánh tròn, được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến trongviệc mở rộng tầm hoạt động hay còn gọi là vùng không gian làm việc của robot.Đặc biệt robot này được ứng dụng nhiều trong quân đội và trong việc dò tìm các lỗitrong các đường ống hoặc đường hầm như trong hình 1.10

Hình 1.10 Robot ứng dụng trong quân đội và robot quan sát đường ống.Robot hai bánh có ưu điểm là tầm hoạt động rộng trên mặt phẳng hoặc congtrơn liên tục, về tính đáp ứng vị trí và góc theo yêu cầu thì tâm điểm của robot cótính đáp ứng khá nhanh và thuận tiện Mặt khác, nếu chúng ta điều khiển một điểm

nào đó gắn cứng trên thân robot hai bánh mà điểm này không trùng với điểm tâmthì tính đáp ứng về vị trí và góc có nhiều giới hạn về tốc độ Ví dụ: ví lý do gì đócho phù hợp với thiết kế như là điểm công tác không thể nằm trùng với tâm xoayrobot như là công việc hàn, chúng ta không thể hàn dưới gầm robot do đó chúng taphải di dời điểm hàn sang bên hông của robot Lúc đó điểm làm việc “weldingpoint” sẽ có nhiều giới hạn về tính đáp ứng khi tiếp cận mục tiêu Chúng ta cũng cóthể nhận thấy điều này trong phần nghiên cứu về robot hàn 2 bánh hình 1.11 dưới.Khi sai số cần giảm về vị trí nằm trên ngay trục nối giữa hai bánh của robot Vì nếumuốn giảm sai số trên trục ngang thì robot phải xoay hướng di chuyển lúc này dođiểm làm việc không trùng với tâm xoay nên vị trí của điểm làm việc lại bị thay đổilớn không thỏa mãn về vị trí, do đó robot hai bánh phải từ từ và nhiều lần tới lui đểtiếp cận mục tiêu do đó tính đáp ứng sẽ bị hạn chế trong một số ứng dụng

Hệ thống nạp dây hàn Hộp điều

khiển WMP

Hệ thống nguồn và khí hàn

-+

1

5 2

4 3

WMR

Hình 1.11 Robot hàn 2 bánh với tâm xoay không trùng với điểm hàn

1.5 Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh.

Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh được các nhà khoa học nghĩtới từ lâu vì trên sự phối hợp này mang lại tính năng và hiệu quả của robot gầngiống với tính năng của một con người với đôi chân và cánh tay linh hoạt Ý tưởngnày đã được triển khai trong quân đội với ý tưởng robot rà phá bom mìn hình 1.12

Hình 1.12 Robot bánh xích kết hợp tay máy để rà phá bom mìn

Tiếp nối ý tưởng trên, kết hợp sự linh động của robot hai bánh, tính linh hoạt

và vững chắc của Scara robot tác giả muốn mở rộng không gian làm việc của robothàn cho các vùng không gian rộng như trong công nghiệp đóng tàu (hàn dọc theoboong ke của tàu), với ý tưởng trên tác giả đưa ra mô hình robot hai bánh kết hợptay 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 máytrùng với tâm xoay của robot dự định ứng dụng vào lĩnh vực hàn các mối hàn ghépgiữa mặt phẳng và vách dựng đứng Dựa vào tính linh hoạt của tay máy, súng hànđược gắn cố định vào điểm cuối của link 3 Đồng thời trên link 3 cũng mang một bộphận cảm biến để dò tìm sai số khoảng cách và sai số góc tiếp cận với thành tườnghàn

Dựa trên sai số thu thập được từ cảm biến, kết hợp với thông tin di chuyển từphần thân robot hai bánh, tay máy nhanh chóng đưa điểm hàn “welding point” vàođúng vị trí và tư thế yêu cầu và với vận tốc hàn dọc theo tiếp tuyến của mối hàn vớivận tốc không đổi (là hằng số được thiết lập trước)

Nếu robot hai bánh đứng yên, tay máy sẽ nhanh chóng vượt quá tầm làmviệc của mình trong thời gian ngắn Vì vậy tác phối hợp với thân di chuyển đượcbằng robot hai bánh và thân này di chuyển với một luật điều khiển dựa trên cácchuyển động của các khớp tay máy kết hợp với vị trí hiện tại của các khớp này đểtính toán tốc độ điều khiển cho 2 bánh của robot hai bánh nhằm di chuyển sao chotay máy phục hồi lại chế độ dự trữ vùng làm việc lớn nhất có nghĩa là robot haibánh di chuyển sao cho tay máy ở vị trí thoải mái nhất được lựa chọn bởi người lậptrình

Vì tốc độ di chuyển của điểm hàn khá nhỏ 7mm/ giây dọc theo tiếp tuyến củamối hàn nên việc kết hợp của hai luật điều khiển độc lập dựa trên thông số hiện tại

của các đối tượng đối nhau trong trường hợp này dự đoán với khả năng thành côngcủa ứng dụng trên là rất cao và hi vọng sau khi triển khai mô hình thành công, ứngdụng này sẽ được ứng dụng rộng trong lĩnh vực hàn công nghiệp cho những loạimối hàn có chiều dài trải rộng trên mặt phẳng cong trơn.

Hệ thống nạp dây hàn Hộp điều

khiển WMP

Hệ thống nguồn và khí hàn

-+

1

5 2

4 3

WMR

Hình 1.14 Robot hàn với đầu hàn (5) gắn cứng vào thân robot 2 bánh

Hình 1.15 Với ý tưởng thay thế phần gắn cứng điểm hàn vào thân robot được 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 cóthể được triển khai theo hai phương án:

 Coi robot hai bánh và tay máy Scarra là một hệ thống nhất và thiết lập môhình 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 toántách biệt là thân robot hai bánh và tay máy Scara sau đó triển khai luậtđiều khiển cho từng thành phần với điều kiện bắt tay nhau để hoàn thànhnhiệm vụ (decentralizie control methode)

Với phương án thứ nhất thì luật điều khiển cho hệ thống tính hội tụ cao đảmbảo và thực thi nhiệu vụ đạt trạng thái xác lập nhanh, không xảy ra hiện tượng cộnghưởng Tuy nhiên, việc coi hệ thống trên là một nên việc triển khai mô hình toán sẽphức tạp.

Phương án hai có nhiều điểm thuận lợi là mô hình toán đơn giản, dễ dàng tìmđược luật điều khiển cho từng thành phần của hệ thống, nhưng nếu không cẩn thậnthì điều kiện hội tụ của toàn hệ thống sẽ không được đảm bảo Trong ứng dụng điềukhiển tay súng hàn với tốc độ khá chậm nên việc phối hợp giữa hai luật điều khiển

sẽ dẽ dàng hơn và điều kiện này sẽ được thử mô phỏng trên phần mềm để tìm các

hệ số nhằm giúp hai luật bắt tay nhau tốt hơn trước khi triển khai thực nghiệm Vìvậy trong luận văn này ta sẽ chọn phương án hai để triển khai luật điều khiển chorobot hai bánh kết hợp tay máy Scara

Chương 2

THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG

ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY

Như ở chương một đã trình bày, robot hai bánh kết hợp với cánh tay robotScara kết hợp tạo thành hệ thống robot hàn Đặc biệt với ý tưởng ứng dụng luật điềukhiển phân tán để điều khiển điểm làm việc của súng hàn bám theo đường hàn vớivận tốc là hằng số trong suốt quá trình hàn Luật điều khiển phân tán được triển khaicho hai phần là robot hai bánh và tay máy Scara Trong chương này chúng ta sẽ xâydựng mô hình động học và động lực học của robot hai bánh và mô hình động họccủa tay máy Scara có điểm tâm gốc trùng với điểm tâm của robot hai bánh cho hệthống robot hàn trên Hệ thống robot hàn trên được phân tích trong hệ trục tọa độchuẩn, dựa trên mô hình này chương kế tiếp sẽ triển khai thử nghiệm luật điều khiểnphân tán cho thân robot và tay máy thông qua điều kiện phối hợp nhằm điều khiểnđiểm 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 hợp tay máy mang súng hàn.

Mô hình hóa của tay máy di động (có gốc gắn cứng trên điểm tâm của robot hai bánh) trong hệ trục tọa độ chuẩn

Phương trình động học và phương trình động lực học của tay máy diđộng trong hệ trục tọa độ chuẩn được xem xét dưới điều kiện những liên kết phiholonomic (nonholonomic) Tay máy trong hình 2.1 có điểm chân đế di độngđược mô hình hóa theo những giả thuyết sau:

o Bán kính cong của đường cong tham chiếu (hay đường hàn) phải lớnhơn bán kính quay của robot hàn

o Thân robot hai bánh có hai bánh dẫn động để di chuyển và vị trí của cặpbánh dẫn động nằm trên trục qua tâm của robot

o Bánh bị động được lắp ở phía trước bên dưới của thân để cân bằng chorobot và khi robot di chuyển có thể bỏ qua động lực học

o Trọng tâm và tâm quay của robot được xem như trùng nhau

o Bánh xe robot di chuyển lăn không trượt

o Hình dáng tay máy Scara được bảo toàn khi hoạt động

x

X Y

Hình 2.1 Robot hàn trong hệ trục tọa độ chuẩn

Hình 2.2 Hình chụp Robot hàn hai bánh mang tay máy Scara

 Các thông số cơ bản trong hệ tọa độ của robot hàn:

xoy : Toạ độ gắn cố định vào xe robot hai bánh- Hệ toạ độ di chuyển

P : Điểm tâm của robot hai bánh

R : Điểm hàn hay còn gọi điểm tham chiếu di chuyển trên đường hàn

C : Tâm khối lượng của robot hai bánh

1

J : Điểm gốc của tay máy Scara trùng điểm P

E : Điểm làm việc của tay máy (hay còn gọi là điểm hàn)

q : Vectơ toạ độ tổng quát

h : Khoảng cách giữa điểm trung tâm của robot hai bánh

và điểm tâm khối lượng của tay máy [ ]m

i

L : Chiều dài khâu thứ i của tay máy [ ]m

r : Bán kính của bánh xe [ ]m

d :Khoảng cách giữa điểm trung tâm P và tâm khối lượng C của robot

hai bánh [ ]m P

 : Góc của robot hai bánh (góc của trục ox và trục OX) [rad]

I :Momen quán tính của thân theo trục đứng qua tâm

khối lượng robot [kgm2]

 : Vận tốc góc của khớp thứ i của tay máy [rad s/ ]

 : Vectơ momen ngõ vào điều khiển cho robot hai bánh [kgm]

rw

 ,lw: Momen tác động lên bánh trái và bánh phải [kgm]

( )

M q : Ma trận quán tính xác định dương đối xứng

: Ma trận lực Coriolis và lực hướng tâm

u : Vectơ điều khiển

2.2 Giải bài toán động học cho thân robot hai bánh

Trong cơ học lý thuyết, liên kết được định nghĩa như sau: Liên kết là điều

kiện ràng buộc chuyển động của hệ, không phụ thuộc vào lực tác dụng lên nó và các điều kiện đầu của chuyển động.

Những điều kiện ràng buộc này được diễn tả dưới dạng những hệ thức xácđịnh những yếu tố xác định vị trí, vận tốc của những chất điểm phụ thuộc vào hệ vàthời gian, những hệ này được gọi là những phương trình liên kết:

phương trình liên kết có những yếu tố vận tốc của chuyển động mà không thể tíchphân được trực tiếp phương trình liên kết, thì liên kết được gọi là liên kết phiholonom Liên kết này ràng buộc vận tốc của các chất điểm thuộc cơ hệ, nhưng nólại không ràng buộc trực tiếp vị trí của các chất điểm thuộc cơ hệ với nhau Vì vậy,người ta còn gọi liên liên kết phi holonom là liên kết động học Tính chất holonomhay phi holonom có ảnh hưởng quan trọng đến cách lập phương trình vi phân của

hệ

Xét một hệ thống robot có cấu hình không gian n chiều với vector tọa độ

tổng quát q ( , , )q1 q n và những đối tượng liên kết m được biểu diễn bởi công thức

sau:

với A(q) Rm n 

 ma trận liên hệ với những liên kết phi holonom

Phương trình động học dưới những liên kết phi holonom có thể được suy ranhư sau:

từ (1.4) và (1.5), n  và 3 m  ; vectơ vận tốc ở (1.3) được xác định như sau:1

ma trận J(q) được viết lại như sau:

v Y

Trong đó : v p,plà vận tốc dài và vận tốc góc của robot hai bánh trong hệtrục tọa độ di chuyển

Quan hệ giữa v p,p và vận tốc góc của bánh xe trái và bánh xe phải được

mô tả qua công thức sau:

p rw

p lw

2.3 Giải bài toán động lực học cho thân robot hai bánh.

Khi phân loại một hệ động lực, người ta thường dựa vào tiêu chuẩn là nhữngliên kết Một hệ động lực còn gọi là hệ holonom khi và chỉ khi mọi liên kết trong cơ

hệ đều là liên kết holonom Ngược lại, nếu có lớn hơn một liên kết nào đó là phiholonom thì hệ được gọi là nonholonomic

Phương trình động lực học của hệ thống cơ khí dưới những liên kết phiholonom ở (1.2) được biểu diễn bằng công thức Euler-Lagrange như sau: (thamkhảoYang and Kim, 1999):

(q)λ A B(q)τ q

) q V(q, q

được phương trình động lực học thân của robot hai bánh với những liên kết phiholonom ở (1.2) như sau: (Yang and Kim, 1999):

Bτ J z J) V J (M J z J M



(J B) J MJ R (q)

m) (n n T

z) (q,

Nếu chúng ta giả định vectơ nhiễu chủ yếu liên quan đến ma trận M (q) vàđược thể hiện như sau:

(q)f M

điểm E tới điểm P và I là mô men quán tính; f là giá trị chặn trên của nhiễu, ta

có các ma trận như sau:

2 1

2

0

2 0 2

c

r

m p b r

m D b

r I

mb b r

I mb b

r I

I mb b r

)(

4)(

4

)(

4)

(4

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

2 2

f : là giá trị chặn trên của nhiễu

2.4 Giải bài toán động học cho tay máy Scara.

Một tay máy ba liên kết như hình 2.1 Một hệ tọa độ vuông góc được gắn cốđịnh vào xe robot hai bánh (hệxoy) được ký hiệu là hệ 1, ngay tại khớp J1 của taymáy và trùng với điểm trung tâm xoay của robot hai bánh Cả hệ thống xe robot vàtay máy chuyển động trong hệ cố định (hệ XOY ) được ký hiệu là hệ 0 Vận tốc củađiểm làm việc của tay máy E x y  E E E trong hệ trục tọa độ di chuyển (hệ trục tọa

độ gắn chặt lên robot hai bánh ký hiệu là hệ 1) được xác định bởi phương trình:

là chiều dài của các khâu của tay máy.

Vận tốc của điểm làm việc của tay máy E X E Y E E là

bổ đề Barbalat

2.5.1 Bổ đề Barbalat.

Bổ đề Barbalat là một kết quả toán học đề cập đến tính chất tiệm cận của cáchàm vô hướng Nó được ứng dụng trong điều khiển bởi Popov vào năm 1976 Bổ đềBarbalat được phát biểu như sau:

 Bổ đề 1 (Bổ đề Barbalat): Nếu một hàm số thực f(t) liên tục đồng nhất với

mọi t  0, và giới hạn của tích phân

f (t) không phải là đơn điệu

Hình 2.3 Ý nghĩa hình học của bổ đề Barbalat

 Bổ đề 2 ( Định lý liên tục thuần nhất): Hàm g(t) là liên tục thuần nhất nếu

đạo hàm của nó g(t) bị giới hạn Kết quả của hàm liên tục và bị giới hạn làliên tục thuần nhất

Ý nghĩa trực quan của bổ đề này đã rõ: Một hàm với đường bao dốc là phẳng

và kết quả của hai hàm phẳng và hàm bao dốc phải là phẳng

2.5.2 Hệ quả có ích của bổ đề Barbalat.

Thường rất bất tiện khi dùng bổ đề Barbalat để thiết kế điều khiển Hệ quảdưới đây của Barbalat tiện lợi hơn nhiều bởi vì nó cho phép chúng ta sử dụng các

bước thiết kế tương tự với các bước của phương pháp trực tiếp Lyalunov Hệ quảnày đủ để giải quyết cho hầu hết các bài toán bằng bổ đề Barbalat.

 Hệ quả 2.1: ( Giống như Lyapunov) : Nếu một hàm thực V(t) (t>0) thỏa các

điều kiện sau:

Hình 2.4 Hàm phẳng giảm và không âm

Điều kiện dường như không cần thiết của liên tục thuần nhất nhưng lại là cần

thiết để rút ra kết luận hội tụ, như phản ánh trong hình 2.4 Hàm V trong hình 2.5a là

không âm và đạo hàm của nó như trong hình 2.5b lại là không dương, nhưng đườngdốc V không hội tụ về không Điều này xảy ra bởi vì V là không liên tục thuầnnhất, chẳng hạn như không trơn phẳng

Hình 2.5 Một hàm với đạo hàm là không liên tục thuần nhất.

 Hệ quả 2.2:(Trong một số trường hợp, hệ quả dưới đây của bổ đề Barbalat

 < ; và f2 là liên tục thuần nhất, thì f(t)  0 khi t  

Hệ quả này có thể được chứng minh bằng cách xem f2 như hàm f trong bổ đềBarbalat

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.

Nhận thấy trong quá trình hàn, điểm hàn di chuyển rất chậm dọc theo mốihàn trung bình trong khoảng 4~7,5mm/s, do đó ý tưởng áp dụng luật điều khiểnphân tán cho robot hàn kết hợp được thực hiện trong chương này, việc triển khai vàứng dụng luật điều khiển phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot 2bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link trong hình 3.1 được dựa trên ý tưởng nhưsau: luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robot hai bánhđược thiết kế độc lập và dựa trên các điều kiện “bắt tay” giữa hai hệ thống độc lậpnày nhằm đạt được mục đích của hệ thống robot hàn kết hợp

Luật điều khiển thứ 1 cho tay máy Scara được thiết kế với ý tưởng như sau:Dựa trên thông tin điểm gốc của tay máy được di chuyển do hai bánh xe chủ độngcủa thân robot hai bánh (vì gốc của tay máy gắn trên thân robot hai bánh) và thôngtin nhận được sai số của “điểm điều khiển của súng hàn” và “điểm tham chiếu” thuđược 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 khiểncủa súng hàn hay còn gọi là điểm làm việc” này luôn tiếp xúc với đường hàn vớigóc 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 khiểncho hai bánh chủ động của thân robot di chuyển sao cho kết hợp với tay máy để đưađiểm 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 phối hợp vớinhau mà robot hàn có khả năng hàn trên đường hàn dài

Tính hội tụ của từng bộ điều khiển đã được chứng minh dựa trên tiêu chuẩnhội tụ Lyapunov, và khả năng phối hợp giữa hai luật điều khiển được kiểm chứngthông 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 đúngmục tiêu đặt ra, việc này cho thấy tính đúng đắn và khả thi của bộ điều khiển này

Hệ thống nạp dây hàn Hộp điều

khiển WMP

Hệ thống nguồn và khí hàn

-+

1

5 2

4 3

WMR

(1) Tay máy Scara mang súng hàn và hệ thống cảm biến tourch sensor

(2) Súng hàn; (3) và (4) động cơ điều khiển thân robot 2 bánh

(5) điểm hàn hay còn gọi là điểm làm việc

Hình 3.1 Hình chiếu cạnh và đứng của mô hình robot hàn kết hợp giữarobot hai bánh và tay máy Scara sử dụng cho việc triển khai luật điều khiển

3.2 Giới thiệu về robot hàn ứng dụng trong công nghiệp

Đất nước ta đang từng bước hình thành nền công nghiệp hóa – hiện đại hóa,đòi hỏi trong mỗi công việc phải mang tính chuyên nghiệp Trong ngành côngnghiệp ô tô, chất lượng mối hàn rất quan trọng Để đạt được chất lượng mối hàn tốtthì một trong những yếu tố quan trọng là phải kiểm soát được tốc độ di chuyển củađiểm hàn và góc tiếp xúc hàn Khi hàn thì tia bức xạ và khói hàn sẽ rất độc hại chocon người do đó sẽ làm cho thợ hàn dẽ bị mệt mỏi và gây mất tập trung trong việchàn làm ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn Ý tưởng sử dụng robot hàn thay thếcho nhân công đã được nhiều ngành công nghiệp ứng dụng Và phát triển mạnh chonhững ứng dụng hàn 3D trong vùng làm việc nhỏ sử dụng tay máy Puma Tuy nhiênđối với những mối hàn trải dài và trên diện rộng thì việc áp dụng tay máy trên gặpnhiều khó khăn Ví dụ như trong ngành công nghiệp đóng tàu cần có những mối hàntrải dài trên diện tích phẳng rộng cho việc gia cố những gân sắt làm cứng thêm trênthép tấm Với mối hàn trên thì việc ứng dụng robot 2 bánh mang tay máy Scara là

một trong những ý tưởng rất tốt để bán thay thế cho nhân công hàn là rất phù hợp.lúc đó công nhân hàn chỉ cần set up cho robot hàn tại điểm đầu mối hàn và trongsuốt đường hàn thì robot hàn sẽ tự động tiếp cận mối hàn và luôn luôn giữ được cácthông số yêu cầu như tốc độ hàn, góc hàn đạt mục tiêu đề ra Sau khi kết thúc mốihàn thì robot tự động dừng và chờ công nhân giúp tiếp cận 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 Scaramang 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 môhình 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 toántách biệt là thân robot hai bánh và tay máy Scara sau đó triển khai luậtđiều khiển cho từng thành phần với điều kiện bắt tay nhau để hoàn thànhnhiệm vụ (decentralizie control methode)

Với hướng thứ nhất thì luật điều khiển cho hệ thống nên tính hội tụ đảm bảo

và thực thi nhiệu vụ đạt trạng thái xác lập nhanh Tuy nhiên, việc coi hệ thống trên

là một và triển khai mô hình toán sẽ khó hơn nhiều phương án hai

Phương án hai có nhiều điểm thuận lợi là mô hình toán đơn giản, dễ dàng tìmđược luật điều khiển cho từng thành phần của hệ thống, nhưng nếu không cẩn thậnthì điều kiện hội tụ của toàn hệ thống sẽ không được đảm bảo Trong ứng dụng điềukhiển tay súng hàn với tốc độ khá chậm nên việc phối hợp giữa hai luật điều khiển

sẽ dẽ dàng hơn và điều kiện này sẽ được thử mô phỏng trên phần mềm để tìm các

hệ số nhằm giúp hai luật bắt tay nhau tốt hơn trước khi triển khai thực nghiệm

3.4 Tóm tắt lại mô hình toán của thân robot hai bánh và tay máy Scara.

3.4.1 Mô hình toán của thân robot.

Nếu xem thân robot như sau (hình 2.1):

o Thân robot hai bánh có hai bánh dẫn động gắn trên 1 trục và trên tâmcủa trục này gắn đế tay máy Scara robot Bánh bị động được lắp để cânbằng cho robot di chuyển

o Bánh xe robot di chuyển lăn không trượt

o Vì tốc độ di chuyển của thân chậm cho ứng dụng hàn nên có thể bỏ quaảnh hưởng quán tính xoay Và đường hàn giả sử nằm trên mặt phẳng nên

có thể bỏ qua ảnh hưởng của trọng trường

Mô hình động học tâm Pcủa robot hai bánh được xác định như sau:

X

v Y

Quan hệ giữa v p,p và vận tốc góc của bánh xe trái và bánh xe phải được

mô tả qua công thức sau:

p rw

p lw

với b là khoảng cách giữa bánh xe và tâm robot hai bánh, r là bán kính của bánh xe.

Phương trình động lực học của thân robot hai bánh có xét đến nhiễu được viết lại như sau:

τ τ z ) q (q, V z (q)

 (n m)

Từ (3.3, 3.4 và 3.5) ta dễ dàng có mối liên hệ của giá trị chặn trên của nhiễuliên hệ với hệ thống như sau:

3.4.2 Mô hình toán của tay máy Scara

Một số qui ước trước khi thiết lập mô hình toán cho tay máy như sau:

xoy : Toạ độ gắn cố định vào xe robot hai bánh- Hệ toạ độ di chuyển

P : Điểm tâm của robot hai bánh

R : Điểm hàn hay còn gọi điểm tham chiếu di chuyển trên đường hàn

C : Tâm khối lượng của robot hai bánh

1

J : Điểm gốc của tay máy Scara trùng điểm P

E : Điểm làm việc của tay máy (hay còn gọi là điểm hàn)

q : Vectơ toạ độ tổng quát

Vận tốc của điểm làm việc của tay máy E x E y E E trong hệ trục tọa độ

di chuyển (xoy) được xác định bởi phương trình:

Với L 1 , L 2 , L 3 là chiều dài của các khâu của tay máy.

Trong hệ toạ độ gốc XOY vận tốc của điểm làm việc của tay máy được xácđịnh bởi phương pháp cộng vec tơ theo phương trình sau:

 V P XP YP 0T là vectơ vận tốc dài của điểm Ptrùng vớiJ1

 W P 0 0 PT là vectơ vận tốc góc của điểm P trong hệ XOY

1

Rot là ma trận quay chuyển đổi từ hệ xoyvề hệXOY

0 1

1 1 2 12 3 123 1

3.5 Tính toán thiết kế luật điều khiển.

Trong luận văn này hệ thống robot hàn trên được xem gồm hai thành phầntách biệt là thân robot hai bánh và tay máy Scara sau đó triển khai luật điều khiểncho từng thành phần với điều kiện bắt tay nhau để hoàn thành nhiệm vụ(decentralizie control methode) Với ý tưởng là điểm cuối làm việc của tay máy

(hay còn gọi là điểm hàn E) sẽ được so sánh với điểm tham chiếu R theo 3 tiêu chí chính như sau: sai số theo trục ox, sai số theo trục oy (trong hệ trục xoy di động gắnliền vào thân robot), và sai số góc tiếp cận hàn (hình 3.2) Các sai số này còn gọi làvectơ sai số e1, e2, e3T đây là sai số để thiết lập luật điều khiển cho tay máy Scarabắt tay với điều kiện di chuyển hiện tại của thân robot để giảm sai số e1, e2, e3T

này nhanh chóng về zero giúp cho điểm làm việc E hoàn thành tốt nhiệm vụ đeo bám theo điểm tham chiếu R

Tuy nhiên, khi di chuyển như vậy thì tay máy sẽ vươn ra làm giảm độ dự trữcủa tay máy, và nếu cứ tiếp tục vươn ra thì tay máy sẽ chạm vào vùng giới hạn vàkhông thể tiếp tục di chuyển được nữa (gọi là tay máy bị sigularity) Để hạn chếđiều này xảy ra thì chân đế tay máy được gắn trên thân robot hai bánh Và thânrobot hai bánh này di chuyển sao cho tay máy trở về trạng thái có độ dự trữ làm việctốt nhất Từ ý tưởng trên một vectơ sai số e4, e5, e6Tđược hình thành dựa trên so

sánh sai biệt giữa điểm làm việc lý tưởng của tay máy M và điểm làm việc hiện tại của tay máy E (hình 3.3) và luật điều khiển triển khai cho thân robot được hình

thành từ điều kiện làm cho sai số e4, e5, e6T này tiến về zero nhanh nhất có kếthợp với điều kiện bắt tay với tay máy Scara trên để không làm ảnh hưởng dao độnglớn tới vectơ sai số e1, e2, e3T

Trong luận văn này luật điều khiển cho từng thành phần được thiết kế trêntiêu chuẩn hội tụ của Lyapunov Tuy nhiên, các hệ số được chọn sao cho tổng thể

hệ thống có vectơ sai số e1, e2, e3, e4, e5, e6T tiến tới zero trong khoảng thời giannhanh nhất được thể hiện thông qua phần mềm mô phỏng trên MatLab được thực

hiện ở chương 4 của luận văn này Ngoài ra luật điều khiển được triển khai thửnghiệm trên mô hình demo cho thấy kết quả thực nghiệm gần giống với kết quả môphỏng và mong đợt của lý thuyết được trình bày trong chương 5 của luận văn này.

3.5.1 Thiết kế luật điều khiển bằng mô hình động học cho tay máy

Theo hình 3.2 thì nhiệm vụ của tay máy hàn là phải di chuyển sao cho điểm

làm việc E của tay máy bám theo quỹ đạo của đường hàn với tiêu chí sau:

 Tiêu chí thứ nhất: điểm E là điểm làm việc của tay máy phải di chuyển dọc

theo quỹ đạo hàn với vận tốc hàn không đổi trong suốt quá trình hàn (vận tốchàn dao động khoảng 7,5 mm/s) Nếu là đường hàn cong thì vận tốc hàn là

vận tốc theo phương tiếp tuyến với điểm hàn R như trong hình 3.2 Còn nếu

đường hàn là đường thẳng thì vận tốc hàn chính là vận tốc dọc theo đườnghàn

 Tiêu chí thứ 2: Súng hàn phải luôn luôn tiếp xúc với điểm hàn một góc cốđịnh còn gọi là “góc hàn”

Y R

Y E

x y

Điểm tham chiếu

Điểm điều khiển Đường cong tham chiếu

Hình 3.2 Xác định véc tơ sai số [e1, e2, e3]

Với hai tiêu chí điều khiển của điểm hàn như trên Và nếu coi quỹ đạo của

đường hàn là một đường tập hợp các điểm tham chiếu R và xem quỹ đạo điểm làm việc của tay máy là tập hợp các điểm E theo thời gian tương xứng thì dễ dàng ta có