Điều khiển hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật điện tử

ii MC LC TịMăTT i MC LC ii DANHăMCăCỄCăTăVITăTT v DANHăMCăCỄCăBNG vii DANHăMCăCỄCăHỊNHăNH viii CHNGă1ăGIIăTHIUăLUNăVĔN 1 1.1. Tổng quan v robot 1 1.2. K thutăđiuăhngăchoărobotădiăđng bằng bánh xe 12 1.3. Tóm tt mt s côngătrìnhăđƣănghiênăcu. 14 1.4. NhnăxétăchungăvƠăhng tip cn. 20 1.5. Mc tiêu của lunăvĕn. 22 1.6. Nhim v của lunăvĕn. 22 1.7. Gii hn của lunăvĕn. 22 1.8. Đim mi của lunăvĕn. 22 1.9. Ni dung của lunăvĕn. 23 CHNGă2ăCăSỞăLụăTHUYT 24 2.1. Tiêu chuẩn ổnăđnh Lyapunov 24 2.2. Điu khinătrt 25 2.2.1 Xuấtăphátăđim củaăphngăphápăđiu khinătrt 25 2.2.2. Nguyênălýăđiu khinătrt 29 2.2.3. Cácăbc xây dng b điu khinătrt 29 CHNGă3ăXỂYăDNGăMỌăHỊNHăTOỄNăăCHOăROBOTăDIăĐNGăCịă CÁNH TAY MÁY 31 3.1. Mô hình hình hc củaărobotădiăđng có cánh tay máy hai bánh xe: 31 iii 3.1.1. Gii thiu 32 3.1.2. Môăhìnhăđng hc củaărobotăhƠnăcóăcánhătayămáyădiăđng hai bánh xe …………………………………………………………………………….32 3.1.3.Môăhìnhăđng lc hc của robotăhƠnădiăđng hai bánh xe 329 3.2. Mô hình hc của robot hàn có cánh tay máy nhiu bc có hai bánh xe:………………………………………………………………….………… 34 3.2.1.Gii thiu 34 3.2.2.Môăhìnhăđng hc tay máy 36 3.2.3.Mô hình h thngăărobotăvƠătayămáyădiăđng 37 CHNGă4ăTHITăKăBăĐIUăKHINăTRT 37 4.1. Đặt vấnăđ 38 4.2. Thit k b điu khinătrt 38 4.2.1. Gii thiu 39 4.2.2. Kt qu mô phng 410 a.ăLuăđ gii thutăđiu khin 40 b. Các kt qu mô phng 41 4.3. Gii thutătrtăchoăcánhătayăđaăbc 47 4.3.1. Gii thiu 47 4.3.2. Kt qu mô phng 50 CHNGă5 KTăLUNăVĨăHNGăPHỄTăTRIN 52 5.1. Nhng kt qu đtăđc 52 5.2. Hn ch củaăđ tài 52 5.3. Hng phát trin củaăđ tài 52 TĨIăLIUăTHAMăKHO 54 PHăLC 1.Chngăminhămôăhìnhăđng hcă,đng lc hc robot và b điu khin trt của robot 56 1.1. Môăhìnhăđng hc 56 1.2. Thit k b điu khinătrt tích phân 60 2. Code matlab 56 iv 1.1. Điu khin 1 bc 63 1.2. Điu khinăđaăbc 63 v DANHăMCăCÁCăTăVITăTT Ký hiu Đnăv ụănghƿa ),( yx m Tọaăđ tâm rô bốt  Rad Góc ca rô bốt v m/s Vn tốc dài ca tâm rô bốt  rad/s Vn tốc góc ca tâm rô bốt lwrw  , rad/s Vn tốc góc ca bánh xe phi và trái ),( ww yx m Tọaăđ điểm hàn w  Rad Góc tiăđiểm hàn w v m/s Vn tốc dài tiăđiểm hàn w  rad/s Vn tốc góc tiăđiểm hàn rr yx , m Tọaăđ điểm tham chiu r v m/s Vn tốc mong muốn r  rad/s Vn tốcăgócăđiểm tham chiu b m Khong cách gia bánh xe và trcăđối xng r m Bán kính bánh xe l m ChiềuădƠiăcăcấu gi mỏ hàn c m Kg Khối lng ca phần thân w m Kg Khốiălng ca bánh lái w I kgm 2 Mô men quán tính ca mi bánh lái quanh trc bánh xe m I kgm 2 Mô men quán tính ca mi bánh lái quanh trcăđng kính bánh xe c I kgm 2 Mô men quán tính phần thân quanh trc đng qua phần giao nhau ca trcăđối xng vi trc bánh lái rw  , lw  kgm 2 Mô men xon caăđngăcătácădng lên bánh xe phi và trái KC Kinematic controller ISMC Integral sliding mode controller vi WMR Welding mobile robot WMR : Robot diăđng bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot) vii DANH MC CÁC BNG Bng 1. 1:Ký hiu các loi bánh xe 10 Bng 4. 1:Các giá tr của các thông s khi mô phng 43 Bng 4. 2:Các giá tr banăđầu 43 viii DANHăMCăCÁCăHÌNHăNH Hình 1. 1:Máy hàn hồ quangăđin 2 Hình 1. 2: MáyăhƠnăđiểm 3 Hình 1. 3: Máy hàn hồ quangăđin ARC400 3 Hình 1. 4: Máy hàn hồ quangăđin HERO DC ậ 315 4 Hình 1. 5 : Máy hàn công ngh Inverter 4 Hình 1. 6:Máy Hàn Bán T Đng MAG - VMAG350/500 4 Hình 1. 7 : Robot hàn OTC DAIHEN 5 Hình 1. 8: Robot hàn ARC Mate1000B/2000B ca hang Fanuc 5 Hình 1. 9: Máy hàn ca hãng Panasonic 6 Hình 1. 10 : Rùa hàn t đng bám dầm Hit-8SS 6 Hình 1. 11 : Hàn hồ quang chìm t đng 7 Hình 1. 12 : ASLIB 8 Hình 1. 13 ： Servo-Robot’săMWR-350 8 Hình 1. 14 ： Hình nh các loi bánh xe. 9 Hình 1. 15 ： Cấu hình mtăbánhăláiăphíaătrc, mt bánh truyềnăđng phía sau 10 Hình 1. 16 ：Cấu hình hai bánh truyềnăđng vi trọng tâm  bênădi trc bánh xe 11 Hình 1. 17：Cấu hình hai bánh chuyểnăđngăviăsaiăvƠăthêmăhaiăđiểm tip xúc 11 Hình 1. 18：Cấu hình hai bánh truyềnăđng đc lp  phía sau và mt bánh lái  phíaătrc. 11 Hình 1. 19：Cấu hình hai bánh quay t do  phíaăsau,ăbánhătrc va là bánh truyềnăđng va là bánh lái. 12 Hình 1. 20：Cấuăhìnhăbaăbánhăđaăhng 12 Hình 1. 21：Cấu hình bốnăbánhăđaăhng. 12 Hình 1. 22：Chuyểnăđngăcăbn ca WMR 13 Hình 1. 23：Cấu trúc ca robot di chuyển bằng bánh 14 Hình 1. 24:Mô hình Robot hàn MR-SL 15 Hình 1. 25:Các sai số bám e 1 , e 2 , e 3 có sai lch 15 Hình 1. 26: Vn tốc ca mỏ hàn và WMR. 16 Hình 1. 27:Robot super MARIO 17 Hình 1. 28:Các sai số bám e x và e y ca robot super MARIO 17 Hình 1. 29:Các sai số khiărobotăMICROăbámăđng thẳng. 18 Hình 1. 30:Các sai lch bám e 1 ,e 2 ,e 3 ca robot hàn. 19 Hình 1. 31:Vn tốc góc ca robot ca robot hàn 19 Hình 1. 32:Robotăbámătheoăđng thẳng. 20 Hình 1. 33:Robotăbámătheoăđng cong. 20 Hình 2. 1:Minh họa hàm Lyapunov 25 Hình 2. 2:Săđồ khối mt h điều khiển 25 Hình 2. 3:Đồ thị quỹ đo pha 26 Hình 2. 4:Gii thích hinătngătrt . 27 Hình 2. 5:Giiăthíchănguyênălýătrt 29 ix Hình 3. 1:Cấu trúc hình học ca robot hàn 31 Hình 3. 1:Tay máy ba liên kt 36 Hình 4. 1:Luăđồ gii thutăđiều khiển 41 Hình 4. 2:Quỹ đoă(đng hàn) mong muốn cho WMR 41 Hình 4. 3:Chuyểnăđngăbámăđng hàn mong muốn ca WMR 43 Hình 4. 4:Sai lch vị trí e 1 , e 2 , e 3 43 Hình 4. 5:Vn tốc góc ca bánh phi và bánh trái 44 Hình 4. 6: Mặtătrt S 1 44 Hình 4. 7:Mặtătrt S 2 45 Hình 4. 8: Momen bánh trái và phi 45 Hình 4. 9: Cấuăhìnhăbanăđầu ca tay máy 46 1 CHNGă1 GII THIU LUNăVĔN 1.1. Tổng quan v robot Robot hay ngiămáy lƠămtăloi máy cóăthểăthcăhinănhngăcôngăvicămtă cách tă đng bằngă s điềuă khiển ca máy tính hoặcă cácă viă mchă đină tửă đcă lpă trình. LƠămtătácănhơn căkhí,ănhơnăto,ăo,ăthngălƠămt hăthống căkhí-đinătử. ViăsăxuấtăhinăvƠăchuyểnăđngăcaămình,ărobotăgơyăchoăngiătaăcmăgiácărằngă nó có giácăquanăgiốngănhăconăngi.ăTă"robot"ă(ngiămáy)ăthngăđcăhiểuă viăhaiănghĩa:ărobot căkhí và phầnămềm tăhotăđng.ă Ngày nay, ngành công nghip robotăđƣăđtăđc nhng thành tu ht sc to ln. Nhngăcánhătayărobotăđcăđặt trên mtăđ cố định, có thể di chuyển vi tốcăđ nhanhăvƠăchínhăxácăđể thc hin các công vic có tính chất lặpăđiălặp li nhăhƠnă hoặcăsn.ăTrongăcôngănghipăđin tử, các cánh tay robot có thể sử dngăđể lp ráp linh kin choătiăvi,ămáyătính,ăđin thoiădiăđng viăđ chính xác rất cao. Robotăđƣădần thay th conăngi làm nhng công vic  nhngăniăcóămôiă trngăđc hi cao, nhăhầm mỏ, nghề đúcăkimăloi, ngành nghề sn xuất phi tip xúc vi các hóa chấtăđc hi, ngành hàn vv.  đơyăngi nghiên cuăđề cpăđn robot ng dng trong ngành hàn. Công ngh hàn hồ quangăđƣăng dng hồ quangăđinăđể to ra nhităđ làm nóng chy kim loi, khi ngt hồ quangăđin kim loi nóng chyăđcăđể ngui, kim loi đôngăđặc li và to ra liên kt gia các vt hàn vi nhau. Bn chất ca hồ quang và s raăđi ca nó: Hồ quangăđinălƠăquáătrìnhăphóngăđin t lc, xy ra trong chất khí  áp suất thng, hoặc áp suất thấp giaăhaiăđin cc có hiuăđin th không ln. Trên thc t nó là dng plasma to ra qua s traoăđổiăđin tích liên tc, nó có rất nhiều ng dng trong kỹ thut nh nhităđ cao ca các cặpăđin cc. Mt cc ca hồ quang là tấm kim loi cần hàn còn cc kia là que hàn, do nhităđ cao gia hai cc, que hàn nóng chy và lấp ch cần hàn trên tấm kim loi. 2 Hình 1. 1:MáyăhƠnăhồăquangăđin - Máy hàn này sử dng que hàn có thuốc bọc. - Sử dngădòngăđin hàn AC hoặc DC S phát triển ca công ngh hàn: Khongănĕmă3200ănĕnătrc Công Nguyên hàn vy cngăcácăđồ trang sc. Khongă1500ănĕmătrcăcôngănguyênăhƠnăghépăsăkhaiăđầu tiên, hàn qua lửa và hàn rèn. Nĕmă1809ăDavyănhƠăvtălýăngiăAnhăđã phát hin ra hồ quangăđin. Nĕmă1867ăElikuăThomsenăđƣăphátăhinăraăhƠnăđin tr t thép. Nĕmă1885ărussen,ăBernadosăvƠăOlszewskyăđƣăthử nghim phngăphápăhƠnă hồ quang. Hồ quangăđcăđcăđốt cháy gia cc than và chi tit. Nĕmă1890ăRusseăSlavianoffăphátătriểnăphngăphápăhƠnăhồ quang viăđin cc kim loi nóng chy phát hin ra Axêtylen- phát triểnăphngăphápăhƠnăhóaălỏng khí. Nĕmă1896ăDragerăphátăhin ra que hàn. Nĕmă1901ălầnăđầu tiên áp dng axeton gii phóng axêtylen ậ Kjellbergw lần đầu tiên sử dng que hàn có vỏ bọcăđể hàn các thit bị. Nĕmă1937ăhƠnădi lp thuốc bọcăđc áp dng  ncăĐc. Nĕmă1940ăbtăđầuăhƠnăkhíătrăvolframă Mỹ bằngăkhíătrăHeliăậ HƠnăkhíătră  CngăHòaăLiênăBangăĐc bằng khí Argon , hàn khí bo v bằng khí CO2 ng dng nhiều trong công ngh hàn t đng. Nĕmă1995ălầnăđầuătiênăqueăhƠnăđin có sỉ  UDSSR. [...]... aăraăm t gi i thu t điều khiển mà đóălƠăs k t h p c a b điều khiển tr học v i gi i thu t điều khiển tr theo chi năl t tích phân cho m t robot di đ ng hai bánh bám c mong muốn v i m t v n tốcăkhôngăđổi Điều khiển tr đóăđ tătrênăc ăs điều khiển đ ng học vƠăđ ng l c tăđầuătiênăđ c nghiên c u b i Emelyanov et al (1970) và sau c Itkis (1976) và Utkin (1977) phát triển lên Ph ngă phápă điều khiển tr dung c... mô phỏng và k t qu mô phỏngăđ cătrìnhăbƠyăđể minh họa hi u qu c a gi i thu t điều khiển 1.5 M c tiêu của lu năvĕn M c tiêu c aă đề tƠiă lƠă ă Điều khiển bám theo chi nă l robot hai bánh dùng b điều khiển tr khiển tr c mong muốn cho t”.ă C thể,ă đề tƠiă đ aă m t gi i thu tă điều t để điều khiển WMR bám theo chi năl c mong muốn v i v n tốc không đổi 1.6 Nhi m v của lu năvĕn Tổng quan về robot di đ ng... n theo haiăh ng sau : - T điểm nƠyă(điểm b tăđầu)ăđ năđiểm kiaă(điểm m c tiêu) - Di chuyển bám theo quỹ đ oăchoătr c Hình 1 22：Chuyểnăđ ngăc ăb năc aăWMRă a) di chuyển t điểm b tăđầuăđ năđiểm đích, b) di chuyển theo quỹ đ o WMR di chuyển theo m tă quĩă đ oă định sẵnă đ Robot bám đ ng có thể di chuyển theo m tăđ ng,ăđ c gọiă lƠă robot bám đ ngăđiăcóăthể là có thể đ nhìn nh nănh ăm tădòngămƠuăđenătrênăm t bề... c u đƣăchọn thi t k b điều khiển phi tuy n b i s yêu cầu kh t khe c a robot hàn Để t o ra m t b điều khiển choăcác Robot di đ ng bám quỹ đ o v i m t v n tốc cho tr c th c hi n m t nhi m v nƠoăđóălƠăvấnăđề đ c quan tâm Nh ng thách th c l năđóălƠăb điều khiển là ph iătácăđ ngănhanhăkhiăđầu vào tham chi uăthayăđổi và n u thi t k b điều khiển chỉ d aăvƠoămôăhìnhăđ ng học, thì khi robot ho tăđ ng ch c ch... ng l c học cho robot hàn di đ ng hai bánh Thi t k b điều khiển tr đ t cho robot hàn di đ ng hai bánh bám theo ng hàn mong muốn Mô phỏngăvƠăđánhăgiáăk t qu Thi t k môăhình robot hƠn di đ ng K t lu năvƠăđ aăraăh ng phát triển c aăđề tài 1.7 Gi i h n của lu năvĕn Kh o sát d a vào mô phỏng robot hàn di đ ng hai bánh sử d ng gi i thu t điều khiển tr tv iđ ng hàn mong muốnă choă tr c trên máy tính, bằng... trên robot super MARIO - m t robot di đ ng điều khiển bằng hai bánh xe khácănhau,ăđ c mô t nh ăhìnhă 1.3.7 K t qu mô phỏng các sai l ch thể hi n hình 1.3.8 16 Hình 1 27 :Robot super MARIO Hình 1 28:Cácăsaiăsố bám ex và ey c a robot superăMARIO MặcădùăbƠiătoán điều khiển các h thống Robot di chuyển theo lý thuy t thì hầuănh ăđƣăđ c gi i quy t,ănh ngăđối v i các nhà thi t k điều khiển WMR có v n còn nhiều... quy t bài toán điều khiển bám cho WMR Robot sử d ng trong th c nghi m có tên là MICRO và k t qu mô phỏng khi robot bám đ ng thẳngănh ăhìnhă1.3.9 17 Hình 1 29:Cácăsaiăsốăkhi robot MICRO bám đ K t qu mô phỏng cho thấy robot có thể bám theo đ nh ngăv n còn hi năt ngădaoăđ ng l nănh ăsaiăsố thể hi n ngăthẳng ng cong tham chi u, hình 1.12 5 “Sliding mode control of two –wheeled welding mobile Robot for tracking... hai chiều Quỹ đ o tham chi u trong [10] có thể là m tă đ đo n thẳng và k t qu mô phỏngăkhi Robot bám đ hình 1.20, 1.21 19 ng cong hay m t ng thẳng,ăđ ngăcongănh ă Hình 1 32 :Robot bám theo đ Hình 1 33 :Robot bám theo đ Ph ngăthẳng ngăcong ngănƠyăchoăthấy robot bám theo quỹ đ oăđ ng thẳngăhayăđ ng cong tham chi u rất tốt, có thể áp d ng và nghiên c u thêm 1.4 Nh năxétăchungăvƠăh ng ti p c n Qua các công... PHÁT TRI N 23 CH NGă2 C ăSỞ LÝ THUY T N i dung c a lu năvĕnănƠyăđ aăraăm t b điều khiển phi tuy n,ăđ b điều khiển đ ng học và b điều khiển tr congăchoătr đ ck th p t cho rô bốtăhƠn bám theo đ ng hàn c v i tốcăđ mong muốnăkhôngăđổi.ăĐầu tiên, b điều khiển đ ng học c thi t k để vécăt ăsaiăsố vị trí ti m c n về không Th hai, b điều khiển đ ng l c họcă tr tđ c thi t k để choă vécă t ăsaiă số v n tốcă cũngă... học c a WMR bám quỹ đ oăđƣăđ gi năđ c gi i quy tătrongă[5].ăTrongă[5]ăđề xuất m t b điều khiển phi tuy năđ nă c thi t k d aătrênămôăhìnhăđ ng học cho robot di đ ng hàn hai bánh, tính bền v ng d a vào lý thuy t ổnăđịnhăLyapunovăđể bám đ ng hàn v i v n tốc không đổi H thống này (xem hình 1.2) có ba b c t do bao gồm c hai bánh xe và thanh tr t mỏ hàn Hình 1 24:Mô hình Robot hàn MR-SL Lu t điều khiển cóăđ . CHNGă3ăXỂYăDNGăMỌăHỊNHăTOỄNăăCHO ROBOT DI ĐNGăCịă CÁNH TAY MÁY 31 3.1. Mô hình hình hc của robot di đng có cánh tay máy hai bánh xe: 31 iii 3.1.1. Gii thiu 32 3.1.2. Môăhìnhăđng hc của robot hƠnăcóăcánh tay máy di đng. góc ca robot ca robot hàn 19 Hình 1. 32 :Robot bám theo đng thẳng. 20 Hình 1. 33 :Robot bám theo đng cong. 20 Hình 2. 1:Minh họa hàm Lyapunov 25 Hình 2. 2:Săđồ khối mt h điều khiển. 1.1. Tổng quan v robot Robot hay ngi máy lƠămtăloi máy cóăthểăthcăhinănhngăcôngăvicămtă cách tă đng bằngă s điều khiển ca máy tính hoặcă cácă viă mchă đină tử đcă lpă trình.