Mô hình hóa và điều khiển robot có khâu đàn hồi dẫn động bằng động cơ điện

Tổng quan về quá trình phát triển của robot, robot đàn hồi; cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu h ạn và xây dựng mô hình động lực học cho robot có khâu đàn hồi; xây dựng mô hình động lực học cho một số tay máy robot phẳng có khâu đàn hồi; thiết kế bộ điều khiển cho robot có khâu đàn hồi dẫn động bằng động cơ điện. Tổng quan về quá trình phát triển của robot, robot đàn hồi; cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu h ạn và xây dựng mô hình động lực học cho robot có khâu đàn hồi; xây dựng mô hình động lực học cho một số tay máy robot phẳng có khâu đàn hồi; thiết kế bộ điều khiển cho robot có khâu đàn hồi dẫn động bằng động cơ điện.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - THÂN VĂN NGỌC MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÓ KHÂU ĐÀN HỒI DẪN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - THÂN VĂN NGỌC MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÓ KHÂU ĐÀN HỒI DẪN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUANG HOÀNG Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết nghiên cứu thân tơi, khơng có chép hay copy tác giả Tôi xin tự chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả Thân Văn Ngọc i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập rèn luyện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, biết ơn kính trọng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Viện chuyên ngành, Bộ môn Cơ học ứng dụng thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thầy, nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy môn học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu Đặc biệt, xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Quang Hồng người thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên để tơi hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng nhiều luận văn nghiên cứu chắn không tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để nghiên cứu tơi hồn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Ngày 20 tháng 08 năm 2019 Tác giả Thân Văn Ngọc ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vi DANH MỤC HÌNH viii DANH MỤC BẢNG x LỜI NÓI ĐẦU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Sơ lược trình phát triển robot 1.2 Robot ứng dụng robot công nghiệp 4.0 1.3 Robot đàn hồi, phát triển ứng dụng 1.3.1 Các cơng trình khoa học, báo robot đàn hồi 1.3.2 Tình hình nghiên cứu robot đàn hồi Việt Nam 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Xây dựng mơ hình động lực học 1.4.2 Thiết kế điều khiển 1.4.3 Mô robot 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO ROBOT CĨ KHÂU ĐÀN HỒI 2.1 Tổng quan robot có khâu đàn hồi 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn [5],[35] 2.2.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2 Ứng suất biến dạng môi trường liên tục 10 2.2.3 Thế biến dạng đàn hồi 13 2.2.4 Phương trình hệ đàn hồi 15 2.2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 16 2.2.6 Xấp xỉ phần tử hữu hạn 20 2.2.7 Định nghĩa hình học phần tử hữu hạn 20 2.2.8 Hàm xấp xỉ - đa thức xấp xỉ - phép nội suy 23 2.2.9 Ma trận hàm dạng 27 2.3 Mơ hình động lực học robot có khâu đàn hồi 31 2.3.1 Xây dựng ma trận khối lượng phần tử dầm đàn hồi 31 2.3.2 Thế năng, ma trận độ cứng phần tử dầm đàn hồi 39 iii 2.3.3 Phương trình vi phân chuyển động tay máy có khâu đàn hồi 41 2.4 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 44 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO MỘT SỐ TAY MÁY ROBOT PHẲNG CÓ KHÂU ĐÀN HỒI 44 3.1 Mô hình động lực học tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi tịnh tiến quay (T-R) 44 3.1.1 Sử dụng số phần tử cho mỗi khâu đàn hồi là 45 3.1.2 Sử dụng số phần tử cho mỗi khâu đàn hồi là 51 3.2 Mơ hình động lực học tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi quay (R-R) 59 3.2.1 Sử dụng số phần tử cho mỗi khâu đàn hồi là 60 3.2.2 Sử dụng số phần tử cho mỗi khâu đàn hồi là 64 3.3 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng từ mơ hình động lực học tay máy robot đàn hồi 70 3.3.1 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng T-R 71 3.3.2 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng R-R 72 3.4 Mơ hình động lực học tay máy robot hai khâu cứng phương trình Lagrange loại 75 3.4.1 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng T-R 75 3.4.2 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng R-R 77 3.5 Mơ hình động lực học robot có khâu đàn hồi dẫn động động điện 80 3.5.1 Mô hình động lực học động điện hộp giảm tớc 80 3.5.2 Mơ hình động lực hệ thống - điện 81 3.5.3 Đơn giản hóa mơ hình động lực học 82 3.5.4 Mơ hình động lực học robot đàn hồi T-R dẫn động động điện 83 3.5.5 Mơ hình động lực học tay máy đàn hồi R-R dẫn động động điện 87 3.5.6 Mơ hình động lực học tay máy robot cứng dẫn động động điện 90 3.6 Kết luận chương 95 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÓ KHÂU ĐÀN HỒI DẪN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN 96 4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển PID [19] 96 4.1.1 Tổng quan điều khiển PID 96 4.1.2 Lý thuyết điều khiển PID 97 4.1.3 Xây dựng luật điều khiển PD 101 iv 4.2 Áp dụng điều khiển cho robot hai khâu đàn hồi 101 4.2.1 Thông số đầu vào hệ thống 101 4.2.2 Điều khiển vị trí 103 a Áp dụng cho tay máy robot hai khâu T-R 103 b Áp dụng cho tay máy robot hai khâu R-R 111 4.2.3 Điều khiển bám quỹ đạo không gian thao tác 116 a Áp dụng cho tay máy robot hai khâu T-R 117 b Áp dụng cho tay máy robot hai khâu R-R 121 4.3 Kết luận chương 123 KẾT LUẬN 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC MAPLE v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Nội dung, ý nghĩa Ký hiệu AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) CNCN Cách mạng cơng nghiệp KH CN Khoa học Công nghệ FMs Hệ thống tay máy đàn hồi (Flexible Manipulator system) MIMO Hệ thống nhiều vào nhiều (Multi input multi output) SIMO Hệ thống vào nhiều (Single input multi output) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) AMM Phương pháp mơ hình giả định (Assumed modes method) LPM Phương pháp gộp tham số (Lumped parameter method) FDM Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite difference method) RFEM Phương pháp phần tử hữu hạn rắn (Rigid finite element method) MBS Phương pháp hệ nhiều vật rắn (Multibody System) PID Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - đạo hàm (Proportional – Integral Derivative) PD Bộ điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (Proportional – Derivative) PTVPCĐ Phương trình vi phân chuyển động CAD Thiết kế với trợ giúp máy tính (Computer Aided Design) T-R Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu tịnh tiến quay R-R Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu quay quay Mj(q) Ma trận khối lượng phần tử dầm thứ j MO Ma trận khối lượng tập trung đầu dầm O MA Ma trận khối lượng tập trung đầu dầm A M Ma trận khối lượng tổng thể khâu C(q, q) Ma trận Coriolis li tâm khâu D Ma trận cản Kj , K Ma trận độ cứng phần tử dầm thứ j, ma trận độ cứng tổng thể Gj, G Ma trận trọng lực phần tử ma trận trọng lực tổng thể B Ma trận số ứng với lực kích động τ Ma trận lực/mơ men dẫn động u Ma trận lực/mơ men dẫn động có động điện Z Ma trận chuyển đổi Jacobian qe Ma trận tọa độ suy rộng phần tử vi qj Ma trận tọa độ suy rộng phần tử thứ j qR, qr Ma trận tọa độ suy rộng dầm so với hệ quy chiếu cố định vii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Biểu diễn biến dạng ứng suất hệ tọa độ Đề-các 11 Hình 2.2: Biến dạng ảo ứng suất phân tố 12 Hình 2.3: Biến dạng phân tố 15 Hình 2.4: Các dạng biên chung phần tử 21 Hình 2.5: Phần tử chiều 21 Hình 2.6: Phần tử hai chiều 21 Hình 2.7: Phần tử tứ diện 21 Hình 2.8: Phần tử quy chiếu phần tử thực tam giác 22 Hình 2.9: Phần tử quy chiếu chiều 22 Hình 2.10: Phần tử quy chiếu hai chiều 22 Hình 2.11: Các phép nội suy 23 Hình 2.12: Xấp xỉ bậc theo giá trị đạo hàm cấp điểm sở 24 Hình 2.13: Xấp xỉ tuyến tính với nội suy Lagrange 24 Hình 2.14: Tam giác Pascal phần tử hai chiều 26 Hình 2.15: Tháp Pascal phần tử ba chiều 27 Hình 2.16: Mơ hình phần tử dầm đàn hồi 32 Hình 3.1: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi tịnh tiến quay (T-R) khâu phần tử 45 Hình 2: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi tịnh tiến quay (T-R) khâu phần tử 52 Hình 3.3: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi quay (R-R) – khâu phần tử 59 Hình 3.4: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu đàn hồi quay (R-R) khâu phần tử 65 Hình 3.5: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu cứng T-R 75 Hình 3.6: Mơ hình tay máy robot phẳng hai khâu cứng R-R 77 Hình 7: Mơ hình động lực học động điện hộp giảm tốc 80 Hình 3.8: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi T-R dẫn động động điện 83 Hình 3.9: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi T-R phần tử dẫn động động điện 86 Hình 3.10: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi R-R-1 phần tử dẫn động động điện 87 Hình 3.11: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi R-R-2 phần tử dẫn động động điện 89 Hình 3.12: Mơ hình robot hai khâu cứng T-R dẫn động động điện 91 Hình 3.13: Mơ hình robot hai khâu cứng R-R dẫn động động điện 93 Hình 4.1: Thành phần điều khiển PID 96 Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển PID 96 Hình 4.3: Đồ thị tín hiệu điều khiển với KP, KI KD số 98 Hình 4.4: Đồ thị tín hiệu điều khiển với KI , Kp KD số 99 Hình 4.5: Đồ thị tín hiệu điều khiển với KD, Kp KI số 100 Hình 4.6: Sơ đồ điều khiển PD + bù trọng lực 103 Hình 4.7: Sơ đồ khối điều khiển PD vị trí robot hai khâu T-R 104 Hình 4.8: Đồ thị lực điều khiển PD tay máy T-R 105 Hình 4.9: Đồ thị tọa độ khớp tay máy T-R 106 Hình 4.10: Đồ thị vận tốc vận tốc góc khớp tay máy T-R 107 Hình 4.11: Đồ thị biến dạng uốn góc xoay cuối khâu tay máy đàn hồi T-R 108 Hình 4.12: Đồ thị biến dạng uốn góc xoay cuối khâu tay máy đàn hồi T-R 108 Hình 4.13: Đồ thị vận tốc vận tốc góc cuối khâu tay máy đàn hồi T-R 109 viii ... khâu đàn hồi T-R dẫn động động điện 83 Hình 3.9: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi T-R phần tử dẫn động động điện 86 Hình 3.10: Mơ hình robot hai khâu đàn hồi R-R-1 phần tử dẫn động động điện 87 Hình. .. Mơ hình robot hai khâu đàn hồi R-R-2 phần tử dẫn động động điện 89 Hình 3.12: Mơ hình robot hai khâu cứng T-R dẫn động động điện 91 Hình 3.13: Mơ hình robot hai khâu cứng R-R dẫn động động điện. .. mơ hình động lực học cho robot có khâu đàn hồi Chương xây dựng mơ hình động lực học cho số tay máy robot phẳng có khâu đàn hồi Chương thiết kế điều khiển cho robot có khâu đàn hồi dẫn động động