Nghiên cứu động học, động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho Robot hai khâu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƢ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình tự làm nghiên cứu, luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Nguyễn Thế Phương Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .7 MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: .12 TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 12 1.1 Các khái niệm phân loại robot: 12 1.1.1 Robot robotic: .12 1.1.2 Robot công nghiệp: 13 1.1.3 Các cấu trúc robot công nghiệp: 14 1.1.3.1 Cấu trúc chung: 14 1.1.3.2 Kết cấu tay máy: .15 1.1.4.Truyền động điều khiển Robot .16 1.1.4.1.Hệ truyền động robot .16 1.1.4.2.Truyền động điện .17 1.1.4.3.Truyền động khí nén thuỷ lực 17 1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 18 1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 18 1.1.6.1 Khái quát 18 1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .19 1.2.Động học tay máy robot khâu chuyển động mặt phẳng .22 1.2.1.Bài toán động học thuận: 22 1.2.2.Bài toán động học ngược 23 1.2.3.Động học robot di chuyển nhỏ 25 1.2.3.1 Giới thiệu 25 1.2.3.2.Thuộc tính ma trận Jacobian 27 1.2.3.3.Động học ngược chuyển động nhỏ 27 1.3.Động lực học tay máy robot khâu 28 1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot .31 1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ điều khiển PD 32 1.4.2 Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 33 1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 33 1.4.4 Nhận xét chung 34 CHƢƠNG 2: .35 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT KHÂU 35 2.1 Khái quát 35 2.2 Tổng hợp điều chỉnh vị trí PID cho động điện chiều 36 2.2.1 Các thông số ban đầu 36 2.2.1.1 Động điện chiều 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.1.1.1 Động điện chiều 36 2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động điện chiều 38 2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 39 2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu .39 2.2.1.3 Biến dòng: 40 2.2.1.4 Máy phát tốc: .40 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 41 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 41 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): 44 2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ) .47 2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng điều chỉnh PID 51 2.3.1 Mô hình simulink 51 2.3.2 Kết mô điều khiển vị trí cánh tay Robot dùng PID 53 2.4 Xây dựng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot khâu 56 2.4.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 56 2.4.2 Sự cần thiết dụng điều khiển mờ 57 2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 59 2.4.3.1 Mô hình điều khiển mờ 60 2.4.3.2 Biến ngôn ngữ miền giá trị 62 2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 63 2.4.3.4 Xây dựng luật điều khiển .65 2.4.3.5 Luật hợp thành 68 2.4.4 Sơ đồ mô kết .69 2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 69 2.4.4.2 Kết mô điều khiển vị trí Robot dùng chỉnh định mờ 70 2.5 Kết luận Chƣơng 72 CHƢƠNG 3: .73 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 73 3.1 Mô hình khối chức 73 3.1.1 Bộ điều khiển 73 3.1.2 Động 74 3.2 Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng chỉnh định mờ điều khiển PID 74 3.3 So sánh quỹ đạo PID chỉnh định mờ tham số PID 75 3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg .75 3.3.1.1 Qũy đạo sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 75 3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 77 3.3.1.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 78 3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 79 3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 79 3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 81 3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 81 3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 81 3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 82 3.3.3.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 83 3.4 Nhận xét chƣơng 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 Kết luận 85 Kiến nghị 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng robot .13 Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo cánh tay robot 20 Bảng 1.3: Thông số vật lý cánh tay robot khâu 22 Bảng 2.1: Các thông số động điện chiều .38 Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp 66 Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd 67 Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc robot công nghiệp .14 Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc hệ thống điều khiển 15 Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu tay máy 16 Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu .19 Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot khâu .21 Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot khâu .23 Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot khâu .26 Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot khâu 28 Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín 31 Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 32 Hình 1.11: Điều khiển PD 32 Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng .33 Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 33 Hình 1.14: Cấu trúc robot + hệ dẫn động 34 Hình 2.1: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 36 Hình 2.2: Cấu trúc động điện chiều từ thông không đổi 39 Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển 39 Hình 2.4 sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 41 Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện rút gọn .42 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 44 Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 45 Hình 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí 47 Hình 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 50 Hình 2.11: Mô hình hệ thống sử dụng điều khiển PID .51 Hình 2.12 : Mô hình khối điều khiển dòng điện tốc độ động 51 Hình 2.13: Mô hình khối điều khiển dòng điện tốc độ động .52 Hình 2.14: Mô hình khối subsystem1 52 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.15: Mô hình khối subsystem2 52 Hình 2.16: Mô hình khâu phản hồi vị trí .52 Hình 2.17: Mô hình khâu phản hồi vị trí .52 Hình 2.18: Mô hình Robot khâu 53 Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID .54 Hình 2.21: Đồ thị góc quay 54 Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc 55 Hình 2.23: Dòng điện động 1,2 .55 Hình 2.24: Tốc độ động 1,2 56 Hình 2.25 Quan hệ   .57 Hình 226: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID .59 Hình 2.27: Cấu trúc chỉnh định mờ KP .61 Hình 2.28: Cấu trúc chỉnh định mờ KD 61 Hình 2.29: Cấu trúc chỉnh định mờ KI 62 Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf biến et, det 64 Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc biến Hesokp , Hesokd Hesoki .64 Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et 64 Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det 65 Hình 2.35: Đặc tính độ thƣờng gặp hệ điều khiển dùng PID 65 Hình 2.36: Mô hình hệ thống sử dụng chỉnh định tham số điều khiển 69 Hình 2.37: Mô hình điều khiển khâu thứ dùng PI+D 69 Hình 2.38: Mô hình điều khiển khâu thứ dùng PD 70 Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt quỹ đạo Robot dùng Fuzzy 70 Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy .70 Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy 71 Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy .71 Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy 71 Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động dùng Fuzzy 72 Hình 2.45: Đồ thị dòng điện động dùng Fuzzy 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.1: Các khối chức 73 Hình 3.2: Mô hình điều khiển khâu thứ dùng PI+D 73 Hình 3.3: Mô hình điều khiển khâu thứ dùng PD 73 Hình 3.4: Mô hình điều khiển động DC 74 Hình 3.5: Mô hình hệ thống sử dụng chỉnh định mờ 74 Hình 3.6: Mô hình hệ thống sử dụng điều khiển PID 75 Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động robot khâu 76 Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 76 Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 77 Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 77 Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 77 Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 79 Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 79 Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 80 Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 80 Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 80 Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 81 Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 81 Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 82 Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 82 Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 82 Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy ………… 84 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Điều khiển tự động từ lâu quan tâm nhiều nhà khoa học Từ ngƣời biết sáng tạo công cụ lao động ý tƣởng điều khiển tự động đƣợc đặt lên hàng đầu Con ngƣời phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày cao Đỉnh cao công nghệ điều khiển tự động công nghệ chế tạo robot Ngày Robot đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, đem lại hiệu to lớn sản xuất công nghiệp, quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ nhƣ sản xuất đời sống… thiết bị thiếu hệ thống sản xuất đại, đặc biệt hệ thống sản xuất tự động Robot ngày thông minh linh hoạt, robot đƣợc xem sản phẩm điển hình khoa học kỹ thuật Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ ban hành định số: 82/2001/QĐTTg vào ngày 24 tháng năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot nhiệm vụ khoa học công nghệ Vì việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển đại áp dụng vào công nghệ robot đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm đƣợc áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác công nghiệp, đặc biệt hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống Với lý trên, chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu Nội dung luận văn đƣợc chia thành chƣơng: Chương : Tổng quan mô tả động học động lực học robot Chương 2: Thiết kế điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot khâu Chương 3: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống Với lý trên, chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu. .. mô tả động học động lực học robot Chương 2: Thiết kế điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot khâu Chương 3: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... 27 1.2.3.3 .Động học ngược chuyển động nhỏ 27 1.3 .Động lực học tay máy robot khâu 28 1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot .31 1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P)