Điều khiển hệ tay máy di động dùng bộ điều khiển trượt

iv TÓM TT Theo đà phát triển nhanh chóng ca khoa học, Robot ngày càng đợc sử dụng phổ biến hơn trong sản xuất cũng nh trong đi sống ca con ngi. Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế đợc, nó giúp con ngi làm việc với năng suất cao và đặc biệt trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm đợc nhiều sự quan tâm ca các nhà nghiên cu và xã hội. Từ thực tế đó, việc xây dựng các bộ điều khiển cho Robot di động đã tr nên một yêu cầu thiết yếu. Những thách thc lớn đó là bộ điều khiển phải tác động nhanh khi đầu vào tham chiếu thay đổi và nếu thiết kế bộ điều khiển chỉ dựa vào mô hình động học. Khi robot thực hoạt động, chắc chắn sẽ bị tác động ca nhiễu nh ma sát, lực cản không khí, thay đổi thông số trong mô hình… gây ra sai lệch lớn so với các giá trị tham chiếu. Luận văn này tập trung thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy di động theo phơng pháp điều khiển chuyển động phân tán dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Khi đó hệ tay máy đợc xem nh hai hệ con riêng biệt là đế di động và tay máy. Hai bộ điều khiển chuyển động phân tán đợc thiết kế để điều khiển hai hệ con này. Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển, tiến hành viết chơng trình mô phỏng dùng phần mềm Matlab, tiến hành chạy mô phỏng để kiểm chng quá trình hội tụ và tính ổn định ca các sai lệch vị trí và tốc độ. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đợc trình bày cho thấy hiệu quả ca bộ điều khiển. v ABSTRACT Nowadays, Robot is widely used in industry and human life. It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions. The field of Moving-Robot has attracted a lot of attention of researchers and society. From the fact of that, designing the controllers of Moving-Robot has became an important problem. This thesis presents a decentralized motion control method of wheeled mobile manipulator based on the Lyapunov’s stability condition. The wheeled mobile manipulator is consisdered as two separate subsystems such as a mobile platform and a manipulator. Two decentralized motion controllers are designed to control two subsystems, respectively. At the end, some simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the control algorithm developed for monile manipulator. vi MC LC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Li cam đoan ii Li cảm ơn iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục vi Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xi Chng 1. Tng quan 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cu, các kết quả nghiên cu trong và ngoài nớc đã công bố. 2 1.2.1 Tổng quan chung về robot 2 1.2.3 Các kết quả nghiên cu trong và ngoài nớc đã công bố 17 1.3 Mục đích ca đề tài 25 1.4 Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cu 25 1.5 Kết quả dự kiến đạt đợc 25 vii Chng 2. C s lỦ thuyt 26 2.1 Định lý ổn định th 2 ca Lyapunov: Sử dụng trong thiết kế bộ điều khiển 26 2.2 Lý thuyết điều khiển trợt 28 2.2.1 Giới thiệu chung 28 2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển trợt tích phân đối với hệ thống phi tuyến 31 Chng 3. Mô hình toán h tay máy di đng 34 3.1 Mô hình hình học ca hệ tay máy di động: 34 3.2 Mô hình robot di động: 35 3.2.1 Mô hình động học robot di động 35 3.2.2 Mô hình động lực học robot di động 37 3.3 Mô hình tay máy ba bậc tự do: 39 3.3.1 Mô hình động học tay máy 39 3.3.2 Mô hình động lực học tay máy 40 Chng 4. Thit k b điu khin 43 4.1 Giới thiệu: 43 4.2 Thiết kế bộ điều khiển bám cho hệ tay máy di động: 43 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học (KC) kết hợp với bộ điều khiển trợt tích phân (ISMC) cho tay máy 43 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học cho robot di động: 47 Chng 5. Kt qu mô phng 53 Chng 6. Kt lun vƠ hng phát trin đ tài 66 6.1 Những kết quả đạt đợc 66 viii 6.2 Hạn chế ca đề tài 66 6.3 Hớng phát triển ca đề tài 66 Tài liu tham kho 68 Ph lc A 71 Ph lc B 75 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 3 Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 3 Hình 1.3 iRobot Roomba®415 5 Hình 1.4 Robot Dragon hoạt động trong mọi điều kiện môi trng. 5 Hình 1.5 Robot tự hành Sojourner 6 Hình 1.6 Robot Plustech 6 Hình 1.7 Robot MAARS đợc sử dụng trong quân đội 7 Hình 1.8 Xe tự hành (autonomous guided vehicle – AGV) 7 Hình 1.9 Robot ASIMO ca hãng Honda 13 Hình 1.10 Robot Hector ca trng Đại học Bielefeld (Đc) thiết kế 13 Hình 1.11 Robot bám theo quỹ đạo tham chiếu 18 Hình 1.12 Mô hình robot hàn MR-SL 20 Hình 1.13 Các sai số bám 1 e , 2 e , 3 e 20 Hình 1.14 Robot SuperMARIO 21 Hình 1.15 Các sai số bám x e và y e (m) 21 Hình 1.16 MICRO robot 22 Hình 1.17 Các sai số khi robot bám đng thẳng 23 Hình 1.18 Robot hàn MSB-2 24 Hình 1.19 Các sai lệch bám 1 e , 2 e , 3 e 24 Hình 1.20 Vận tốc góc ca robot 24 Hình 2.1 – 2.2 Minh họa hàm Lyapunov 27 Hình 2.3Ví dụ minh họa đinh lý Lyapunov 27 Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi 29 Hình 2.5 Các hệ thống có điều khiển trợt 30 Hình 2.6 Hình chiếu quỹ đạo pha 30 x Hình 2.7 Biểu diễn hình chiếu ca quỹ đạo pha 33 Hình 2.8 Hiện tợng chattering 33 Hình 3.1 Sơ đồ ca hệ tay máy di động 34 Hình 3.2: Vận tốc dài ca các bánh xe và tâm quay M 36 Hình 4.1. Hình biểu diễn các thành phần vector sai số o e ca tay máy 44 Hình 4. 1. Hình biểu diễn các thành phần vector sai số ca MP 48 Hình 4.3. Đặc tính hàm ( )   49 Hình 4.4. Lu đồ giải thuật điều khiển 52 Hình 5.1. Cấu hình ca hệ tay máy di động khi bám theo quỹ đạo 57 Hình 5.2. Quỹ đạo ca điểm tác động cuối bám theo quỹ đạo khi bắt đầu 57 Hình 5.3. Các sai số bám 1 e , 2 e , 3 e trong toàn thi gian 58 Hình 5.4. Các sai số bám 1 e , 2 e , 3 e khi bắt đầu 58 Hình 5.5. Các sai số bám 4 e , 5 e , 6 e trong toàn thi gian 59 Hình 5.6. Các sai số bám 4 e , 5 e , 6 e khi bắt đầu 59 Hình 5.7 Giá trị các góc khớp ca tay máy 60 Hình 5.8 Mặt trợt S1 và S2 60 Hình 5.9 Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay ca đế di động 61 Hình 5.10 Vận tốc bánh trái và vận tốc bánh phải 61 Hình 5.11. Vận tốc ca điểm tác động cuối và vận tốc mong muốn trong toàn thi gian 62 Hình 5.12. Vận tốc ca điểm tác động cuối và vận tốc mong muốn khi bắt đầu 62 Hình 5.13. Vector ngõ vào điều khiển  cho tay máy 63 Hình 5.14. Vector mặt trợt Sv  thi gian bắt đầu 63 Hình 5.15. Các sai số v e  thi gian bắt đầu 64 Hình 5.16. Các sai số v e trong toàn bộ thi gian 64 Hình 5.17. Vector moment điều khiển tay máy 65 xi DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển ca Robot 9 Bảng 1.2 Ký hiệu ca các loại bánh xe 14 Bảng 1.3 Các cách bố trí bánh xe ca Robot 15 Bảng 5.1. Các thông số ca hệ tay máy 53 Bảng 5.2. Các giá trị khi tạo ban đầu 54 Bảng 5.3. Các giá trị thông số sử dụng trong mô phỏng 55 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1. Đặt vấn đ Cùng với sự tiến bộ ca khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử tự động hóa đợc ng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng nh trong đi sống xã hội. Nh vậy, nớc ta đã có nhiều bớc phát triển mạnh mẽ và cuộc sống nhân dân ngày càng đợc nâng cao về mọi mặt. Chúng ta dễ dàng nhận ra rằng, nhiều thành tựu to lớn đã đạt đợc đó là nh vào đng lối chính sách ca Đảng và Nhà nớc về đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nớc. Để thực hiện tốt nhiệm vụ này thì đòi hỏi sự tham gia đóng góp ca toàn dân, nhng bộ phận nòng cốt phải là giới trí thc, những ngi nghiên cu khoa học. Hay nói một cách khác, xã hội đã giao một trọng trách khá lớn cho giới trí thc trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nớc. Để thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nớc, chắc chắn cần phải nghiên cu phát triển các thiết bị tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà  nớc ta đang nghiên cu và từng bớc chế tạo để ng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động. Việc nghiên cu và chế tạo robot nhằm đáp ng vào nhu cầu thực tế ca các dây chuyền sản xuất là hết sc cần thiết, vì Robot sử dụng đợc trong các môi trng có điều kiện khắc nghiệt nh: áp suất, nhiệt độ cao; từ trng mạnh … giúp tăng năng suất và tiết kiệm sc lao động ca con ngi. 2 1.2. Tng quan chung v lĩnh vực nghiên cu, các kt qu nghiên cu trong vƠ ngoƠi nc đã công bố. 1.2.1 Tng quan v robot Những Robot xuất hiện lần đầu tiên  NewYork vào ngày 9/10/1922 trong v kịch “Rossum’s Universal Robot” ca nhà soạn kịch ngi Tiệp Khắc là Karen Chapek, còn từ Robot là một cách gọi khác ca từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những ngi máy có khả năng làm việc nhng không có khả năng suy nghĩ. Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục đợc phát triển, đóng góp thêm bi nhiều nhà nghiên cu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot. Trớc những năm 1970, ngi ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt đợc những thành tựu hết sc to lớn. Những tay máy đợc đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại nh hàn hoặc sơn . Hình 1.1 Giới thiệu robot hàn IRB 1410 ArcPack do Công ty ABB Việt Nam lắp đặt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất quá trình hàn các kiện lắp ráp xe gắn máy tại Nhà máy sản xuất cơ khí Hải Hà. Một trong các tính năng nổi trội đó là khả năng tự khôi phục lỗi, theo đó robot có thể tự động tìm lại vị trí hàn bị lỗi để tiếp tục hàn. Điều này giúp tránh bị bỏ sót mối hàn khi hệ thống bị lỗi - điều mà chỉ có robot ABB có thể làm đợc. Một điểm khác đáng chú ý là tính năng AutoSave - robot tự động lu lại các chơng trình đang lập trình nếu xảy ra mất điện, do vậy giúp khách hàng tiết kiệm thi gian lập trình robot trong trng hợp bị mất điện. (http://automation.net.vn/Robot-Robotics/ABB-lap-dat-robot-han-tai-nha-may- san-xuat-co-khi-Hai-Ha.html) [...]... hiện các công việc nh sau - Xây dựng mô hình động lực học cho hệ tay máy – robot di động - Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo - Mô phỏng kiểm ch ng hệ thống trên Matlab 1.5 K t qu dự ki n đ t đ c: - Mô hình động lực học cho hệ tay máy di động - Xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ tay máy di động - Mô phỏng hệ tay máy di động bám theo quỹ đạo 25 Ch C S ng 2 Lụ THUY... điểm c a nhiều bộ điều khiển ổn định vị trí là quá trình chuyển tiếp kém Tất cả các bộ điều khiển trên chỉ xem xét các mô hình động học, bỏ qua động lực học hệ thống cơ khí Gần đây, nhiều sơ đồ điều khiển đã đ ợc đề xuất để giải quyết các vấn đề điều khiển kể cả động lực học robot di động * Trong [15], kỹ thuật điều khiển kiểu tr ợt mà nó tích hợp bộ điều khiển động học và bộ điều khiển động lực học... tiêu c a luận văn là xây dựng hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng Những mục tiêu c a đề tài đ ợc đề ra nh sau: ứ Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động ứ Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo ứ Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab 1.4 Cách ti p c n vƠ ph ng pháp nghiên c u: Khi nghiên c u hệ tay máy di động, một trong những vấn đề... làm thế nào để điều khiển cho hệ bám quỹ đạo tham chiếu, giúp tạo ra nền tảng để đạt đ ợc khả năng vận động c a tay máy Do đó, nhiệm vụ c a đề tài là dựa trên các nghiên c u tr ớc đây về điều khiển bám (quỹ đạo tham khảo và tốc độ đặt tr ớc) đ a ra giải thuật điều khiển mới để giải quyết những vấn đề đặt ra Trên cơ s tổng hợp tài liệu về robot di động, tay máy và các thuật toán điều khiển cho robot... nix cọ rửa tàu, Tp HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng robot song song Hexapode có độ chính xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật t kho gồm 3 robot di động chạy trên ray Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên c u phát triển các hệ điều khiển robot di động qua truyền thông không dây và Internet…Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các ph ơng pháp điều khiển truyền thống nh PID, ph... men, ph ơng pháp điều khiển tr ợt đến các ph ơng pháp điều khiển thông minh nh điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic m , thuật gen và các ph ơng pháp điều khiển tự thích nghi,… Các công bố về điều khiển robot cho robot công nghiệp, hexapod, robot di động phải kể đến các công trình c a Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội Lĩnh vực robot di động với nhiều... hồi Điều khiển tr ợt đã tr thành loại điều khiển cơ bản trong hệ thống điều khiển cấu trúc biến đổi (đ ợc gọi là VSC) VSC bao gồm một tập hợp các hệ thống con liên tục với một logic chuyển mạch thích hợp, và kết quả là, những hoạt động điều khiển là các hàm không liên tục c a trạng thái hệ thống, các loại nhiễu, và các ngõ vào tham chiếu (control systems, robotics and automation – Vol XIII - Sliding... (xem hình 1.12) có ba bậc tự do bao gồm cả hai bánh xe và thanh tr ợt mỏ hàn Hình 1.12 Mô hình robot hàn MR-SL Luật điều khiển là thu đ ợc từ các hàm điều khiển Lyapunov để đảm bảo sự ổn định tiệm cận c a hệ thống Bộ điều khiển có ba thông số để điều chỉnh sự thực hiện c a hệ thống điều khiển Một cách đơn giản để đo các sai lệch là sử dụng hai cảm biến là hai chiết áp Một là cảm biến để đo khoảng cách... nghệ Quân sự nghiên c u chế tạo robot sơn xe quân giới, robot phục vụ chế tạo thuốc súng, robot di động gắp mìn điều khiển từ xa,… Viện CNTT triển khai các nghiên c u tích hợp hệ robot-camera phân loại sản phẩm, hệ robot 2 bậc tự do PanTilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, robot di động phục vụ tự động hóa kho hàng Gần đây, trong ch ơng trình nghiên c u cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010... 1950 Phát minh ra cánh tay máy Giới Phát sinh khái niệm thiệu về bộ nhớ vòng Robot thông minh Giới thiệu Robot điều khiển bằng Phát triển Robot Máy Hoạt động nghiên c u c 1970 đ ợc tăng NASA và NAVY minh nhân tạo dùng trong những việc nguy hiểm (1983) 1990 Giới thiệu vi xử lý ng Chế tạo ra Robot 1980 ng dụng Robot Robot có trí thông Sự bùng nổ lần để dùng trong công nghiệp transitor máy tính 1960 tính . cho hệ tay máy di động: 43 4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển động học (KC) kết hợp với bộ điều khiển trợt tích phân (ISMC) cho tay máy 43 4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển động lực học cho robot di động: . bộ điều khiển cho hệ tay máy di động theo phơng pháp điều khiển chuyển động phân tán dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Khi đó hệ tay máy đợc xem nh hai hệ con riêng biệt là đế di động. h tay máy di đng 34 3.1 Mô hình hình học ca hệ tay máy di động: 34 3.2 Mô hình robot di động: 35 3.2.1 Mô hình động học robot di động 35 3.2.2 Mô hình động lực học robot di động 37 3.3