Điều khiển robot scara bằng phương pháp điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 NGUYỄN THÀNH NHẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÓA 2011 Mẫu nhãn đĩa CD-ROM: Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn MSHV: 1241840009 Ngành: Cơ Điện Tử Mã ngành: 60 52 01 14 khóa 2011 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc tự động hoá quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngoài ra Robot công nghiệp còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói bụi, môi trường độc hại của hoá chất, môi trường nhiệt độ cao Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về robot và cũng đã có rất nhiều robot được chế tạo và ứng dụng vào quá trình sản xuất như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, các robot lắp ráp linh kiện trong dây chuyền sản xuất board mạch, Robot lắp máy, Robot đào đường hầm, robot cấp phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, Robot quay camera trong các sân vận động Tuy nhiên, ở Việt Nam thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào quá trình sản xuất. Các robot này chưa có tính thích ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo một chương trình định trước. 2 Hình 1.1: SCARA robot của hang EPSON. Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều. 1.2 Cơ sở chọn đề tài Tay máy là một đối tượng có độ phi tuyến rất cao do đó việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng này là khá phức tạp. Như đã biết, điều khiển với cấu trúc thay đổi (sliding mode control) là phương pháp hữu hiệu để điều khiển cho các đối tượng phi tuyến bởi luật điều khiển hồi tiếp phi tuyến [1] – [4]. Điều khiển với cấu trúc thay đổi là một kỹ thuật điều khiển rất mạnh, và bền vững. Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển với cấu trúc thay đổi đã được ứng dụng rộng rãi để ổn định hoá cho chuyển động của robot. Có rất nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi, có thể kể đến như: Bộ điều khiển trượt trong hệ liên tục trình bày trong [8,9], bộ điều khiển trượt được đưa ra trong [10] để điều khiển cho tay máy, … Với mục tiêu đưa ra một phương pháp điều khiển khã thi, ổn định, có khả năng ứng dụng cao vào sản xuất công nghiệp, luận án này giới thiệu một bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi và mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc đặt. hàm trượt có dạng phương trình của bộ điều khiển PID. Và hàm trượt này được gọi là hàm trượt kiểu PID. Giải thuật này loại bỏ được hiện tượng dao động khi biên độ của luật điều khiển trượt tăng. Và giải thuật được áp dụng để điều khiển đối tượng 3 phi tuyến-hệ tay máy SCARA 02 bậc tự do. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống được thiết lập dưới dạng toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab và mô hình thực nghiệm. Luận án được chia làm 07 chương với nội dung như sau: + Chương 1: Tổng quan Nội dung của chương này trình bày lý do chọn đề tài và tổng quan về hệ thống tay máy và ứng dụng của nó trong công nghiệp đồng thời giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển được thiết kế trong luận án. + Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung chương này trình bày tổng quát cơ sở lý thuyết Robot, hệ thống và phương thức điều khiển 01 Robot. + Chương 3: Mô hình toán của tay máy SCARA Nội dung chương này giới thiệu về mô hình động học thuận, ngược và mô hình động lực học của tay máy. + Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển Nội dung chương này trình bày về bộ điều khiển PID trượt kết hợp với mặt trượt PID, điều kiện tồn tại mặt trượt và điều kiện ổn định của hệ thống. + Chương 5: Kết quả mô phỏng Nội dung chương này trình bày kết quả mô phỏng hệ thống tay máy SCARA bằng phần mềm Matlap với bộ điều khiển trượt PID được thiết kế trong luận án. + Chương 6: Xây dựng mô hình thực nghiệm Nội dung chương này xây dựng mô hình thực nghiệm tay máy Scara với bộ điều khiển PID trượt. + Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot : Các Robot công nghiệp ngày nay thường được cấu thành bởi các hệ thống sau: 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, end effector: 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. 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 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 robot 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 robot thì thân và cánh tay có tác dụng định vị trí còn cổ tay có tác dụng định hướng cho end effector. Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho nó có thể linh động xoay theo các hướng khác nhau và cho phép Rôbốt định vị đa dạng các vị trí. Quan 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… Sự chuyển động của Robot 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 robot được trang bị từ 4 đến 6 bậc tự do. 5 Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di chuyển tới mà người ta chia robot thành bốn hình dạng cơ bản sau :  Robot cực (H 1.1.a) .  Robot Decac (H 1.1.b) .  Robot trụ (H 1.1.c).  Robot tay khớp (H 1.1.d) . a b c d Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản . Các khớp được sử dụng trong robot 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 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot 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 6 Các khớp có thể chuyển động được chính là nhờ được cung cấp năng lượng bởi các thiết bị truyền động. Các robot 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 robot phụ thuộc vào hình dạng và kết cấu cơ khí của tay máy robot. Robot 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 dưới mô tả hình dạng của không gian làm việc của robot : Trong đó : (a) (b) (c) Hình 2.2: Không gian làm việc của Robot 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 2.3: Sơ đồ khối của Robot Cơ cấu chấp hành Lưu giữ kết quả Chế độ dạy học 7  Khối A: là khối thu thập và chuyển giao dữ liệu đầu vào.  Khối B: là khối não bộ của robot 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). - 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 (Motor Dynamics), các cơ cấu chấp hành (Robot Dynamics) và các bộ cảm nhận vật lý trên chúng (Cụm vị trí vật lý). 2.2. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT: Hệ thống điều khiển của robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để thực hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của quá trình công nghệ. Hệ thống Điều khiển Robot 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 dưới đây: - Điều khiển chu tuyến: chuyển động được thực hiện theo một đường liên tục. - Điều khiển vị trí: đảm bảo cho robot dịch chuyển bám theo một quỹ đạo đặt trước. Sơ đồ khối mô tả: Điều khiển chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và cuối của mỗi bậc tự do. 2.3. CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU KHIỂN: Điều khiển theo quỹ đạo đặt (3 phương thức điều khiển):  Điều khiển Robot theo chuỗi các điểm giới hạn. Bộ điều khiển Robot Phản hồi Quỹ đạo đặt Tín hiệu điều khiển Quỹ đạo thực Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot 8  Điều khiển lặp lại ( playback ):  Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP).  Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC.  Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thông minh). Điều khiển dựa vào tính chất của đối tượng điều khiển là tuyến tính hay phi tuyến. 2.3.1. Điều khiển theo quỹ đạo đặt: 2.3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn: Là phương thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và các điểm dừng cơ khí. Chuyển động của các khớp nối được bắt đầu và kết thúc khi gặp các công tắc giới hạn hoặc các điểm dừng cơ khí này. Việc thiết lập các điểm dừng và các công tắc giới hạn tương đương với việc lập chương trình cho robot, mỗi một công tắc được coi như một phần tử nhớ. Phương pháp điều khiển này thường được dùng trong các loại robot đơn giản. 2.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback): Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo chuyển động của robot 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 robot và robot phải tự tính toán điều khiển để đạt tới các vị trí mong muốn này theo các điều kiện tối ưu có thể. Robot điều khiển playback được chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển: Điều khiển kiểu điểm- điểm. (PTP), Phương pháp điều khiển quỹ đạo liên tục (PCC - Path Continuos Control). 2.3.1.3. Điều khiển kiểu robot thông minh: Ứng dụng để điều khiển cho những robot ngoài việc có thể thực hiện được chương trình đặt trước, nó còn có khả năng tùy biến thực hiện các hành động phù hợp với các cảm nhận từ môi trường. Robot thông minh có thể thay đổi chương trình phù hợp với điều kiện làm việc của môi trường nhận được từ các sensor (quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường, âm thanh, tần số…) sử dụng logic mờ và mạng nơron. Robot loại này có khả năng giao tiếp với con người hoặc với hệ thống máy tính chung để có thể đưa ra các xử lý thông minh. Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện các robot thông minh có thể hiểu được các lệnh đơn giản của con người, có thể giao tiếp, giúp đỡ để thực hiện các công việc phức tạp trong nhà máy. 2.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính: Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến cho phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả. [...]... nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển Robot 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 theo mô hình mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi + Điều khiển trượt 2.4.1 Điều khiển trượt: Điều. .. hợp và nêu lên một số phương pháp điều khiển các hệ phi tuyến như đã được trình bày chi tiết trong [8], [10] và [11] và ứng dụng có hiệu quả vào hệ thống điều khiển Robot Sau đây là một số phương pháp điều khiển ổn định hệ thống phi tuyến:  Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc  Điều khiển tuyến tính hình thức  Điều khiển bù phi truyến 2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT: Cho đến nay... động qua lại làm cho mô hình robot trở nên phi tuyến mạnh thì phương pháp điều khiển trượt tỏ ra có ưu thế vượt trội, cho việc điều khiển chuyển động bền vững và bám theo quỹ đạo đặt của robot Trên cơ sở phân tích ở trên ta nhận thấy phương pháp điều khiển trượt rất thích hợp cho điều khiển robot, tuy vậy phương pháp này còn bộc lộ nhược điểm cần phải giải quyết: Tín hiệu điều khiển không liên tục (đảo... KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Trong chương này, một bộ điều khiển PID trượt cho tay máy SCARA được thiết kế để điều khiển tay máy bám theo một quỹ đạo cho trước, tính ổn định của hệ thống được kiểm chứng theo tiêu chuẩn Lyapunov Bộ điều khiển trượt trong luận văn này có hàm trượt dạng phương trình của của bộ điều khiển PID Và hàm trượt này được gọi là hàm trượt kiểu PID Và giải thuật được áp dụng để điều khiển. .. Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển tiếp cận rất mạnh mẽ để điều khiển các hệ thống phi tuyến và bất định Đó là phương pháp điều khiển bền vững và có thể áp dụng cho hệ bất định và có tham số bị thay đổi lớn Với tay máy robot khi các tham số của hệ thay đổi liên tục; lực, vị trí, mô men, mô men quán tính… và các tác động qua lại làm cho mô hình robot trở nên phi tuyến mạnh thì phương pháp điều khiển. .. khiển phức tạp có chất lượng cao, độ chính xác điều khiển lớn thì thường mắc phải nhược điểm về tốc độ xử lý hay giải pháp kinh tế Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển tiếp cận rất mạnh mẽ để điều khiển các hệ thống phi tuyến và bất định Đó là phương pháp điều khiển bền vững và có thể áp dụng cho hệ bất định và có tham số bị thay đổi lớn Với tay máy robot khi các tham số của hệ thay đổi liên tục;... khiển trượt tỏ ra có ưu thế vượt trội, cho việc điều khiển chuyển động bền vững và bám theo quỹ đạo đặt của robot Điều khiển chuyển động 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 Structure System - VSS) với mạch vòng hồi tiếp 10 không liên tục Phương pháp điều khiển kiểu trượt. .. BI (2.52) 2.7 Nhận Xét: Các phương pháp điều khiển được nêu ra trên đây là những phương pháp điều khiển có tính khả thi và đã được áp dụng ở một số lĩnh vực cụ thể trong thực tế Qua phân tích tổng quan các phương pháp điều khiển Robot ở trên, ta có thể rút ra những nhận xét sau: 19 Vấn đề nâng cao chất lượng và tăng độ chính xác điều khiển bám quỹ đạo của hệ thống điều khiển rô bốt chủ yếu dựa vào... áp đặt nghiệm cực hay các phương pháp tối ưu khác Điều chỉnh theo chế độ trượt cho phép sử dụng cơ cấu điều khiển tác động nhanh; với những điều kiện nhất định hệ thống sẽ có tính bền vững nghĩa là sự thay đổi thông số của hệ không làm ảnh hưởng đến hành vi của nó Điều khiển trượt cho phép điều khiển bền vững, tuy nhiên khuyết điểm chính của phương pháp này là hoạt động điều khiển không liên tục và gây... chọn và sử dụng các phương pháp điều khiển, do vậy cần có các công trình nghiên cứu cụ thể Mỗi phương pháp được áp dụng lại có những ưu, điểm khác nhau và được áp dụng tuỳ theo từng ứng dụng cụ thể, tuỳ thuộc vào bài toán kinh tế cần giải quyết Những phương pháp điều khiển đơn giản lại mắc phải nhược điểm về độ chính xác hoặc tốc độ di chuyển v.v Còn với những phương pháp điều khiển phức tạp có chất . mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi. + Điều khiển trượt 2.4.1. Điều khiển trượt: Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển tiếp cận rất mạnh mẽ để điều khiển các hệ thống. 2.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT: Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển Robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là: - Điều. hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của quá trình công nghệ. Hệ thống Điều khiển Robot có thể chia ra: - Điều khiển vị trí (quỹ đạo) - điều khiển thô. - Điều khiển lực - điều khiển