Nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot thiếu dẫn động hai bậc tự do - Pendubot

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ANH DUY Phản biện 1: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH KHÔI QUỐC Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày tháng 12 năm 2013 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong số lĩnh vực đòi hỏi cánh tay robot phải có trọng lượng nhẹ cách giảm bớt số cấu dẫn động đo lường đảm bảo tính điều khiển.Vậy nên,cánh tay robot thiếu dẫn động thường nhỏ gọn tiêu thụ lượng hơn.Nhưng với hệ thống thiếu dẫn động thường có tính phi tuyến bất ổn định cao nên vấn đề điều khiển ổn định nghiên cứu từ lâu.Để điều khiển hệ thống thiếu dẫn động n bậc thực tế khớp tay chân robot người robot động vật…thường phải trải qua trình nghiên cứu lâu dài Chính hệ thống với số lượng bậc tạo phòng thí nghiệm để thử nghiệm luật điều khiển từ ứng dụng vào điều khiển hệ thống có bậc cao hơn.Mô hình cánh tay robot thiếu dẫn động bậc tự khởi xướng chế tạo từ đó.Vì tính độc đáo phức tạp nên từ đời thu hút quan tâm người nghiên cứu điều khiển tự động.Với mong muốn nghiên cứu luật điều khiển cho hệ thống này.Tôi chọn đề tài :” NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG BẬC TỰ DO-PENDUBOT” Mục đích nghiên cứu -Nắm bắt lí thuyết điều khiển tuyến tính hóa phản hồi cục ,PID, LQR, khâu quan sát Luenberger giải thuật di truyền GA -Từ ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi cục vào thiết kế điều khiển Swing_up; phương pháp PID,LQR, điều khiển phản hồi trạng thái có khâu quan sát Luenberger giải thuật GA để tối ưu hóa tham số PID để tổng hợp điều khiển Balancing cho hệ thống Pendubot từ tiến hành so sánh đánh giá điều khiển Footer Page of 126 Header Page of 126 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Cánh tay robot thiếu dẫn động bậc tự do_Pendubot - Các lý thuyết điều khiển phi tuyến tuyến tính - Phạm vi nghiên cứu giới hạn việc đánh giá đáp ứng góc lệch hệ thống cho tốt thời gian tiến vị trí cân nhanh Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết : nghiên cứu tổng quan lý thuyết điều khiển tuyến tính phi tuyến - Từ kết tính toán, mô hình hóa sử dụng công cụ mô để trình bày kết nghiên cứu đạt Ý nghĩa đề tài Đề tài xây dựng mô hình toán học cho hệ thống cánh tay thiếu dẫn động bậc tự Khi lý thuyết điều khiển đại ngày hoàn thiện đối tượng có tính phi tuyến cao Pendubot lựa chọn để áp dụng kiểm tra lý thuyết đó.Trên sở tìm nhiều phương pháp điều khiển cho hệ thiếu dẫn động n bậc khác phức tạp robot người Bố cục đề tài Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾU DẪN ĐỘNG Chương 2: ĐỘNG LỰC H C C A HỆ THỐNG PENDUBOT Chương 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN SWING-UP Chương : TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BALANCING Chương : SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾU DẪN ĐỘNG 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC HỆ THỐNG THIẾU DẪN ĐỘNG 1.2 PHÂN LOẠI HỆ CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG 1.3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG BẬC TỰ DO_ PENDUBOT Cấu trúc điều khiển hệ thống Pendubot: Hình 1.7: Cấu trúc điều khiển hệ thống Pendubot - Bộ điều khiển Swing_up có nhiệm vụ khớp khớp từ vị trí cân ổn định Down lên lân cận vị trí cân không ổn định Top Mid_L - Bộ điều khiển Balancing có nhiệm vụ ổn định hệ thống điểm cân Top Mid_L - Bộ chuyển mạch ”Switch” có nhiệm vụ chuyển từ điều khiển Swing_up sang điều khiển Balancing tới lân cận vị trí cân KẾT LUẬN CHƢƠNG Tổng quan hệ thống thiếu dẫn động ,phân loại hệ cánh tay robot thiếu dẫn động cấu trúc điều khiển hệ thống thiếu dẫn động bậc tự do_Pendubot Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG PENDUBOT 2.1 ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG PENDUBOT Hình 2.1 M hình hệ thống Pendubot ng v i tr c toạ đ Dec c xy tham số hệ thống Pendubot thiết đặt sau : m1lc21 m2l12 m2lc22 m2l1lc m1lc1 m2l1 m2lc I1 I2 (2.13) D ( q ) q C ( q, q )q g (q ) (2.27) Đây phương trình động lực học Pendubot với ng vào vec tơ moment ng vec tơ q1 , q2 q q1 q2 Footer Page of 126 (2.28) (2.29) Header Page of 126 Động lực học hệ thống Pendubot viết lại sau : q q1 q2 1 D (q ) 1 D (q) q2 g1 g2 q1 q2 C11q1 C12 q2 C21q1 C22 q2 D (q ) q2 C11 C12 C21 C22 1 D (q ).g (q ) g1 g2 q1 C ( q, q ) D (q) q1 D (q ).C (q , q ) g1 g2 (2.36) (C11q1 C12 q2 ) g1 (C21q1 C22 q2 ) g 1 D (q) D11 D12 D 21 D 22 h1 h2 2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG PENDUBOT Đặt biến trạng thái hệ thống sau: x1 q1 ; x2 q1 ; x3 q2 ; x4 q2 ; x5 Ta định nghĩa lại biến trạng thái sau: x1 f1 ( x ) x2 x2 f ( x) q1 [ cos ( x3 ) 2 x3 f ( x) x4 f ( x) q2 cos( x3 )sin( x3 ) x22 sin( x2 )( x2 g cos( x1 ) (2.40) (2.41) x4 ) g cos( x3 )cos( x1 x3 )] x4 cos ( x3 ) [ ( cos( x3 )) ( cos( x3 )) sin( x3 ) x22 ( ( cos( x3 )) g cos( x1 x3 )] Footer Page of 126 ( cos( x3 ))sin( x3 )( x2 x4 ) cos( x3 )) g cos( x1 ) Header Page of 126 Mô hình không gian trạng thái hệ thống diễn tả sau x1 x2 x3 x4 f2 x1 f4 x1 0 0 f2 x3 0 f4 x3 f2 u u f4 u x1 x2 x3 x4 0 Ax (2.42) Bu 2.3 THUỘC TÍNH CÂN BẰNG CỦA HỆ THỐNG PENDUBOT 2.3.1 Những điểm cân hệ thống Pendubot Từ (2.31),(2.32) điều kiện cân hệ thống cho : eq g cos q1eq q2eq ) g cos( q1 eq q2eq ) g cos( q1 eq (2.43) Hệ thống có điểm cân điều khiển sau Down : ( ,0,0,0) ( Top : ,0,0,0) Mid_H : ( ,0, ,0) Mid_L : ( ,0, ,0) Những vị trí cân không điều khiển được:( phần 2.33) a (q1eq , q2eq c (q1eq , q2eq b (q1eq 0, q2eq / 2) / 2) d (q1eq 0, q2eq / 2) / 2) 2.3.2 Tuyến tính hóa hệ thống xung quanh điểm cân a Tuyến tính hóa hệ thống xung quanh điểm cân Top x1 x2 x3 x4 ( )g g( ) g( 3 ) 0 5g 3 0 g( 1 3 ) 0 x1 x2 x3 x4 2 2 u (2.49) 3 Ax Bu b Tuyến tính hóa hệ thống xung quanh điểm cân Mid_L Footer Page of 126 Header Page of 126 x1 x2 x3 x4 ( g( )g ) 3 g( 3 ) 0 0 5g g( 1 3 ) 0 x1 x2 x3 x4 2 3 u (2.50) 2 Ax Bu 2.3.3 Tính điều khiển đƣợc quan sát đƣợc hệ thống Pendubot a.Tính điều khiển vị trí cân Top Mid_L Tại vị trí cân Top/Mid_L Rank( B ; AB ; A2B ; A3B) = hạng ma trận A Vậy,tại vị trí cân Top Mid_L điều khiển Tại vị trí cân không điều khiển được: Rank( B ; AB ; A2B ; A3B) =