Điều khiển rô bốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp ứng dụng nội suy Spline

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT TRÊN QUỸ ĐẠO CHO TRƢỚC DẠNG PHỨC TẠP ỨNG DỤNG NỘI SUY SPLINE LÊ TRỌNG NGHĨA 2012 2 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài : Đ , … Đây là lĩnh vực đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong khuôn kh một luận văn thạc sĩ tạp. Các kết quả đạt được sẽ góp phần đa dạng hóa cho lĩnh vực điều khiển rôbốt. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học - . Sử dụng lược đồ sai phân tới khi muốn có kết quả nhanh, tuy nhiên sai số tích lũy sẽ khá lớn qua nhiều bước lấy mẫu (vì . 3 3. b. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài nghiên cứu xây dựng các thuật toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp bằng phương pháp nội suy spline. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của rôbốt trên máy tính để khẳng định kết quả nghiên cứu, làm cơ sở để thiết kế khâu điều khiển quỹ đạo rôbốt trong thực tế. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu phương pháp nội suy spline và phân tích khả năng ứng dụng để xây dựng mô hình toán học cho bài toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp. Mô phỏng: Tính toán và chạy mô phỏng trên máy tính để kiểm chứng kết quả nghiên cứu. 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm 3 chương Chương 1 Cơ sở chung về bài toán điều khiển rôbốt: Trình bày các kiến thức cơ sở, cấu trúc, các phương thức, phương pháp điều khiển rôbốt từ đó xác định hướng nghiên cứu là bài toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo dạng phức tạp Chương 2 Nội suy spline và khả năng ứng dụng cho bài toán điều khiển rôbốt: Trình bày nguyên lý cơ bản của bài toán động học rôbốt, đặc điểm của bài toán điều khiển quỹ đạo chuyển động, cơ sở về nội suy spline và khả năng ứng dụng cho bài toán điều khiển quỹ đạo dạng phức tạp Chương 3 Xây dựng thuật toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo cho trước ứng dụng nội suy spline: Ứng dụng nội suy spline để xây dựng thuật toán điều khiển rôbốt trên quỹ đạo phức tạp trong không gian hai chiều và ba chiều. Mô phỏng và so sánh với một số phương pháp khác 4 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ CHUNG VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN RÔBỐT 1.1. C Các rôbốt công nghiệp ngày nay thường được cấu thành bởi hệ thống sau (hình 1.1): Hình 1.1: Sơ đồ - Tay máy: Là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra các chuyển động cơ bản gồm: + Bệ (thân) - Base + Khớp - thanh nối: joint- link + Cổ tay – wrist: Tạo nên sự khéo léo, linh hoạt. + Bàn tay - hand: Trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của cơ cấu chấp hành là động cơ ( hình 1.2). Môi trường - Đối tượng - Lực, moment Phần công tác Sensor giám sát trạng thái hệ thống Truyền động cơ khí Cơ cấu chấp hành Sensor giám sát thông số môi trường Hệ thống điều khiển Giao diện người rôbốt 5 - Hệ thống cảm biến: Gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các rôbốt cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của rôbốt. - Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của rôbốt, có thể chia ra thành 2 hệ thống: + Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo) . + Hệ thống điều khiển lực. Cấu trúc vật lý cơ bản của một rôbốt bao gồm thân, cánh tay và cổ tay. Thân được nối với đế và tổ hợp cánh tay thì được nối với thân. Cuối cánh tay là cổ tay được chuyển động tự do. Về mặt cơ khí, rôbốt có đặc điểm chung về kết cấu gồm nhiều khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độ đề các, toạ độ trị, tọa độ cầu… Trong rôbốt thì thân và cánh tay có tác dụng định vị trí còn cổ tay có tác dụng định hướng cho bàn tay. Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho nó có thể linh động xoay theo các hướng khác nhau và cho rôbốt định vị đa dạng các vị trí. Quan Hình 1.2: Cơ cấu chấp hành 6 hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của tay máy như: Cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay, chuyển động tịnh tiến… Các rôbốt công nghiệp ngày nay hầu hết thường được đặt trên đế và thân đế này được gắn chặt xuống nền. Gắn vào cổ tay có thể là một bàn kẹp (gripper) hoặc một số công cụ khác dùng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau (như mũi khoan, đầu hàn, đầu phun sơn ) và chúng được gọi chung là “end effector”. Sự chuyển động của rôbốt bao gồm chuyển động của thân và cánh tay, chuyển động của cổ tay. Những khớp kết nối chuyển động theo 2 dạng trên gọi là bậc tự do. Ngày nay thông thường các rôbốt được trang bị từ 4 đến 6 bậc tự do (hình 1.3) Hình 1.3: Hình ảnh rôbốt thực tế Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di chuyển tới mà người ta chia rôbốt thành bốn hình dạng cơ bản sau :  Rôbốt cực (H 1.4a) .  Rôbốt Decac (H 1.4b) .  Rôbốt trụ (H 1.4c).  Rôbốt tay khớp (H 1.4d) . 7 a b c d Hình 1.4: Phân loại rôbốt cơ bản. Hình 1.5: Hình dạng của các loại rôbốt cơ bản. Các khớp được sử dụng trong rôbốt là khớp L, R, T, V (khớp tuyến tính, khớp quay, khớp cổ tay quay và khớp vuông). Cổ tay có thể có đến 3 bậc tự do. Bảng 1.1: Các dạng cơ bản của các khớp rôbốt Input link Output link Input link Output link Output link Input link Input link Output link Loại Tên Minh họa Tuyến tính Quay Cổ tay quay Vuông V T R L 8 Các khớp có thể chuyển động được chính là nhờ được cung cấp năng lượng bởi các thiết bị truyền động. Các rôbốt hiện nay thường dùng một trong ba phương pháp truyền động sau đây :  Truyền động thuỷ lực .  Truyền động khí nén.  Truyền động điện . Không gian làm việc của một rôbốt phụ thuộc vào hình dạng và kết cấu cơ khí của tay máy rôbốt. Rôbốt có 3 hình dạng cơ bản của không gian làm việc là dạng cầu, dạng trụ và dạng khối hộp (lập phương hoặc chữ nhật) Cartesian. Hình 1.6 mô tả hình dạng của không gian làm việc của rôbốt: Sơ đồ khối tổ chức kỹ thuật của một rôbốt (hình 1.7). : * Khối A: Là khối thu thập và chuyển giao dữ liệu đầu vào. * Khối B: Là khối não bộ của rôbốt gồm các cụm vi xử lý, giải quyết các vấn đề về: - Thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở bộ thông tin đầu vào ( s , h s ). (cụm Động học thuận). (a) (b) (c) Hình 1.6: Không gian làm việc của Rôbốt 9 - Lưu trữ và chuyển giao các kết quả của quá trình giải bài toán động học thuận. (cụm Cartesian Point Storage). - Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm hình học để hoàn thành toàn bộ quỹ đạo chuyển động cần có (cụm mặt phẳng quỹ đạo). - Giải các bài toán động học ngược để tìm ra các thông số điều khiển (còn gọi là bộ dữ liệu điều khiển) - (cụm động học ngược). * Khối C: Là khối điều khiển. * Khối D: Là khối cơ cấu chấp hành, nó bao gồm nguồn động lực, các cơ cấu chấp hành và các bộ cảm nhận vật lý trên chúng (cụm vị trí vật lý) 1.2. Bậc tự do của rôbốt là số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vật thể ở tay rôbốt trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của đối tượng. Như vậy một rôbốt công nghiệp điển Ghi dữ liệu Động học thuận Động học ngược Mặt phẳng quỹ đạo Bộ điều khiển Nguồn động lực Vị trí vật lý Máy tính Chạy Khóa chuyển mạch Servo Sai số vị trí C : D B A Hình 1.7: Sơ đồ khối tổ chức kỹ thuật của rôbốt Cơ cấu chấp hành Lưu giữ kết quả Chế độ dạy học 10 hình có số bậc tự do là 6. Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6 thì không gian chuyển động của tay rôbốt sẽ bị hạn chế. Với một rôbốt 3 bậc tự do, tay rôbốt chỉ có thể chuyển động dọc theo các trục x, y, z và hướng của tay không xác định. Số bậc tự do của rôbốt công nghiệp sẽ tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của rôbốt. Rôbốt hình 1.8 là rôbốt 3 bậc tự do. Hình 1.8: Hình dạng cơ khí của rôbốt công nghiệp Bậc tự do là tổng số các tọa độ mà phần công tác có thể dịch chuyển so với thân rôbốt. Số bậc tự do càng lớn thì hoạt động của rôbốt càng linh hoạt nhưng điều khiển nó càng phức tạp, thống kê thực tế cho thấy phần lớn rôbốt có 4 – 5 bậc tự do. Vì phần kẹp không được tính vào bậc tự do, trên thực tế bậc tự do được tạo ra bởi hai phần chính là cánh tay và cổ tay. Công thức tổng quát để tính số bậc tự do của một cấu trúc là: DOF = 6n – i.ki Trong đó n là số khâu chuyển động được của cấu trúc, i là số khớp loại i. Để phù hợp về dẫn động các khớp không gian (khớp cầu, khớp trụ ) được tạo thành bằng cách phối hợp các khớp loại 5, như vậy với chuỗi động hở số khâu bằng số khớp và bằng bậc tự do. ng hình 1.9 [...]... thống điều khiển r bốt Hệ thống điều khiển của r bốt có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để thực hiện điều chỉnh chuyển động của r bốt theo yêu cầu của quá trình công nghệ Hệ thống điều khiển r bốt có thể chia ra: - Điều khiển vị trí (quỹ đạo) - điều khiển thô - Điều khiển lực - điều khiển tinh Tùy theo khả năng thực hiện các chuyển động theo từng bậc tự do mà phân ra các hệ thống điều khiển. .. khiển bám sát quỹ đạo là không dễ dàng Vì vậy, luận văn sẽ đề xuất một thuật toán điều khiển của r bốt chuyển động trên quỹ đạo phức tạp trên cơ sở nội suy spline bậc 3 32 CHƢƠNG 2 NỘI SUY SPLINE VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN RÔBỐT 2.1 ) Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay máy là một dạng r bốt có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người Cũng có... các phương pháp điều khiển r bốt trong thực tế 1.3.3 Các phương pháp điều khiển Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển r bốt đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là: - Điều khiển động lực học ngược - Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến - Các hệ thống điều khiển thích nghi + Điều khiển thích nghi theo sai lệch + Điều khiển thích nghi... do mà phân ra các hệ thống điều khiển dưới đây: - Điều khiển chu tuyến: Chuyển động được thực hiện theo một đường liên tục - Điều khiển vị trí: Đảm bảo cho r bốt dịch chuyển bám theo một quỹ đạo đặt trước (hình 1.10): Quỹ đạo đặt Bộ điều Tín hiệu điều khiển Quỹ đạo thực r bốt khiển Phản hồi Hình 1.10: Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển 12 - Điều khiển chu kỳ: Chuyển động được xác định bằng các vị... nhớ Phương pháp điều khiển này thường được dùng trong các loại r bốt đơn giản 1.3.1.2 Điều khiển lặp lại (playback) Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo chuyển động của r bốt là theo một quỹ đạo đã được tính toán và xác định từ trước thông qua một chuỗi các vị trí xác định Các vị trí này đã được ghi vào bộ nhớ của r bốt và r bốt phải tự tính toán điều khiển để đạt tới... muốn này theo các điều kiện tối ưu có thể R bốt điều khiển playback được chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển: a Điều khiển kiểu điểm - điểm (PTP) Phương thức điều khiển kiểu điểm - điểm là phương thức điều khiển mà việc xác định quỹ đạo chuyển động từ điểm này sang điểm khác là do bản thân r bốt xác định tuỳ theo điều kiện cụ thể Quỹ đạo chuyển động của r bốt được ghi từ trước trong bộ nhớ... của r bốt tới các điểm 13 đã xác định Trong quá trình hoạt động r bốt phải điều , gia tốc, thời gian.v.v và được xây dựng bằng các đa thức nội suy bậc cao Quỹ đạo liên tục được đòi hỏi trong các nguyên công công nghệ như sơn, hàn, cắt mà tay máy thực hiện việc trực tiếp 1.3.1.3 Điều khiển kiểu r bốt thông minh Ứng dụng để điều khiển cho những r bốt ngoài việc có thể thực hiện được chương trình đặt trước, ... mong muốn R bốt sẽ tự tìm cách lần lượt đạt tới các điểm mong muốn đó bằng cách so sánh tọa độ hiện tại với tọa độ của điểm mong muốn và tính toán xây dựng quỹ đạo điều khiển chuyển động theo hướng làm giảm sự sai lệch đó Dạng quỹ đạo này phù hợp cho các r bốt có hoạt động “gắp”, “nhả” b Phương pháp điều khiển quỹ đạo liên tục (PCC - Path Continuos Control) Là phương thức điều khiển mà quỹ đạo chuyển... kỹ thuật về phần cứng và phần mềm đã cho phép giảm thời gian tính toán, điều đó dẫn tới 25 những động lực cho việc thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điều khiển quỹ đạo thích nghi cho r bốt 1.3.3.6 Điều khiển trượt Điều khiển ĐKCĐ bất biến với nhiễu loạn và sự thay đổi thông số có thể sử dụng điều khiển ở chế độ trượt Điều khiển kiểu trượt thuộc về lớp các hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable... 1.3.3.3 Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch Dựa trên cơ sở lý thuyết sai lệch đã có những đề xuất thuật toán điều khiển đảm bảo r bốt luôn bám quỹ đạo chuyển động đặt trước với phạm vi chuyển động rộng và tải thay đổi rộng Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch được xây dựng trên cơ sở phương trình sai lệch tuyến tính hoá lân cận quỹ đạo chuyển động chuẩn Hệ thống điều khiển gồm hai . về nội suy spline và khả năng ứng dụng cho bài toán điều khiển quỹ đạo dạng phức tạp Chương 3 Xây dựng thuật toán điều khiển r bốt trên quỹ đạo cho trước ứng dụng nội suy spline: Ứng dụng nội. nghiên cứu xây dựng các thuật toán điều khiển r bốt trên quỹ đạo cho trước dạng phức tạp bằng phương pháp nội suy spline. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của r bốt trên máy tính để khẳng định kết. dạng phức tạp Chương 2 Nội suy spline và khả năng ứng dụng cho bài toán điều khiển r bốt: Trình bày nguyên lý cơ bản của bài toán động học r bốt, đặc điểm của bài toán điều khiển quỹ đạo chuyển