tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh cho robot scara – serpent theo phương pháp điều khiển không gian khớp độc lập, và mô phỏng

LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu to lớn và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, hoạt động trong mọi lĩnh vực sản xuất như công nghiệp lắp ráp, hàn và những công việc trong môi trường độc hại và nguy hiểm. Một trong những vấn đề quan trọng nhất của Robot công nghiệp là sự chính xác trong chuyển động. Hầu hết các Robot đều được truyền động bằng động cơ điện và chủ yếu là động cơ điện một chiều, do đó việc điều khiển chuyển động của Robot chính là điều khiển các động cơ truyền động cho Robot. Robot Serpent là Robot thuộc họ Robot Scara là một trong những loại Robot ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ nghiên cứu về hệ điều khiển quỹ đạo Robot Scara – Serpent thông qua điều khiển quỹ đạo các động cơ truyền động cho nó. Đồ án gồm 5 chương: Chương I: Tổng quan về Robot công nghiệp, nội dung chính là động học vị trí và điều khiển chuyển động của Robot. Chương II: Tổng quan về Robot Scara – Serpent và thiết kế quỹ đạo. Chương III: Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho các động cơ truyền động cho Robot Scara – Serpent. Chương IV:Ttổng hợp các mạch vòng điều chỉnh cho Robot Scara – Serpent theo phương pháp điều khiển không gian khớp độc lập, và mô phỏng. Chương V: Lắp ráp thực nghiệm hệ điều khiển Robot, kiểm tra, hiệu chỉnh lại các bộ điều chỉnh đã thiết kế. Chương I. Tổng quan về Robot công nghiệp Chương này trình bày khái niệm Robot và một số lý thuyết cơ bản để thực hiện thiết kế và điều khiển quỹ đạo chuyển động của Robot công nghiệp, bao gồm bốn phần chính là khái niệm về Robot, động học vị trí, lập quỹ đạo chuyển động và hệ thống điều khiển chuyển động của Robot công nghiệp. 1.1. Giới thiệu chung về Robot công nghiệp 1.1.1 .Khái niệm Robot Robot công nghiệp là một cơ cấu máy gồm các thanh cứng nối liên tiếp với nhau bằng các khớp (quay hoặc tịnh tiến), có thể làm việc một cách tự động nhờ sử dụng máy tính và vi xử lý để điều khiển. Nhìn chung Robot công nghiệp gồm các hệ thống sau: - Hệ thống cơ khí (hệ thống chuyển động) - Hệ thống kích thích (hệ thống truyền động) - Hệ thống nhận biết (cảm biển) - Hệ thống điều khiển a. Hệ thống cơ khí Robot công nghiệp cấu tạo từ các thanh cứng nối với nhau bằng các khớp. Một đầu được gắn cố định gọi là thân Robot (base), một đầu chuyển động tự do gọi là end effector (tay) và được trang bị một dụng cụ (tool) để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó. Các khớp chuyển động làm cho các thanh chuyển động dẫn đến tay Robot chuyển động theo. Vì vậy để điều khiển Robot tại mỗi khớp được trang bị một cơ cấu kích thích (có thể là động cơ điện, pít tông thuỷ lực, khí nén) và bộ truyền lực. b. Hệ thống truyền động Phần lớn Robot công nghiệp được truyền động bằng động cơ điện và chủ yếu là động cơ điện một chiều. Ngoài ra Robot công nghiệp còn được truyền động bằng thuỷ lực, khí nén. c. Hệ thống nhận biết Robot công nghiệp được trang bị hệ thống nhận biết để có thể xác định trạng thái làm việc của chính nó. Hệ thống nhận biết thường cho các thông tin về vị trí, tốc độ và lực của cơ cấu dẫn động. Vị trí có thể là trong toạ độ đề các hoặc trong toạ độ khớp (góc quay của khớp). d. Hệ thống điều khiển Là những tín hiệu điều khiển Robot theo những chỉ tiêu xác định trước. Hệ thống điều khiển được chia ra làm hai loại: - Điều khiển quỹ đạo - Điều khiển lực Hệ thống điều khiển được xây dựng dựa trên hệ thống điều khiển số. Tuy nhiên để có thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực thì tốc độ xử lý của thiết bị điều khiển số phải đủ nhanh. Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và máy tính thì hệ thống điều khiển Robot ngày càng hiện đại và hoàn thiện. 1.1.2. Phân loại Robot công nghiệp Robot công nghiệp có thể được phân loại theo chức năng (Robot hàn, Robot lắp ráp ), cũng có thể phân loại theo không gian làm việc như sau: - Chuyển động theo 3 trục x, y, z (Cartesian) - Chuyển động theo khối trụ (Cylindrycal) - Chuyển động theo khối cầu (Spherical) - Chuyển động theo khối cầu (Revolute) 1.2. Một số lý thuyết cơ bản về Robot công nghiệp 1.2.1. Động học vị trí Robot Động học vị trí Robot làm rõ mối quan hệ giữa tay Robot (end effector) và các bộ phận chuyển động (các khớp). Động học vị trí được chia thành động học thuận và động học ngược. Động học thuận là từ các biến khớp tính ra vị trí và hướng của tay Robot. Động học ngược là từ vị trí và hướng của tay Robot tính ra các biến khớp. Động học vị trí Robot được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về phép biến đổi toạ độ, các hệ toạ độ thanh nối và các bài toán động học vị trí. 1.2.1.1. Phép biến đổi đồng nhất a. Biểu diễn vectơ Một vectơ được biểu diễn như sau: ______ kcjbiav ++= (1-1) Trong đó ______ ,, kji là các vectơ đơn vị của 3 trục x, y, z trong hệ toạ độ đề các. Vectơ v có thể được biểu diễn ở dạng sau: v = [x, y, z, ω] T (1-2) Hình 1.1. Không gian làm việc của Robot. Đề các (Cartesian) Trụ (Cylindrycal) Cầu (Revolute) Cầu (Spherical) Trong đó: a = x/ω b = y/ω c = z/ω trường hợp ω = 0 thì v là vectơ đơn vị. b. Phép biến đổi đồng nhất Phép biển đổi H là một ma trận 4×4 và có thể thực hiện các phép dịch chuyển tịnh tiến hoặc quay. Nếu cho một vectơ u (hay một điểm u), sau khi thực hiện phép biến đổi H thu được vectơ v tính theo công thức sau: v = Hu c. Phép biến đổi tịnh tiến Phép biến đổi tịnh tiến theo một vectơ ______ kcjbia ++ là: H = Trans(a,b,c) =             a c b a 000 100 010 001 (1-3) Cho một vectơ u = [x,y,z,ω] T thực hiện dịch chuyển tịnh tiến theo vectơ [a,b,c,1] T thu được vectơ v như sau: v = H.u = Trans(a,b,c).u =             1 / / / ω ω ω z y x (1-4) Phép tịnh tiến Trans(a,b,c) có nghĩa là thực hiện tịnh tiến theo trục x một đoạn a đơn vị, theo trục y một đoạn b đơn vị, theo trục z đoạn c đơn vị. d. Phép biến đổi quay Quay quanh trục x góc θ: H = Rot(x,θ) =             − 1000 0cossin0 0sincos0 0001 θθ θθ (1-5) Quay quanh trục y góc θ H = Rot(y,θ) =             − 1000 0cos0sin 0010 0sin0cos θθ θθ (1-6) Quay quanh trục z góc θ H = Rot(z,θ) =             − 1000 0100 00cossin 00sincos θθ θθ (1-7) e. Phép biến đổi tổng hợp Cho một vectơ u, thực hiện - Quay quanh trục z góc θ: Rot(z,θ) - Quay quanh trục y góc ϕ: Rot(y,ϕ) - Quay quanh trục x góc γ: Rot(x,γ) - Tịnh tiến theo vectơ [a,b,c,1]: Trans(a,b,c) Thực hiện biến đổi so hệ toạ độ gốc: H = Trans(a,b,c).Rot(x,γ).Rot(y,ϕ).Rot(z,θ) (1-8) Thực hiện biến đổi so hệ toạ độ trước nó: H = Rot(z,θ).Rot(y,ϕ).Rot(x,γ).Trans(a,b,c) (1-9) 1.2.1.2. Hệ toạ độ các thanh nối trong Robot Xét 3 khớp liên tiếp: i - 1, i, i + 1 a. Các tham của thanh nối và khớp kí hiệu: a i-1 là độ dài đường vuông góc chung giữa trục i và i - 1 a i là độ dài đường vuông góc chung giữa truc i và i - 1 d i là khoảng cách giữa hai đường vuông góc chung a i-1 và a i θ i là góc giữa hai đường vuông góc chung a i và a i-1 α i là góc giữa trục i và trục i + 1 Đối với khớp i: góc θ i là biến khớp quay nếu khớp i là khớp quay; là biến khớp tịnh tiến nếu khớp i là khớp tịnh tiến Đối với thanh i: a i chính là độ dài của thanh b. Đặt hệ toạ độ cho các thanh nối i-1 i i+1 i-1 i a i-1 a i d i θ i α i z i x i z i-1 x i-1 Hình 1.2. Hệ toạ độ thanh nối Sử dụng phương pháp đặt hệ toạ độ thanh nối của Denevit và Hertenberg, nội dung phương pháp như sau: - Gốc được đặt trên trục i + 1 tại chân đường vuông góc chung a i với trục i - Trục z i có phương trùng với trục khớp i + 1 - Trục x i có phương trùng với phương của a i , chiều đi từ trục i đến trục i + 1 - Trục y i được xác định theo phương pháp tam diện thuận c. Quan hệ giữa hai hệ toạ độ thanh nối liên tiếp Có thể thực hiện biến đổi từ hệ toạ độ thanh i-1 về hệ toạ độ thanh i bằng cách thực hiện lần lượt các phép biến đổi sau: Rot(z i-1 ,θ i ) Trục x ’ i-1 // x i Trans(0,0,d i ) Trans(a i ,0,0) Trục x ’’’ i-1 trùng với trục x i Rot(x i-1 ,α i ) Trục z ’’’’ i-1 trùng với trục z i Nếu thực hiện biến đổi so hệ toạ độ trước đó thu được ma trận phép biến đổi giữa hệ toạ độ thanh i-1 và thanh i như sau: A i 1− i = H = Rot(z i-1 ,θ i ).Trans(0,0,d i ).Trans(a i ,0,0).Rot(x i-1 ,α i ) A i 1− i =             − 1000 cossin0 sinsincoscoscossin cossinsincossincos iii iiiiiii iiiiiii d a a αα θαθαθθ θαθαθθ (1-10) Như vậy ma trận A i (ma trận i-1 A i được gọi tắt là A i ) là ma trận biến đổi từ hệ toạ độ thanh i-1 thành hệ toạ độ thanh i. 1.2.1.3. Động học thuận Robot Giả sử Robot có n thanh, A 1 là ma trận phép biến đổi giữa hệ toạ độ thanh 1 so với hệ toạ độ gốc cố định, A 2 là phép biến đổi giữa hệ toạ độ thanh 2 so với thanh 1. Vị trí và hướng của thanh 2 so với toạ độ gốc được xác định bằng công thức: T 2 = A 1 A 2 (1-11) Tương tự, vị trí và hướng của thanh 3 so với hệ toạ độ gốc là: T 3 = A 1 A 2 A 3 Vị trí và hướng của tay Robot (end effector) được xác định như sau: T n = ∏ = n i i A 1 Thông thường một Robot có số bậc tự do là 6 (6 thanh), do đó ma trận mô tả vị trí và hướng của tay Robot là T 6 và được xác định cụ thể như sau:             = 1000 6 zzzz yyyy xxxx paon paon paon T = [ __ n __ o __ a __ p ] (1-12) Vectơ __ o : mô tả phương của đường nối tâm giữa hai thanh kẹp (griper) gắn ở tay Robot. Vectơ __ a : có phương và chiều chính là phương vươn tới của tay Robot. Vectơ __ p : mô tả vị trí của tay Robot. ______ aon ×= Với ý nghĩa như vậy, ma trận T 6 mô tả cả hướng và vị trí của tay Robot, muốn xác định vị trí và hướng của tay Robot chỉ cần xác định T 6 . Bài toán động học thuận đặt ra là từ các biến khớp q i tìm ra vị trí và hướng của tay Robot. Giải bài toán động học thuận bằng cách giải hệ 12 phương trình sau:        = = = )( )( )( 12 2 1 qfp qfn qfn z y x  (1-13) Trong đó q = [q 1, q 2 , , q n ] T là vectơ biến khớp Robot. 1.2.1.4. Động học ngược Robot Bài toán động học ngược là bài toán từ vị trí và hướng của tay Robot (biết ma trận T 6 ) tính ra các biến khớp. Bài toán động học ngược là bài toán phức tạp, không có lời giải chung, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có những cách giải khác nhau. 1.2.2. Động lực học Robot Sử dụng phương pháp Lagrange để xây dựng phương trình động lực học, nội dung phương pháp như sau: Lập hàm Lagrange : L = K – P (1-14) Trong đó: L là hàm Lagrange K là tổng động năng P là tổng thế năng Phương trình động lực học với khớp i: M i = dt d (∂L/d i q • ) - ∂L/dq i (1-15) Đối với khớp quay M i là mô men, đối với khớp tịnh tiến M i là lực. Phương trình động lực học dạng tổng quát của Robot n bậc tự do: [...]... dụng không yêu cầu cao về tốc độ và tải không đổi thì thường sử dụng phương pháp điều khiển phân tán do tính đơn giản của hệ thống điều khiển Phương pháp điều khiển tập trung coi Robot là một hệ thống, khi đó mối liên hệ giữa các khớp được tính đến b Phân loại theo phương pháp điều khiển - Điều khiển không thích nghi - Điều khiển thích nghi Các phương pháp điểu khiển không thích nghi như: điều khiển. .. hồi, điều khiển tiền định, phương pháp tính mô men Trong các phương pháp này bỏ qua sự phi tuyến và sự thay đổi các tham số của Robot Các phương pháp điều khiển thích nghi như: phương pháp mô hình chuẩn (MRAC – Model Reference Adaptive Control), phương pháp tự chỉnh (self - turning) Trong điều khiển thích nghi có tính đến các yếu tố phi tuyến và sự thay đổi của các tham số Robot 1.2.3.3 Phương pháp điều. .. pháp điều khiển không thích nghi Đối với điều khiển không thích nghi Robot có nhiều phương pháp được sử dụng Trong mục này chỉ đề cập đến những phương pháp thông dụng nhất: - Phương pháp điều khiển phản hồi sử dụng luật điều chỉnh PID - Phương pháp điều khiển tiền định - Phương pháp tính mô men Phương pháp điều khiển phản hồi sử dụng luật điều chỉnh PID được áp dụng rộng rãi và thành công với Robot công... do đó khi điều khiển phải điều khiển cả quỹ đạo lẫn lực và được gọi là điều khiển tinh Trong điều khiển quĩ đạo thường sử dụng phương pháp điều khiển phản hồi (feedback) hoặc tiền định (feed forward) để đảm bảo vị trí tay Robot luôn bám theo một quỹ đạo cho trước và tối ưu về thời gian Tuỳ thuộc quỹ đạo thiết kế cho khớp hay cho tay Robot mà tương ứng có điều khiển không gian khớp hay không gian tay... nghiệp Phương pháp này đơn giản và dễ dàng đáp ứng được yều cầu về thời gian thực Phương pháp này là một trong các phương pháp điều khiển phân tán (decentralised system) Phương pháp điều khiển tiền định (feed forward) tiến hành tính mô men đặt từ các thông số cho trước để đặt cho khớp Đối với các nhiễu đặt nên hệ thống thì bù bằng mô men phụ Phương pháp tính mô men sử dụng các mạch vòng feedback và feed... khí và kích thích thay đổi Thường thì tại mỗi khớp Robot được lắp một động cơ một chiều và nhiệm vụ cụ thể là điều khiển vị trí từng khớp theo tín hiệu đặt một cách chính xác nhất 1.2.3.2 Phân loại hệ thống điều khiển Robot a Phân loại theo tín hiệu điều khiển - Điều khiển phân tán - Điều khiển tập trung Điều khiển phân tán có nghĩa là mỗi khớp được điều khiển độc lập, bỏ qua mối liên hệ giữa các khớp. .. Robot • qd Hình 1.8 sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Robot theo phương pháp tính mô men dương q • q 1.2.3.4 Phương pháp điều khiển thích nghi Phương pháp điều khiển thích nghi thường sử dụng nhất là phương pháp mô hình chuẩn (MRAC) và phương pháp tự chỉnh (self - turning) a Phương pháp thích nghi theo mô hình chuẩn Sơ đồ khối như sau: Mô hình chuẩn sai số thích nghi u nhiễu Robot Thích nghi thông số Luật thích... về Robot Scara – Serpent Giống như tên gọi của nó, Robot Scara – Serpent là một Robot thuộc lớp Robot Scara Mặc dù Robot Scara có chuyển động đơn giản, song nó cũng đáp ứng được hầu hết các yêu cầu về lắp ráp và vận chuyển do đó nó là một trong những loại Robot được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Robot Scara – Serpent có bốn khớp, ba khớp quay và một khớp tịnh tiến Ba khớp quay được điều khiển. .. bản của Robot công nghiệp Dựa trên cơ sở lý thuyết này sẽ áp dụng vào tính toán thiết kế quỹ đạo (ở chương II) và hệ thống điều khiển (ở chương IV) cho Robot Scara – Serpent Chương II Robot Scara - Serpent Nội dung chương trình bày về Robot Scara – Serpent gồm có: giới thiệu về Robot Scara – Serpent; thực hiện giải bài toán động học vị trí và thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot Scara – Serpent. .. của Robot Scara – Serpent: Khớp 1: Góc quay 192o (-96o ÷ 96o) Chiều dài thanh 1 là l1 = 250mm Khớp 2: Góc quay 230o (-115o ÷ 115o) Chiều dài thanh 2 là l2 = 150mm Khớp 3: Tịnh tiến tối đa 100mm Khớp 4: Góc quay 4500 2.2 Cấu hình Robot Scara – Serpent Robot Scara – Serpent có cấu hình như sau: l1 θ1 l2 θ2 3 1 2 d3 θ4 4 Hình 2.2 Cấu hình Robot Scara – Serpent Robot Scara – Serpent gồm 3 khớp quay và một . Robot Scara – Serpent. Chương IV :Ttổng hợp các mạch vòng điều chỉnh cho Robot Scara – Serpent theo phương pháp điều khiển không gian khớp độc lập, và mô phỏng. Chương V: Lắp ráp thực nghiệm hệ điều. hệ giữa các khớp được tính đến. b. Phân loại theo phương pháp điều khiển - Điều khiển không thích nghi - Điều khiển thích nghi Các phương pháp điểu khiển không thích nghi như: điều khiển phản. hồi, điều khiển tiền định, phương pháp tính mô men Trong các phương pháp này bỏ qua sự phi tuyến và sự thay đổi các tham số của Robot. Các phương pháp điều khiển thích nghi như: phương pháp mô