Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM THÂN VĂN THẾ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM THÂN VĂN THẾ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Nhận xét của CB hướng dẫn ) Họ và tên học viên: THÂN VĂN THẾ Đề tài luận văn: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG Chuyên ngành: Cơ điện tử Người nhận xét: Cơ quan công tác: Ý KIẾN NHẬN XÉT 1-Về nội dung và đánh giá thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài: 2-Về phƣơng pháp nghiên cứu, độ tin cậy của các số liệu: 3-Về kết quả khoa học của luận văn: 4-Về kết quả thực tiễn của luận văn: 5-Những thiếu sót và vấn đề cần làm rõ: 6-Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu đối với LVThS): Sau thời gian hướng dẫn học viên thực hiện đề tài, tôi nhận thấy nội dung luận văn của học viên đã đáp ứng các yêu cầu của một Luận văn Thạc sĩ. Do đó tôi đồng ý cho học viên…………………………………………bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận văn. TP. HCM, ngày tháng năm 20… CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN HÙNG Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014. Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS.TS. Trần Thu Hà Chủ tịch 2 TS. Nguyễn Thanh Phuơng Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Duy Anh Phản biện 2 4 TS. Võ Tường Quân Ủy viên 5 TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 05 tháng 05. năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: THÂN VĂN THẾ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1965 . Nơi sinh: Bắc Giang Chuyên ngành: Cơ điện tử MSHV: 1241840016 I- Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe. - Xây dựng mô hình toán cho robot hàn. Mô hình hình học của robot hàn, mô hình động học, mô hình động lực học của robot hàn. - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn. - Thiết kế, chế tạo robot hàn. - Chạy thực nghiệm robot hàn. III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 5 năm 2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2013 V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN HÙNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH NGUYỄN HÙNG i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hùng. Các số liệu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện luận văn Thân Văn Thế ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ thầy cô và các bạn. Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới thầy giáo, TS Nguyễn Hùng – Phó Trưởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý thầy, cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học trình cao học. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn đã luôn động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn ! Học viên thực hiện luận văn Thân Văn Thế iii TÓM TẮT Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện cho robot hàn sử dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau [1-3]. Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều khiển phi tuyến đơn giản được dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, nhưng chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học của hệ thống cơ khí và các nhiễu từ bên ngoài. Chung [2] đề xuất bộ điều khiển trượt mà kết hợp phần động học và động lực học cùng với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài, nhằm giải quyết vấn đề dò theo đường hàn của robot hàn. Ngo [3] cũng đề xuất bộ điều khiển trượt thích nghi cho cùng loại robot hàn trên, trong các bộ điều khiển trên, robot hàn được khảo sát dựa vào mô hình động học với các thông số cho trước của nhiễu từ bên ngoài. Tuy nhiên vận tốc tuyến tính của các điểm hàn không được giữ cố định như thiết kế ban đầu. Để giải quyết vấn đề, luận này thiết kế một bộ điều khiển trượt tích phân, tích hợp mô hình động học và mô hình động lực học với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài cho robot hàn để dò theo đường hàn cho trước. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm được trình bày nhằm minh họa tính hiệu quả của bộ điều khiển trượt tích phân. Nội dung chính của luận văn gồm có: - Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe. - Xây dựng mô hình toán cho robot hàn. Mô hình hình học của robot hàn mô hình động học, mô hình động lực học của robot hàn. - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn. - Thiết kế, chế tạo robot hàn. - Chạy thực nghiệm robot hàn. - Kết luận và hướng phát triển của đề tài. iv ABSTRACT In the past years, there are many researches have been done for the welding mobile robot (WMR) using many kind of controller [1-3]. In [1], the simple nonlinear controller of WMR was applied for tracking reference welding path but considered only the kinematic model which ignored the mechanical system dynamic and external disturbances. Chung, et al. [2] proposed the sliding mode controller that integrates a kinematic controller and a dynamic controller with bounded external disturbances have been used to solve the path welding tracking problem for the WMR. Ngo, et al. [3] also proposed the adaptive sliding mode controller for the same WMR. In the above controllers, the WMR is considered in terms of dynamic model with known parameters in the presence of external disturbances. However, the linear velocity of welding point was not keep constant velocity smoothly as desired. To solve the roblem, this research proposes a new nonlinear controller that makes the integration of a kinematic controller and a sliding mode dynamic controller with bounded external disturbances for the WMR to track a desired welding trajectory. The system stability is proved using the Lyapunov stability theory. The simulation results are shown to illustrate effectiveness of Integral sliding mode controller. The main contents of the thesis are: - Research overview of the mobile welding robot two wheels - Develop mathematical models for robot welding. Geometric modeling of welding robot kinematic model, the dynamics model of the welding robot. - Design of nonlinear controllers for robot welding. - Design, fabrication welding robot - Run welding robot experiments. - Conclusions and directions of development topics [...]... 3.3 Mô hình động lực học của robot hàn di động hai bánh xe: 36 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT TÍCH PHÂN 37 4.1 Đặt vấn đề 37 4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân 37 4.3 Kết quả mô phỏng 40 4.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 40 4.3.2 Các kết quả mô phỏng 40 CHƢƠNG 5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT HÀN 48 5.1 Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ... 27 2.2 Điều khiển trượt 28 2.2.1 Xuất phát điểm của phương pháp điều khiển trượt 28 2.2.2 Nguyên lý điều khiển trượt 31 2.2.3 Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt 33 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG HAI BÁNH XE 34 3.1 Mô hình hình học của robot hàn di động hai bánh xe: 34 vi 3.2 Mô hình động học của robot hàn di động hai bánh... Máy hàn của hãng Panasonic - Robot hàn đường thẳng của mối hàn góc - Độ chính xác và tốc độ hàn cao Hình 1.10 Rùa hàn tự động bám dầm Hit-8SS 8 - Máy hàn góc - Máy hàn có tính ổn định cao - Hàn theo đường thẳng Hình 1.11 Hàn hồ quang chìm tự động - Máy hàn tự động, hàn hồ quang, chạy theo đường thẳng - Mối hàn đạt chất lượng cao - Được dùng nhiều trong hàn kết cấu lớn Tuy nhiên, dù đạt nhiều thành... tưởng” cho sơ đồ bố trí bánh xe ở WMR Mỗi ứng dụng của nó sẽ bị ràng buộc về các vần đề về thiết kế robot, và nhiệm vụ của người thiết kế là lựa chọn một sơ đồ bánh xe thích hợp nhất 1.2 Kỹ thuật điều hƣớng cho robot di động bằng bánh xe Vấn đề di chuyển là vấn đề trọng tâm của robot di động Để di chuyển được, robot phải thực hiện một loạt các tác vụ, mỗi tác vụ gắn với một bài toán nhỏ trong bài toán di. .. những robot tự hành (Mobile robot ) ra đời, nó có thể di chuyển khắp nơi, khả năng ứng dụng linh hoạt, làm cho nó có thể được sử dụng ở bất cứ nơi đâu 9 Robot tự hành tiếp tục đưa ra những thách thức mới cho nhà nghiên cứu Trong lĩnh vực công nghệ hàn robot thiết kế cần đạt được tính năng sau: - Có khả năng nhận biết được nhiệt độ mối hàn và đường hàn - Có thể thay đổi vận tốc hàn và dòng điện hàn cho. .. CO2 dùng để hàn vật liệu là sắt 6 - Khí bảo vệ mối hàn là khí Argon dùng để hàn kim loại mầu như Al, Cu và Inox Các loại robot hàn: Hình 1.7 Robot hàn OTC DAIHEN - Robot này có thể hàn khung xe máy, nhanh, đẹp và tốc độ cao - Mỏ hàn di chuyển linh hoạt Hình 1.8 Robot hàn ARC Mate1000B/2000B của hang Fanuc 7 - Là dòng robot thông minh ứng dụng trong hàn công nghiệp, với tầm với và tốc độ hàn nhanh nhất... Two-Wheeled Welding Mobile Robot , T H Bui, T T Nguyen, T L Chung, and S B Kim, International Journal of Control, Automation, and Systems, Vol 1, No 1, pp 35-42, 2003.[5] Bài báo này đề cập đến việc sử dụng mô hình động học của WMR bám quỹ đạo đã được giải quyết trong [5] Trong [5] đề xuất một bộ điều khiển phi tuyến đơn 18 giản được thiết kế dựa trên mô hình động học cho robot di động hàn hai bánh,... ASLIB - Robot này có khả năng di chuyển linh hoạt - Hàn được đường hàn có không gian rộng 10 Hình 1.13 Servo -Robot s MWR-350 - Robot này có độ chính xác cao - Có thể thay đổi góc độ hàn - Kiểm soát được chế độ hàn tự động Để đáp ứng tính linh hoạt khi di chuyển của robot, bánh xe là phương pháp phổ biến nhất cung cấp khả năng di chuyển cho một robot, được sử dụng với nhiều kích thước và nền tảng robot. .. 5.1.2 Cấu tạo robot hàn (tiếp) 50 Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn 53 Hình 5.3.1 Đế kết nối dạng Dock Station của Card DSP TMS320F28335 54 Hình 5.3.2 Card điều khiển sử dụng chip DSP TMS320F28335 54 5.5 Hình Module mạch cầu H 58 5.6 Hình Module Arduino Pro Mini 61 Hình 6.1 Vị trí đặt các biến trở xoay 63 Hình 6.2 Robot hàn di động ... loại cần hàn còn cực kia là que hàn, do nhiệt độ cao giữa hai cực, que hàn nóng chảy và lấp chỗ cần hàn trên tấm kim loại Hình 1.1 Máy hàn hồ quang điện - Máy hàn này sử dụng que hàn có thuốc bọc - Sử dụng dòng điện hàn AC hoặc DC Sự phát triển của công nghệ hàn: Khoảng năm 3200 năn trước Công Nguyên hàn hàn vảy cứng các đồ trang sức Khoảng 1500 năm trước công nguyên hàn ghép sơ khai đầu tiên, hàn qua . học của robot hàn, mô hình động học, mô hình động lực học của robot hàn. - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn. - Thiết kế, chế tạo robot hàn. - Chạy thực nghiệm robot hàn. III-. hàn di động hai bánh xe. - Xây dựng mô hình toán cho robot hàn. Mô hình hình học của robot hàn mô hình động học, mô hình động lực học của robot hàn. - Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot. đề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe. - Xây dựng mô hình toán cho robot hàn. Mô