NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG bền VỮNG với THAM số cơ học CHO ROBOT SACARA 2 bậc tự DO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 1 Hà Nội, 1-2019 2 2 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 3 3 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 khơng chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu có phát chép, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm 4 4 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ 5 5 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU 6 6 LỜI NÓI ĐẦU Theo 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 hoá.Robot công nghiệp giúp nâng cao suất chất lượng sản phẩm giải phóng người khỏi cơng 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 khơng 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 mơ 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– Mơ ,kiểm nghiệm Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến tận tình hướng dẫn, góp ý hoàn 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 CƠNG 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 1.Tổng quan robot công nghiệp nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo quyền Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật (1968), Đức (1971) Ngày nay, giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR, Nhật có 70, nước Tây âu có 90, Mỹ có 30 Nhờ áp dụng rộng rãi tiến khoa học kỹ thuật vi xử lý, tin học vật liệu nên số lượng robot công nghiệp tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều cải tiến Robot cơng nghiệp phát huy mạnh lĩnh vực hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ, hệ thống tự động điều khiển liên hợp Robot ứng dụng rộng rãi nhiều nghành cơng nghiệp khác nhau.Có thể phân loại ứng dụng công nghiệp robot theo lĩnh vực như: vận chuyển,bốc dỡ vật liệu,gia công,lắp ráp thăm dò ứng dụng khác Ứng dụng vận chuyển bốc dỡ vật liệu.Robot có nhiệm vụ chuyển vật liệu từ chỗ chỗ khác.Robot phải thực thao tác nhặt,di chuyển đặt vật thể.Robot gắp vật vị trí cố định băng tải di chuyển Ứng dụng lĩnh vực gia công vật liệu: Trong công nghiệp gia công vật liệu ,robot thực nhiệm vụ mội máy gia cơng.Do tay robot gắn dụng cụ thay cho cấu kẹp.Ứng dụng robot gia công vật liệu bao gồm công nghệ : hàn hồ quang liên tục,sơn phủ,công nghệ gia công kim loại… Ứng dụng robot lắp ráp kiểm tra sản phẩm: Robot sử dụng dây chuyền lăp ráp thông thường bốn dạng sau: lắp chi tiết vào lỗ,lắp lỗ vào chi tiết,lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ lắp ngăn xếp.Trong cơng nghiệp lắp ráp ,robot hoạt động đơn lẻ để lắp hoàn thiện thiết bị làm việc dây chuyền,trong robot có nhiệm vụ lắp chi tiết trog thiết bị máy.Robot sử dụng công đoạn thử nghiệm kiểm tra.Một ứng dụng robot lĩnh vực đo kiểm tra sản phẩm máy đo toạ độ 1.1.2 Các đặc tính robot cơng nghiệp a Tải trọng 10 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 mơ 4.2.1 Sơ đồ mơ simulink Mơ hình simulink tổng quát gồm khối bản: -Khối điều khiển -Khối mơ hình robot SCARA -Khối tính tốn momen cản -Khối ước lượng momen cản bù dòng điện 39 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 40 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 : 41 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: 42 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 mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù dòng điện cho khớp 1,2 dựa cơng thức tổng qt (3-17) trình bày hình 4.10 hình 4.11ở dưới: Hình 4.10.Mơ hình simulink khối hàm truyền khâu bù khớp 43 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 mơ hệ thống t=3(s) Kết mô thể thơng 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 44 Chương 4.Mơ kiểm nghiệm Hình 4.12 Đáp ứng góc quay khớp Hình 4.13 Đáp ứng góc quay khớp 45 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 46 Chương 4.Mô kiểm nghiệm Hình 4.16 Đáp ứng dòng điện động khớp Hình 4.17 Đáp ứng dòng điện động khớp 47 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 48 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 49 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 50 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 51 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 52 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 53 ... 1 -20 19 2 2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN 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. .. viên duyệt : Hà Nội, 1 -20 19 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... bàn tay robot 1 .2 Các hệ thống điều khiển robot công nghiệp 1 .2. 1 Hệ thống điều khiển robot Theo đặc điểm làm việc robot chia tốn điều khiển robot thành hai loại: Điều khiển thơ điều khiển tinh.Giải