Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 54 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
54
Dung lượng
1,07 MB
File đính kèm
full file mo phong matlab.rar
(1 MB)
Nội dung
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 1-2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BỀN VỮNG VỚI THAM SỐ CƠ HỌC CHO ROBOT SACARA BẬC TỰ DO Trưởng môn : PGS.TS Tạ Cao Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Mạnh Tiến Sinh viên thực : Nguyễn Văn Hưng Lớp : KTĐK & TĐH 3– K58 MSSV : 20131961 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 1-2019 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động bền vững với tham số học cho robot SCARA bậc tự do em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu có phát chép, em xin chịu hồn tồn trách nhiệm MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Robot công nghiệp 1.1.1 Q trình phát triển ứng dụng robot cơng nghiệp 1.1.2 Các đặc tính robot công nghiệp 1.1.3 Hệ thống chuyển động robot 1.1.4 Các dạng cấu hình học khơng gian làm việc robot 10 1.2 Các hệ thống điều khiển robot công nghiệp 11 1.2.1 Hệ thống điều khiển robot 11 1.2.2 Hệ thống điều khiển phản hồi .12 1.2.3 Hệ thống điều khiển động lực học ngược .14 1.2.4 Hệ thống điều khiển thích nghi 15 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC SCARA .17 2.1 Giới thiệu chung robot SCARA 17 2.2 Bài toán động học thuận robot SCARA .18 2.3 Bài toán động học ngược robot SCARA .20 2.4 Phương trình động lực học robot SCARA 21 2.5 Mơ hình động lực phân ly khớp 23 Chương XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ SCARA 27 3.1 Hệ thống truyền động cho khớp 27 3.2 Hệ thống điều khiển vị trí khớp 27 3.3 Xây dựng hệ thống điều khiển vị trí khớp với bù momen cản 29 3.3.1 Nhận dạng mô men cản động truyền động khớp .29 3.3.2 Hệ thống điều khiển vị trí với bù ảnh hưởng momen cản 30 Chương MÔ PHỎNG - KIỂM NGHIỆM 33 4.1 Tính tốn tham số 33 4.1.1 Tham số động truyền động khớp khí robot 33 4.1.2 Tính tốn thơng số mơ cho hệ thống truyền động khớp .33 4.1.3 Tính tốn thơng số mô cho điều khiển 34 4.2 Sơ đồ khối simulink ,kết mô đánh giá kết mô 36 4.2.1 Sơ đồ khối simulink .36 4.2.2 Kết mô 40 4.2.3 Đánh giá kết mô 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO .48 PHỤ LỤC 49 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình dạng điển hình phận robot cơng nghiệp .7 Hình 1.2.Các dạng khớp robot Hình 1.3.Một số dạng cấu ngón tay .9 Hình 1.4.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí toạ độ khớp 12 Hình 1.5.Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi 12 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với điều khiển PD .13 Hình1.7.Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược .15 Hình1.8.Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 15 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích tự chỉnh 16 Hình 2.1 Cấu hình hệ trục tọa độ gắn Robot Scara Serpent 17 Hình 2.2 Khung toạ độ robot SCARA 18 Hình 2.3 Cấu hình khớp quay robot Scara mặt phẳng 22 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp i .27 Hình 3.2.Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí khớp i 28 Hình 3.3.Sơ đồ ước lượng momen cản 30 Hình 3.4.Hệ thống điều khiển vị trí khớp i với bù momen cản .31 Hình 4.1 Mơ hình khối simulink tổng quát 36 Hình 4.2 Mơ hình simulink hệ truyền động khớp .36 Hình 4.3 Mơ hình simulink hệ truyền động khớp .37 Hình 4.4.Mơ hình simulink hệ thống điều khiển truyền động cho khớp1 .37 Hình 4.5.Mơ hình simulink hệ thống điều khiển truyền động cho khớp2 .37 Hình 4.6.Mơ hình simulink khối tính tốn momen cản khớp1 38 Hình 4.7.Mơ hình simulink khối tính tốn momen cản khớp2 38 Hình 4.8.Mơ hình simulink khối ước lượng momen cản khớp .39 Hình 4.9.Mơ hình simulink khối ước lượng momen cản khớp .39 Hình 4.10.Mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù khớp .39 Hình 4.11.Mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù khớp .40 Hình 4.12 Đáp ứng góc quay khớp .41 Hình 4.13 Đáp ứng góc quay khớp .41 Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ quay động khớp 42 Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ quay động khớp 42 Hình 4.16 Đáp ứng dòng điện động khớp 43 Hình 4.17 Đáp ứng dòng điện động khớp 43 Hình 4.18 Đồ thị mơ momen cản momen ước lượng động khớp 44 Hình 4.19 Đồ thị mô momen cản momen ước lượng động khớp 44 Hình 4.20 Đáp ứng góc quay có bù momen cản J thay đổi khớp 45 Hình 4.21 Đáp ứng góc quay có bù momen cản J thay đổi khớp 45 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.Bảng biến đổi D-H 19 Bảng 4.1 Thông số động truyền động khớp 33 Bảng 4.2 Thông số khí robot .33 LỜI NĨI ĐẦU Theo q trình phát triển xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành phát triển mạnh mẽ…Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo hệ sản xuất tự động linh hoạt Trong sản xuất đại,chúng ta phủ nhận vai trò quan trọng robot cơng nghiệp hệ thống sản xuất tự động hố.Robot cơng nghiệp giúp nâng cao suất chất lượng sản phẩm giải phóng người khỏi công việc nguy hiểm,nhàm chán trình sản xuất Khi thiết kế hệ điều khiển robot mà sử dụng hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực tất yêu cầu công nghệ, tiêu chất lượng yêu cầu kinh tế.Đặc điểm hệ thống điều khiển robot thực điều khiển bám theo quỹ đạo phức tạp đặt trước không gian, nhiên dịch chuyển trọng tâm chuyển động thành phần mơmen qn tính hệ thay đổi, điều dẫn đến thơng số động học hệ thay đổi theo quỹ đạo chuyển động đồng thời xuất lực tác động qua lại, xuyên chéo chuyển động thành phần hệ với Các yếu tố tác động làm cho hệ điều khiển robot mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở lớn cho việc mô tả nhận dạng xác hệ thống điều khiển robot Vì nội dung đề tài em chọn là: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động bền vững với tham số học cho robot SCARA bậc tự do” Nội dung báo cáo gồm chương: Chương – Tổng quan robot công nghiệp Chương –Xây dựng mơ hình tốn học SCARA Chương – Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển vị trí SCARA Chương 4– Mô ,kiểm nghiệm Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến tận tình hướng dẫn, góp ý hồn thành đồ án Do thời gian hoàn thành đồ án tầm hiểu biết có hạn nên q trình thực chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy giáo để đề tài hoàn thiện Hà Nội, ngày08 tháng1 năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Văn Hưng Chương 1.Tổng quan robot công nghiệp Chương TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Robot cơng nghiệp 1.1.1 Q trình phát triển ứng dụng robot cơng nghiệp Nhìn ngược dòng thời gian nhận thấy từ “Robot” xuất từ lâu Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc viết kịch với tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả loạn cỗ máy phục dịch Từ “Robot” có nghĩa máy móc biết làm việc người Có lẽ gợi ý cho nhà sáng chế kỹ thuật thực mơ ước cỗ máy bắt chước thao tác lao động bắp người Thời gian sau cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) đời ngày phát triển hoàn thiện Teleoperator cấu sinh học, bao gồm khâu, khớp với dây chằng gắn liền với hệ điều hành cánh tay người điều khiển thông qua cấu khuếch đại khí Teleoperator cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, xoay lật đối tượng không gian hoạt động định Tuy thao tác tinh vi, khéo léo tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế hệ điều khiển tuý khí Từ thập kỷ 50, phát triển đầy hứa hẹn kỹ thuật điều khiển theo chương trình số cứng ngành vật liệu làm chỗ dựa vững cho đời cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) hệ điện toán (computation) Ngay ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) hình thành triển khai nghiên cứu Sự phối hợp tuyệt vời khả linh hoạt khéo léo Teleoperator với độ thông minh nhạy bén hệ điều khiển NC đưa kết hệ máy móc tự động cao cấp với tên gọi “Robot” Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đưa thị trường Tiếp theo Chương 4.Mô kiểm nghiệm = = =6,6667 = = = 0,000214 Thông số điều khiển PD: = = = 47,703 == =8,587 Thông số điều khiển PI: == 3645,8333 = = 3,7 4.2 Sơ đồ mô simulink ,kết mô đánh giá kết mô 4.2.1 Sơ đồ mô simulink Mô hình simulink tổng quát gồm khối bản: -Khối điều khiển -Khối mơ hình robot SCARA -Khối tính toán momen cản -Khối ước lượng momen cản bù dòng điện 35 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.1 Mơ hình simulink tổng qt Xây dựng mơ hình simulink cho hệ truyền động khớp 1,2 dựa vào sơ đồ hình 3.1 trình bày hình 4.2 hình 4.3 dưới: Hình 4.2 Mơ hình simulink hệ truyền động khớp Hình 4.3 Mơ hình simulink hệ truyền động khớp 36 Chương 4.Mô kiểm nghiệm Xây dựng mơ hình simulink hệ thống điều khiển truyền động cho khớp 1,2 dựa vào sơ đồ hình 3.2 trình bày hình 4.4 hình 4.5 dưới: Hình 4.4.Mơ hình simulink hệ thống điều khiển truyền động cho khớp1 Hình 4.5.Mơ hình simulink hệ thống điều khiển truyền động cho khớp2 Khối tính tốn momen cản trình bày hình 4.6 hình 4.7 : 37 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.6.Mơ hình simulink khối tính tốn momen cản khớp1 Hình 4.7.Mơ hình simulink khối tính tốn momen cản khớp2 Xây dựng mơ hình simulink khối ước lượng momen cho khớp 1,2 cản dựa vào sơ đồ hình 3.3 trình bày hình 4.8 hình 4.9 dưới: 38 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.8.Mơ hình simulink khối ước lượng momen cản khớp Hình 4.9.Mơ hình simulink khối ước lượng momen cản khớp Xây dựng mô hình simulink khối hàm truyền khâu bù dòng điện cho khớp 1,2 dựa công thức tổng quát (3-17) trình bày hình 4.10 hình 4.11ở dưới: Hình 4.10.Mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù khớp 39 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.11.Mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù khớp 4.2.2 Kết mơ Ta đặt giá trị góc quay đầu cho hai khớp = ; = ,giá trị góc quay đặt cuối là/3;= Thời gian mô hệ thống t=3(s) Kết mô thể thông qua đồ thị đo tồn hệ thống trình bày hình sau: Hình 4.12 hình 4.13 đáp ứng góc quay khớp robot khơng có ảnh hưởng momen cản,có ảnh hưởng momen cản,có ảnh hưởng momen cản sử dụng bù Hình 4.14 hình 4.15 đáp ứng tốc độ động khơng có ảnh hưởng momen,có ảnh hưởng momen,có ảnh hưởng momen sử dụng bù Hình 4.16 hình 4.17 đáp ứng dòng điện động khơng có ảnh hưởng momen,có ảnh hưởng momen,có ảnh hưởng momen sử dụng bù Hình 4.18 hình 4.19 đồ thị mơ momen cản momen bù động Hình 4.20 hình 4.21 đồ thị mô ảnh hưởng kf tới bù momen Hình 4.22 hình 4.23 đồ thị mơ ảnh hưởng J tới đáp ứng góc quay khớp có ảnh hưởng momen cản sử dụng bù 40 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.12 Đáp ứng góc quay khớp Hình 4.13 Đáp ứng góc quay khớp 41 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.14 Đáp ứng tốc độ quay động khớp Hình 4.15 Đáp ứng tốc độ quay động khớp 42 Chương 4.Mô kiểm nghiệm Hình 4.16 Đáp ứng dòng điện động khớp Hình 4.17 Đáp ứng dòng điện động khớp 43 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.18 Đồ thị mô momen cản momen ước lượng động khớp Hình 4.19 Đồ thị mơ momen cản momen ước lượng động khớp 44 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.20 Đáp ứng góc quay có bù momen cản J thay đổi khớp Hình 4.21 Đáp ứng góc quay có bù momen cản J thay đổi khớp 45 Chương 4.Mô kiểm nghiệm 4.2.3 Đánh giá kết mơ Hình 4.12 hình 4.13 Khi có ảnh hưởng momen cản đáp ứng góc quay có sai lệch lớn so với góc quay đặt.Sau sử dụng bù đáp ứng góc quay bám với góc quay đặt Hình 4.14 hình 4.15 Nhận thấy có ảnh hưởng momen cản tốc độ động giảm rõ rệt, có bù tốc động gần bám với tốc độ động khơng có ảnh hưởng momen cản Hình 4.16 4.17 Nhận thấy hệ thống có xét ảnh hưởng momen cản sử dụng bù dòng điện động dao động mạnh 0,03s đầu ổn định sau thời điểm 0,03s Hình 4.18 4.19 nhận thấy momen bù Mn dao động co sai lệch tương momen cản Mc thời điểm ngắn khoảng 0,03(s),sau thời điểm t=0,03 (s) momen bù Mn với momen cản Mc có sai lệch gần 0,hệ ổn định Hình 4.20 hình 4.21 ta thấy ảnh hưởng hệ số kf lên momen bù Mn.Hệ số kf càn lớn sai lệch momen cản momen bù nhỏ, ổn định nhanh Hình 4.22 hình 4.23 Hê thống có xét ảnh hưởng momen cản sử dụng bù thay đổi đáp ứng góc quay khơng đổi bám với góc quay = Jdm Hiệu hệ thống điều khiển chứng minh qua kết mô quỹ đạo khớp quay 1,2 cấu robot SCARA ta thấy độ xác điều khiển vị trí khơng phụ thuộc vào ràng buộc khớp không phụ thuộc vào thay đổi momen qn tính cấu.Và thuật tốn ước lượng momen cản tổng biểu thị ràng buộc phi tuyến khớp có độ xác cao chuyển động cấu tay robot tham số động lực học thay đổi,điều mà hệ thống điều khiển kinh điển khó điều khiển xác 46 KẾT LUẬN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp với đề tài Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động bền vững với tham số học cho robot SCARA bậc tự với hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến với làm việc nỗ lực thân, em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Qua đó, em thu kết sau: Cấu tạo,nguyên lí hoạt động robot SCARA Xây dựng mơ hình tốn học SCARA Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển vị trí SCARA Tìm hiểu thuật tốn ước lượng momen cản Mô kết madlab/ simulink Hệ thống điều khiển độc lập khớp với hai mạch vòng điều khiển cho khớp với khâu ước lượng bù momen nhiễu cản tạo cho robot có độ xác chuyển động cao khơng phụ thuộc vào ràng buộc phi tuyến cấu chuyển động thay đổi momen quán tính tải trọng thay đổi.Hệ thống dược đề xuất đơn giản,khối lượng tính tốn nhỏ dễ thực vi điều khiển thực tế Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến, chúc thầy thật nhiều sức khỏe Cảm ơn gia đình tài trợ cho trình học tập qua trình hồn thành đồ án tốt nghiệp Cảm ơn người bạn giúp đỡ trình học tập Hà Nội, ngày08 tháng năm 2019 Sinh viên thực Nguyễn Văn Hưng 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot công nghiệp Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội, tháng năm 2007 [2] Nguyễn Mạnh Tiến, Bùi Thị Khánh Hoà.Hệ thống điều khiển quỹ đạo robot với nhận dạng tham số học.Tạp chí KH&CN trường ĐHKT.Số 77.Trang 49-54,2010 [3] H Berghuis and H Nijmeijer, "Global regulation of robots using only position measurements”, Syst Contr Lett., Vol 21, pp 289- 293, 1993 [4] M Taylan Das, L Canan Dulger Mathematical modelling, simulation and experimental verification of scara robot Simulation Modelling Practice and Theory 13.257-271, 2005 [5] Huijuan Zhang and Margareta Stefanovic Nonlinear Robust Observer-Based Position controller for the 3-DOF Parallel Kinematic Machine 18th IEEE International Conference on Control Applications 1574-1579, 2009 48 PHỤ LỤC Hàm madlab function khâu tính tốn momen cản Khớp function Mc1 = Tinhmomencan(Mo1,dq1,ddq1,q2,dq2,ddq2) %#codegen Kg1=1/90;m2=0.93;m3=0;m4=0;l1=0.25;l2=0.15;j2=0.0115; H12=((m2+m3+m4)*l2*l2+j2)+(m2+m3+m4)*l1*l2*cos(q2); deltaH11=(m2+m3+m4)*(l1*l1+l2*l2)+j2+2*(m2+m3+m4)*l1*l2*cos( q2); C11=(-2*(m2+m3+m4)*l1*l2*sin(q2))*dq2; C12=(-(m2+m3+m4)*l1*l2*sin(q2))*dq2; d1=H12*ddq2+deltaH11*ddq1+C11*dq1+C12*dq2; Mc1 =Kg1*d1+Mo1; End Khớp function Mc2 = Tinhmomencan(Mo2,dq1,ddq1,q2,dq2,ddq2) %#codegen Kg2=1/220;m2=0.93;m3=0;m4=0;l1=0.25;l2=0.15;j2=0.015; H21=((m2+m3+m4)*l2*l2+j2)+(m2+m3+m4)*l1*l2*cos(q2); deltaH22=(m2+m3+m4)*l2*l2; C21=((m2+m3+m4)*l1*l2*sin(q2))*dq1; C22=0; d2=H21*ddq1+deltaH22*ddq2+C21*dq1+C22*dq2; Mc2 =Kg2*d2+Mo2; end 49 ... HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BỀN VỮNG VỚI THAM SỐ CƠ HỌC CHO ROBOT SACARA BẬC TỰ... hình học khơng gian làm việc robot 10 1 .2 Các hệ thống điều khiển robot công nghiệp 11 1 .2. 1 Hệ thống điều khiển robot 11 1 .2. 2 Hệ thống điều khiển phản hồi . 12 1 .2. 3 Hệ. .. nghiệp: Nghiên cứu hệ thống điều khiển chuyển động bền vững với tham số học cho robot SCARA bậc tự do em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến Các số liệu kết hoàn toàn với thực