Điều khiển robot scara bằng phương pháp điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện tư Mã số ngành: 60 52 01 14 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT PHƯƠNG PHÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện tư Mã số ngành: 60 52 01 14 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC TP HỒ CHÍ MINH, 29 tháng năm 2014 TP HỒ CHÍ MINH, 29 tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM Ngày 10 tháng năm 2014 Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch Hội đồng TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện TS Nguyễn Hùng Ủy viên TS Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký Hội đồng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV chuyên ngành Quản lý TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày 29 tháng năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử Nơi sinh: TP HCM MSHV: 1241840018 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot - SCARA Mô kết điều khiển đối tượng Matlab-Simulink Kiểm chứng kết mô thực nghiệm điều khiển đối tượng thực III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Cán hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN VIỄN QUỐC Quản lý chuyên ngành TS NGUYỄN VIỄN QUỐC LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” cơng trình nghiên cứu riêng dưới hướng dẫn TS Nguyễn Viễn Quốc Tôi xin cam đoan rằng giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa từng cơng bố bất cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014 Học viên thực luận văn Nguyễn Thành Nhẫn LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn Viễn Quốc, người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi định hướng cho trình thực luận án Tơi xin bày tỏ long biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng quản lý khóa học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập Trường Tôi xin chân thành cảm ơn, bạn học viên lớp 12SCĐ11 Trường Đại học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm giúp tơi hồn thành luận án TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014 Học viên thực luận văn Nguyễn Thành Nhẫn TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện Robot ứng dụng phổ biến sản xuất công nghiệp Robot SCARA nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng số lĩnh vực Luận án giới thiệu Robot SCARA với điều khiển PID có cấu trúc thay đởi kết hợp điều khiển có cấu trúc thay đởi mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc đặt Điều kiện tồn của mặt trượt tính ởn định tiệm cận toàn cục của hệ thống thiết lập dạng tồn phương của hàm Lyapunov Tính khả thi của điều khiển kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab, hoạt động của mơ hình thực nghiệm Luận văn tập trung chủ yếu tính tốn điều khiển xây dựng mơ hình thực nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng bao gồm : Cơ cấu truyền động của tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển động Bộ điều khiển phần mềm MATLAP dịch phần mềm CCS_v4 nạp trực tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông qua Card giao tiếp DSP C2000, điều khiển chuyển động tay máy bám theo quỹ đạo đặt của robot Thông qua luận văn này, hy vọng cung cấp mơ hình thực nghiệm hệ robot SCARA với điều khiển PID trượt số kiến thức hữu ích cho kỹ sư, sinh viên v.v… học tập nghiên cứu hệ thống robot ABSTRACTS Currently the robot has been popular applications in industrial production SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some fields This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines structural changes between the controller and the changing structure PID sliding surface to control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle Conditions existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global system is set up in the form of a quadratic Lyapunov function The feasibility of the controller is verified through simulation results on Matlab software, and operation of experimental models This thesis focuses primarily calculate the controller and built empirical models SCARA robot actual experiments included construction hardware including: actuators of the manipulator; C2000 DSP Card interface using microTMS320F28335 control, power circuits, power circuits motor control The controller is adapted on MATLAP software CCSV4 translated by software loaded directly into TMS320F28335 microcontroller via C2000 DSP Card communication, motion control and robotics followed the trajectory of the robot set MỤC LỤC Tên đề mục Trang Lời cam đoan .i Lời cảm ơn .ii Tóm tắt luận văn iii Mục lục iv Danh mục bảng biểu vii Danh mục sơ đồ, hình ảnh viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 2.1.Cấu trúc tổng quan Robot 2.2.Các Hệ Thống Điều Khiển Robot 2.3.Các Phương Thức Điều Khiển Robot 2.3.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt 2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi điểm giới hạn 2.3.1.2 Điều khiển lặp lại (playback) 2.4 1.3 Điều khiển kiểu robot thông minh 2.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính 2.3.3 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến .9 2.4.Phương Pháp Điều Khiển Robot 2.4.1 Điều khiển trượt Hình 5.2: Chương trình mơ của tay máy 5.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG: Kết mơ của hệ thống tay máy với thông số cho điều khiển thiết kế chương với dạng tín hiệu ngõ vào khác trình bày từ hình 5.3 đến hình 5.11 Từ kết mơ cho thấy, góc quay của tay máy bám theo góc đặt với sai số nhỏ Hình 5.3: Góc đặt/góc quay của khớp Hình 5.4: Sai số góc đặt góc quay của khớp Hình 5.5: Góc đặt/goc quay của khớp Hình 5.6: Sai số góc đặt góc quay của khớp Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển Hình 5.9: Mặt trượt Hình 5.10: Mặt trượt Hình 5.11 Quỹ đạo mong muốn quỹ đạo quay CHƯƠNG 6: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Nội dung chương này: thiết kế tay máy SCARA, thiết kế điều khiển, điều khiển tay máy hoạt động theo quỹ đạo (đường tròn), kết thực nghiệm 6.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN Bộ điều khiển trung tâm: sử dụng DSP card model C2000 F28335; DSP C2000 sử dụng vi điều khiển 32 bit F28335 cho phép kết nối, giao tiếp vối máy tính qua cồng USB Trong luận án tay máy SCARA với điều khiển PID trượt mô phần mềm Matlap sau dử liệu truyền trực tiếp xuống Card DSPC2000, tín hiệu điều khiển tiếp tục truyền dến board điều khiển động MB2D để điều khiển tay máy di chuyển theo quỷ đạo mong muốn Máy Tính Bộ điểu khiển trung tâm Modul Điều khiển động MB2D Khối Hình 6.1: sơ đồ khối điều khiển mơ hình Scara Nguồn 6.2 MƠ HÌNH TAY MÁY SCARA Hình 6.2 Mơ hình thực nghiệm tay máy Scara Tay Máy SCARA Hinh 6.3 Chương trình mơ điều khiển SCARA sử dụng DSP Card C2000F28335 6.3 Kết thực nghiệm Hình 6.4 : Kết mơ quỷ đạo SCARA MatLap Hình 6.5: kết quỷ đạo SCARA mơ hình thực  Kết thực nghiệm: Qua việc thi cơng, thiết kế mơ hình thực nghiệm Scara robot có đặc điểm sau: - Bộ điều khiển hoạt động tốt phần mềm mô phỏng, đưa vào điều khiển đối tượng thật hoạt động chưa tốt, cần tinh chỉnh lại thông số kỹ thuật - Thuật tốn áp dụng điều khiển sử dụng cho tay máy - Bộ điều khiển trung tâm DSP Card C2000F28335có tốc độ xử lý nhanh xác, mạch điều khiển động sử dụng mơ hình đáp ứng u cầu kỹ thuật - Mơ hình hoạt động chưa quỹ đạo mong muốn Nguyên nhân:  Khi điều khiển mơ hình thực thơng số kỹ thuật tay máy không lý tưởng lý thuyết gây khó khăn việc chọn thơng số điều khiển  Mơ hình thực nghiệm có kết cấu khí chưa phù hợp với điều khiển thiết kế: mơ hình làm Mica nên độ “ Rơ” của khớp lớn, có “ma sát” khớp chuyển động, gây sai số điều khiển Biện pháp khắc phục: Thiết kế mô hình với vật liệu phù hợp, tính tốn chọn động có thơng số kỹ thuật, cơng suất phù hợp với thuật toán CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 KẾT LUẬN:  Luận án trình bày hệ thống điều khiển tay máy sở của kỹ thuật điều khiển trượt  Mô hình động học thuận động học ngược của tay máy trình bày dựa sở hình học  Mơ hình động lực học của tay máy trình bày dựa phương trình Lagrange  Bộ điều khiển PID trượt với mặt trượt PID thiết kế Điều kiện ổn định của mặt trượt ổn định toàn cục của hệ thống xác định dựa vào tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov  Bộ điều khiển thiết kế kiểm nghiệm kết mô phần mềm matlab  Mơ hình vật lý kiểm nghiệm thuật toán 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: Xây dựng mơ hình phù hợp sản xuất sử dụng thuật toán thuật toán ứng dụng vào công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V I Utkin, Sliding Modes in Control and Optimization New York: Springer-Verlag, 1991 [2] J.-J E Slotine and W Li, Applied Nonlinear Control Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1991 [3] J Y Hung, W Gao, and J C Hung, “Variable structure control: A survey,” IEEE Trans Ind Electron., vol 40, no 1, pp 2–21, Feb 1993 [4] A Ferrara, L Magnani, and R Scattolini, “A globally stabilizing hybrid variable structure control strategy,” IEEE Trans Automat Contr., vol 47, no 8, pp 1334– 1337, Aug 2002 [5] K D Young, “Controller design for a manipulator using the theory of variable structure systems,” IEEE Trans Syst., Man, Cybern., vol SMC–8, no 2, pp 101–109, Feb 1978 [6] K S Yeung and Y P Chen, “A new controller design for manipulators using the theory of variable structure systems,” IEEE Trans Automat Cont., vol 33, no 2, pp 200–206, Feb 1988 [7] E Bailey and A Arapostathis, “A simple sliding mode scheme applied to robot manipulators,” Int J Control, vol 45, no 4, pp 1197–1209, 1987 [8] M Zhihong and M Palaniswami, “Robust tracking control for rigid robotic manipulators,” IEEE Trans Automat Contr., vol 39, no 1, pp 154–159, Jan 1994 [9] K Erbatur, M O Kaynak, and A Sabanovic, “A study on robustness property of sliding-mode controllers: A novel design and experimental investigations,” IEEE Trans Ind Electron., vol 46, no 5, pp 1012–1017, Oct 1999 [10] K.-Y Lian and C.-R Lin, “Sliding-mode motion/force control of constrained robots,” IEEE Trans Automat Contr., vol 43, no 8, pp 1101–1103, Aug 1998 [11] E M Jafarov and R Tasaltin, “Design of robust autopilot output ntegral sliding mode controllers for guided missile perturbations,” Int systems J with Aircraft Eng parameter Aerospace Technol., vol 33, no 1, pp 16–25, 2001 [12] D S Yoo, H H Choi, and M J Chung, “Adaptive variable structure control for robot manipulators,” in Proc IEEE-TENCON’92, Melbourne, Australia, Nov., pp 1028–1032 [13] E Jafarov, Y Istefanopulos, and M N A Parlakỗ, A new variable manipulators structure-PID with controller parameter for erturbations: robot An augmented sliding surface approach,” in Proc 15th IFAC World Congr., Barcelona, Spain, Jul 2002 [14] T L Chern and Y C Wu, “Integral variable structure control approach for robot manipulators,” Proc Inst Electr Eng., vol 139, no 2, pp 161–166, 1992 [15] “Design of integral variable structure controller and application to electrohydraulic velocity servosystems,” Proc Inst Electr Eng., vol 138, no 5, pp 439–444, 1991 [16] C Abdallah, D Dawson, P Dorato, and M Jamshidi, “Survey of robust control for rigid robots,” IEEE Control Syst Mag., vol 11, no 2, pp 24–30, Feb 1991 [17] H G Sage, M F De Mathelin, and E Ostertag, “Robust control of robot manipulators: A survey,” Int J Control, vol 72, no 16, pp 1498–1522, 1999 [18] Y Stepanenko, Y Cao, and C Su, “Variable structure control of robotic manipulator with PID sliding surfaces,” Int J Robust Nonlinear Control, vol 8, pp 79–90, 1998 [19] V Parra-Vega and G Hirzinger, “Chattering-free sliding mode mechanical control systems,” for a Int class J of nonlinear Robust Nonlinear Control, vol 11, pp 1161–1178, 2001 [20] H Asada and J.-J E Slotine, Robot Analysis and Control New York: Wiley, 1986 [21] M Spong and M Vidyasagar, Robot Dynamics and Control New York: Wiley, 1989 [22] NSK Robot Manual, IMI (Integrated Motions Corporated) Direct Drive Manipulator Research and Development Package, 1992 [23] F Lewis, Control of Robot Manipulators, Prentice-Hall, 2002 [24] Rafael C.Gonzalez, Digital Image Processing, Addison-Wesley Publishing Company, 1995 [25] Lê Hồi Quốc, Robot cơng nghiệp người máy, NXB ĐH Quốc gia TP HCM – 2003 ... TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot. .. + Điều khiển thích nghi theo sai lệch + Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi + Điều khiển trượt 2.4.1 Điều khiển trượt: Điều khiển trượt phương. .. nhiều phương pháp hệ thống điều khiển Robot thiết kế sử dụng, phương pháp điều khiển chủ yếu là: - Điều khiển động lực học ngược - Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến - Các hệ thống điều khiển