Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

1 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong trình công nghiệp hóa đại hóa nước ta, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt giai đoạn hội nhập kinh tế Việc tự động hóa trình sản xuất với có mặt robot làm tăng khả mềm dẻo hệ thống sản xuất, tăng chất lượng sản phẩm đặc biệt làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh Ngoài ra, robot công nghiệp có tính quan trọng khác làm việc môi trường khắc nghiệt mà người tham gia vào như: môi trường nhiều khói bụi, môi trường độc hại hóa chất, môi trường nhiệt độ cao… Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng robot vào trình sản xuất robot hàn nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot đào đường hầm, robot cấp phôi máy gia công chi tiết khí, robot quay camera sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo robot giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại mức độ chế thử, số chuyển giao vào trình sản xuất Các robot chưa có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước Việc nghiên cứu điều khiển để nâng cao độ xác robot nhà khoa học nước quan tâm nhiều Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng biến đổi, loại động điện, thiết bị đo lường, cảm biến, điều khiển đặc biệt phương pháp điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển bám xác quỹ đạo hệ Các công trình nghiên cứu hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng sử dụng mô hình có tính đặc tính phi tuyến ước lượng để đơn giản việc phân tích thiết kế đề thuật toán điều khiển nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng robot Với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực cánh tay Robot Chính đề tài “Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật toán PID cải tiến” thực 1.2 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, phương pháp điều khiển robot cánh tay bậc tự theo thuật toán PID cải tiến lựa chọn kỹ thuật điều khiển động DC với ưu điểm sau: - Đơn giản, không cần đến khối chuyển đổi tương quan - Tính linh hoạt cao - Khả điều khiển bền bỉ xác - Có đầy đủ yếu tố cho việc thiết kế điều khiển có tính theo yêu cầu đề Tính ổn định điều khiển PID cải tiến rộng bền vững tác động bên - Khả bám tốc độ đặt cao, tải thay đổi  Ưu điểm phương pháp PID cải tiến so với phương pháp PID thông thường - Đáp ứng tốc độ đảm bảo điều kiện tải thay đổi thông số động thay đổi trình làm việc - Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao 1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển PID mờ điều khiển động DC nhằm cho thấy thích nghi tốt điều khiển mờ điều khiển tốc độ động DC Việc thiết kế mô Matlab/simulink Để điều khiển tay máy ta cần giải toán sau Trước tiên người vận hành nhập giá trị tọa độ (X,Y) vào giao diện điều khiển Phần mềm tính toán hai góc θ1, θ2 theo toán động học ngược Sau giá trị θ1, θ2 đưa qua điều khiển PID cải tiến giá trị chế độ thực (θ1r, θ2r góc cần đạt được, θ1, θ2 l góc phản hồi trình vận hành cánh tay robot) Cho (X,Y) Động học ngược θ1r ,θ r Bộ ĐK PID cải tiến θ1 → θ1r θ2 → θ2r DC Hình 1-1: Sơ đồ khối điều khiển tay máy Sơ đồ khối mạch điều khiển động Lấy hiệu hai giá trị θ1r θ1 ta giá trị sai số e Sau e đưa qua PID cải tiến ta giá trị điện áp u, qua khuếch đại công suất đưa đến động θ1r e u PID KĐCS DC1 θ1 MĐ H ình 1-2: Sơ đồ mạch điều khiển cho động Tương tự ta áp dụng cho hai giá trị θ2r θ2 θ2r e PID KĐCS DC2 θ2 MĐ H ình 1-3: Sơ đồ mạch điều khiển cho động Để thực toán trên, tác giả xây dựng mô hình robot tay máy bậc tự hình (1 – 4) Động (3) điều khiển link1 (5), có encoder (4) phản hồi góc θ1 Động (7) điều khiển link1 (8), có encoder (6) phản hồi góc θ2 Xylanh (9) tịnh tiến bàn tay kẹp lên xuống xylanh (10) điều khiển bàn tay kẹp Hình 1-4: Mô hình tay máy bậc tự 1.3.2 Nội dung nghiên cứu - Các phương pháp điều khiển động DC - Động học tay máy - Thiết kế điều khiển PID mờ cho động dẫn động khớp - Mô - Xây dựng mô hình thực nghiệm 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn nhiệm vụ giao vấn đề có liên quan - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay bậc tự thuật toán PID làm sở cho việc thiết kế điều khiển cho robot - Tham khảo sách, báo mạng robot - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN: Nghiên cứu nhiệm vụ yêu cầu ổn định, tin cậy hệ robot tay máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển Tìm hiểu cấu trúc hoạt động robot theo thuật toán PID cải tiến mô 3D LabVIEW 1.6 GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN: Hệ tay máy bậc tự Scara sử dụng nhiều công nghiệp giới Đề tài “ Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật toán PID cải tiến” góp phần vào việc phát triển nghiên cứu robot Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho công tác đào tạo nghiên cứu trường đại học, cao đẳng trung cấp chuyên nghiệp 1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN: Luận văn gồn chương: • Chương I: Giới thiệu luận văn • Chương II: Cơ sở lý thuyết • Chương III: Động học tay máy điều khiển tay máy • Chương IV: Thiết kế điều khiển PID cải tiến cho động dẫn động khớp • Chương V:Kết thực nghiệm kết luận • Tài liệu tham khảo CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ “Robot” lần xuất năm 1922 tác phẩm “Rosum’s Universal Robot “ Karal Capek Theo tiếng Séc Robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rosum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Mỹ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa, phòng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959, Devol Engelber chế tạo Robot công nghiệp công ty Unimation Năm 1967 Nhật Bản nhập Robot công nghiệp từ công ty AMF Mỹ Đến năm 1990 có 40 công ty Nhật, có công ty khổng lồ Hitachi, Mitsubishi Honda đưa thị trường nhiều loại Robot tiếng Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại Robot lắp ráp tự động điều khiển vi tính sở xử lý thông tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian công ty IBM chế tạo Robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực điều khiển máy vi tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết Những năm 90 áp dụng rộng rãi tiến khoa học vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ Robot công nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền sản xuất đại Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu Robot “Robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động robot không ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đăc biệt, Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại 2.1.2 Phân loại Robot công nghiệp 2.1.2.1 Theo chủng loại, mức độ điều khiển, nhận biết thông tin tay máy-người máy sản xuất giới phân loại IR thành hệ sau: Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng khả nhận biết thông tin Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu có khả nhận biết thông tin Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả nhận biết thông tin bước đầu có số chức lý trí người 2.1.2.2 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: Thông thường cấu trúc chấp hành tay máy công nghiệp mô hình hóa dạng chuỗi động với khâu khớp nguyên lý máy với giả thuyết sau: - Chỉ sử dụng khớp động loại ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít) - Trục quay hướng tịnh tiến khớp song song hay vuông góc với - Chuỗi động chuỗi động hở đơn giản Robot công nghiệp phong phú đa dạng, phân loại theo cách sau: - Cấu trúc chuyển động toàn (chân người) cấu trúc thực chuyển động đem toàn tay máy (tay người) đến vị trí làm việc Cấu trúc đa dạng thông thường tay máy hoạt động hệ thống mà chuyển động cần có kiểm soát Người ta thường coi tay máy đứng yên, khâu gọi giá cố định tay máy - Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm khớp A,B F khâu 1, 3, chuyển động cấu trúc đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc Do giả thiết loại khớp động dùng chế tạo máy thông thường ta có phối hợp sau khớp từ tạo nên cấu trúc xác định vị trí bàn kẹp không gian vị trí khác kẹp Phối hợp TTT nghĩa khớp khớp tịnh tiến khớp quay Đây cấu trúc hoạt động hệ toạ độ Đề Các so với toạ độ So điểm M nằm khâu khớp khớp tịnh tiến chuyển động quay ( tức hai toạ độ dài) Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa khớp tịnh tiến hai khớp quay ( cấu trúc 2, 3, 4) Đây cấu trúc hoạt động hệ toạ độ trụ so với điểm M khâu xác định chuyển động tịnh tiến chuyển động quay( tức hai toạ độ dài toạ độ gốc) Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa hai khớp tịnh tiến hai khớp quay Đây cấu trúc hoạt động hệ tọa độ cầu so với hệ So, điểm M khâu xác định chuyển động tịnh tiến hai chuyển động quay Phối hợp RRR tức khớp quay , cấu trúc hoạt toạ độ góc so với hẹ So, điểm M khâu xác định ba chuyển động quay, cấu trúc gọi cấu trúc sinh học Tuy nhiên thực tế, tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá đặc biệt đảm bảo giá thành giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không thiết lúc phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí Đối với tay máy công nghiệp có 250 loại, số có 40% loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc hệ thứ Sự xuất IR gia tăng vai trò chúng sản xuất xã hội loài người làm xuất nghành khoa học nghành Robot học(Robotic) Trên giới nhiều nời xất viện nghiên cứu riêng Robot 2.1.2.3 Phân loại theo kết cấu : Theo kết cấu tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA 2.1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động : Có dạng truyền động phổ biến : Hệ truyền động điện : Thường dùng động điện chiều (DC : Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động dễ điều khiển, kết cấu gọn Hệ truyền động thuỷ lực : đạt công suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn độ phi tuyến lớn khó xử lý điều khiển Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ không cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với công suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động 10 theo chương trình định sẳn với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point) 2.1.2.5 Phân loại theo ứng dụng : Dựa vào ứng dụng robot sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v 2.1.2.6 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển : Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ xác mức độ linh hoạt điều khiển Ngoài có cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm mục đích nghiên cứu 2.1.3 Ứng dụng ROBOT: Robot sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp khác Có thể phân loại ứng dụng công nghiệp robot làm lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò ứng dụng khác 2.1.3.1 Ứng dụng robot vận chuyển, bốc dỡ vật liệu Trong ứng dụng vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí đến vị trí khác Nhiệm vụ robot thực thao tác nhặt đặt vật thể Robot nhặt chi tiết vị trí chuyển dời đến vị trí khác Robot gấp chi tiết vị trí cố định băng tải chuyển động đặt vị trí cố định khác đặt băng tải khác chuyển động với định hướng chi tiết Robot có khả bốc xếp vận chuyển chi tiết có hình dạng kích thước khác nhờ thông tin chuẩn lưu trữ nhớ robot sử dụng cảm biến để nhận dạng chi tiết thực 2.1.3.2 Ứng dụng lĩnh vực gia công vật liệu Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực nhiệm vụ máy gia công Do tay robot gắn dụng cụ thay cho cấu kẹp Ứng dụng 33 Kết mô PID thông thường H ình 4.11: Kết mô PID thông thường 4.4.2 Mô PID cải tiến cho động DC Matlab H ình 4.12: PID mờ Kết mô PID cải tiến H ình 4.13: Kết mô phỏngPID cải tiến 34 Nhận xét: - Kết mô PID thông thường cho thấy tốc độ bám động khoảng giây Trong tốc độ bám PID cải tiến o,1 giây 4.5 Giao diện điều khiển tay máy Hình 4-14: Giao diện điều khiển tay máy bậc tự 35 Hình 4-15: Lập trình PID Hình 4.16: Lập trình PID cho khớp 36 Hình 4-17: Lập trình PID cho khớp Hình 4-18: Giải toán động học ngược 37 Do chuyển động robot Scara đơn giản, dễ dàng nên sử dụng phổ biến công nghiệp Ở nghiên cứu robot Scara (Hình 4-15) loại nhóm robot công nghiệp Hình 4-19: Robot Scara Chiều cao Robot thay đổi dễ dàng tùy theo thông số thiết kế vị trí gá thân robot trục bản, giúp tay máy thuận lợi việc thay đổi công việc Truyền động cho khớp tay máy động DC chiều có phản hồi vị trí tạo thành vòng điều khiển kín Chuyển động thẳng đứng thực piton khí nén Robot Scara lập trình từ máy tính cách đặt liệu cho trục Hoặc điều khiển tay sử dụng thiết bị lái điện (steering) cho tay máy dùng cuộn dây điện từ giá treo (pendant) 4.5.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tay máy: 38 4.5.2 Mạch điện tay máy robot scara Hình 4-20: Thiết bị phần cứng Card USB HDL 9090 card thu thập liệu xuất tín hiệu điều khiển đa Ngoài chức thu thập liệu từ cảm biến, điều khiển ON/OFF, điều chế xung PWM v.v HDL 9090 có chức Digital input ứng dụng linh hoạt 39 Mô tả cụ thể chân tín hiệu card HDL 9090 bảng sau: • NIVISA phiên 3.1 cao hơn: phần mềm công ty NI, phải cài phần mềm trước muốn giao tiếp LabVIEW (PC) với thiết bị ngoại vi • Thực bước kết nối thiết bị USB HDL 9090 vào máy tính • Hàm hocdelam USB 9090: Để truyền nhận tín hiệu từ LabVIEW với card HDL 9090 cần sử dụng hàm 40 Mô tả chân hàm USD HDL 9090 để lập trình bảng sau: 41 Sơ đồ mạch điều khiển -+ -+ -+ -+ Connector HDL DIR2 PWM2 PWM1 DIR1 220VAC 12VDC HDL Dual driver 12VDC Van điều khiển Ben 10 MOTOR2 VDC GND MOTOR1 Card điều khiển động (7) (Link 2) Card điều khiển động (3) (Link 1) 12VDC Van điều khiển Ben (Sơ đồ đấu nối chi tiết xem trang sau) Hình 4-21: Sơ đồ mạch điều khiển h 42 HDL HDL Dual Dual driver driver Hình 4-22: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp 43 Hình 4-23: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp khí nén 4.6 Kết thực nghiệm tay máy bậc tự Chưa cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0.2 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Chưa cải tiến: Vị trí khớp 2,5 0.2 Vị trí khớp 44 Vị trí khớp KP KI KD 0,5 Vị trí khớp 0,5 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Sau cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0,5 Vị trí khớp 3,5 0,5 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Sau cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0,12 Vị trí khớp 0,12 45 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Để có kết đáp ứng cuối mong muốn Tác giả cải tiến PID cách đóng băng tích phân sau: 500 · 100 50 ·· · · · · · · Cao (100) - 100 – 500 Giá trị đầu vào 100 500 CHƯƠNG V: Thấp (0) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết Luận: Qua thời gian nghiên cứu, mô đến thiết kế thi công phần cứng Đề tài giải vấn đề sau: 46 - Nghiên cứu cách tổng quan robot: phát triển, phân loại, sơ đồ cấu trúc chức robot ứng dụng robot công nghiệp… - Xây dựng phân tích lý thuyết điều khiển robot, giới thiệu số phương pháp thường sử đụng để điều khiển robot công nghiệp - Nghiên cứu phần tử truyền động, cấu chấp hành robot cấp phôi tự động, tìm hiểu tính chất phần tử khí nén, loại động điện ứng dụng chúng, từ đưa phương án thích hợp trường hợp cụ thể - Thiết kế thi công robot cánh tay bậc tự với cấu gấp/ thả - Thiết kế thi công mạch điều khiển, mạch động lực cho robot tay máy - Ứng dụng thuật toán PID cải tiến với phần mềm labVIEW vào chức tay máy robot - Ứng dụng mô 3D labVIEW để trực quan tính hiệu điều khiển - Hoàn thiện mô hình tay máy bậc tự điều khiển tự động dùng labVIEW, thiết bị chương trình chạy theo yêu cầu thiết kế cách ổn định xác 5.2 Hướng phát triển đề tài: - Tăng kích thước công suất tay máy cách thay đổi động có công suất lớn - Tăng độ xác tay máy - Điều khiển tay máy giọng nói TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công nghiệp, NXB KH & KT Hà Nội 2002, 326 p 47 [2] Nguyễn Thiện Phúc, Báo cáo tổng hợp tình hình nghiên cứu ứng dụng phát triển khoa học công nghệ Robot Việt Nam, Sở Khoa Học Công Nghệ, 5/2010 [3] Lê Quốc Hà, Đỗ Quang Minh, Ngô Văn Thành, Trần Viết Thắng, Nguyễn ngọc Lâm, Nguyễn Công Hiền, Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm điều khiển thông minh mô cho tay máy bậc tự VICA, Hà Nội 2005 [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều Khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 [5] Nguyễn Thiện Phúc, Tay máy-Người máy công nghiệp [6] Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật ROBOT ... thiết kế đề thuật toán điều khiển nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng robot Với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực cánh tay Robot Chính đề tài Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật toán PID cải tiến thực... hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay bậc tự thuật toán PID làm sở cho việc thiết kế điều khiển cho robot - Tham khảo sách, báo mạng robot - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot... 4.2 ĐIỀU KHIỂN PID cải tiến 4.2.1 Giới thiệu chung Điều khiển mờ thực dựa lý thuyết logic mờ gọi điều khiển mờ Hệ điều khiển mờ cho phép đưa kinh nghiệm điều khiển chuyên gia vào thuật toán điều