Mô phỏng trên Matlab cơ cấu chuyển động của rô bốt 2 bậc tự do

Như ta đã biết việc mô phỏng trước đối tượng để tìm quy luật điều khiển là việc làm rất cần thiết. Công việc này rất quan trọng bởi nó làm giảm chi phí sản xuất rô bốt, nó giúp ta tránh được những lỗi thiết kế không đáng có.

Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài 2 Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG 1: RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP VÀ RÔ BỐT HAI BẬC TỰ DO HỆ r 1.1 Rô bốt công nghiệp 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Cấu trúc rô bốt công nghiệp 1.1.3 Cơ cấu tay máy 1.1.4 Nguyên tắc điều khiển 10 1.1.5 Động học thuận rô bốt 11 1.2 Rô bốt θ - r 19 1.2.1 Động học thuận rô bốt θ - r 19 1.2.2 Động lực học rô bốt θ – r 21 CHƢƠNG 2: CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB VÀ ROBOTICS TOOLBOX 24 2.1 Giới thiệu chung Matlab 24 2.2 Robotics Toolbox 26 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 28 3.1 Mơ hình tay máy 28 3.2 Luật điều khiển 29 3.2.1 Luật điều khiển thích nghi 29 3.2.2 Luật điều khiển thích nghi bền vững 32 3.3 Các yếu tố tác động khác 32 3.3.1 Nhiễu 32 3.3.2 Ma sát 33 3.3.3 Ma sát, nhiễu phụ tải thay đổi 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 Kết luận 40 Kiến nghị 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 Tiếng Việt 42 Tiếng Anh 42 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng MỞ ĐẦU Tính thiết đề tài Ngày nay, lĩnh vực khoa học rô bốt thu hút đƣợc quan tâm nhà khoa học giới Bằng chứng cho thấy ngày nhiều sách giáo khoa, chuyên đề hội thảo đặc biệt rô bốt đƣợc tổ chức Mối quan tâm đƣợc thể có mặt rơ bốt ứng dụng điều khiển trở thành thƣớc đo để đánh giá mức độ tự động hóa nhiều nhà máy xí nghiệp Rơ bốt ngành khoa học tổng hợp nguyên lý nhiều ngành khoa học khác nhƣ: Điều khiển học, khí, sinh học, điện tử, tin học, trí tuệ nhân tạo kỹ thuật điều khiển tự động Trong kỹ thuật điều khiển tự động ngành đóng vai trò quan trọng thúc đẩy phát triển mạnh mẽ khoa học rô bốt Tuy nhiên lĩnh vực mẻ thời điểm Đề tài nghiên cứu phƣơng pháp lựa chọn điều khiển mô kết thiết kế rơ bốt nhằm mục đích đóng góp thêm kiến thức lĩnh vực Mục đích nghiên cứu đề tài Nhƣ ta biết việc mô trƣớc đối tƣợng để tìm quy luật điều khiển việc làm cần thiết Công việc quan trọng làm giảm chi phí sản xuất rơ bốt, giúp ta tránh đƣợc lỗi thiết kế khơng đáng có Mặc dù điều khiển tìm đƣợc từ việc tính tốn phần mềm mơ có thơng số chƣa sát với thực tế bên ngoài, nhiên nhũng gợi ý cần thiết ngƣời thiết kế, cần gia công thêm xây dựng đối tƣợng thực hồn tồn đáp ứng đƣợc u cầu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài Trong phạm vi đề tài này, tác giả tính tốn, thiết kế điều khiển cho cánh tay rơ bốt bậc tự dạng θ – r Đề xuất sử dụng luật điều Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng khiển luật điều khiển thích nghi đơn giản luật điều khiển thích nghi bền vững Từ đƣa kết luật tích ƣu việt điều khiển đƣợc lựa chọn Đồng thời tổng qt hóa cho việc thiết kế rơ bốt n bậc tự Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Ứng dụng phần mềm mô Matlab để mô chuyển động rô bốt hệ r từ tìm phƣơng án điều khiển tối ƣu cho hệ Bên cạnh so sánh ƣu nhƣợc điểm với phƣơng pháp điểu khiển khác, từ đề xuất phƣơng án lựa chọn tham số cho điều khiển nhƣ tham số link Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Trong khoa học rơ bốt yếu tố quan trọng tìm phƣơng pháp điều khiển rơ bốt tối ƣu Việc tìm hiểu lý thuyết mơ điều khiển rô bốt hai bậc tự bƣớc tiếp cận để tiến tới nghiên cứu mở rộng thành tốn điều khiển chuyển động rơ bốt n bậc tự Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng CHƢƠNG 1: RƠ BỐT CƠNG NGHIỆP VÀ RƠ BỐT HAI BẬC TỰ DO HỆ r 1.1 Rô bốt công nghiệp 1.1.1 Giới thiệu chung Cùng với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, máy móc thiết bị cơng nghiệp ngày u cầu phải đạt suất cao, làm việc xác Mặt khác, nhu cầu tự động hóa cho q trình rời rạc ngày cao Các q trình kể đến nhƣ nạp phôi cho máy công cụ, lắp ráp bảng mạch, tơ,… Chính mà rô bốt xuất để thỏa mãn nhu cầu Rô bốt thuật ngữ dùng để máy móc thiết bị tự động có khả thay ngƣời thực nhiệm vụ công việc Có nhiều định nghĩa Rơ bốt, Theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp thì: Robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hố, lập lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ, có khả định vị, di chuyển đối tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot thiết bị có nhiều trục, thực chuyển động chương trình hóa nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến động trình Chúng điều khiển phận hợp ghép kết nối với nhau, có khả học Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng nhớ chương trình, chúng trang bị dụng cụ phương tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hố, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người Bên cạnh khái niệm robot cịn có khái niệm robotic, khái niệm hiểu nhƣ sau: Robotics nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Robotics khoa học liên nghành gồm khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển cơng nghệ thơng tin Nó sản phẩm đặc thù nghành điện tử (mechatronics) Robot công nghiệp lĩnh vực riêng robot, có đặc trƣng riêng nhƣ sau: - Là thiết bị vạn đựoc TĐH theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt khéo léo nhiệm vụ khác - Được ứng dụng trường hợp mang tính cơng nghiệp đặc trưng vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường Do có hai đặc trƣng nên robot cơng nghiệp định nghĩa nhƣ sau: Theo Viện nghiên cứu robot Mĩ đề xuất: RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hồn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động cơng nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 nhƣ sau: RBCN tay máy đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Ngày nay, rô bốt trở thành công cụ khơng thể thiếu nhà máy xí nghiệp có mức độ tự động hóa cao Rơ bốt đảm nhận cơng việc khó khăn nhƣ làm việc lị phản ứng hạt nhân, mơ trƣờng có độ phóng xạ nhiệt độ cao độ cao mà ngƣời thao tác làm việc an tồn Ngồi rơ bốt cịn đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống nhƣ y học, sinh học, kỹ thuật địa chất đời sống hàng ngày nhƣ rô bốt bán hàng, trông nhà, tiếp tân… Trong năm qua, ngành công nghiệp rô bốt đạt đƣợc thành tựu to lớn Nhƣng khơng dừng lại đó, rơ bốt cịn tiếp tục đƣợc nghiện cứu phát triển để đáp ứng nhu cầu tự động hóa ngày cao Rơ bốt cần phải trở nên thơng minh hơn, độ xác cao hơn, thời gian tác động ngắn cần tìm kiếm phƣơng pháp điều khiển đa dạng tốt 1.1.2 Cấu trúc rô bốt công nghiệp Một robot công nghiệp thƣờng bao gồm thành phần nhƣ : cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính phần mềm lập Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động cơng nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng trình nên đƣợc coi thành phần hệ thống robot Mối quan hệ thành phần robot nhƣ hình 1.1 Hình 1.1 Các thành phần hệ rô bốt Cánh tay robot (tay máy) kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn động lực động điện (một chiều động bƣớc), hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động Dụng cụ thao tác đƣợc gắn khâu cuối robot, dụng cụ robot có nhiều kiểu khác nhƣ: dạng bàn tay để nắm bắt đối tƣợng công cụ làm việc nhƣ mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot thao tác cần thiết theo u cầu q trình làm việc, sau robot tự lặp lại động tác đƣợc dạy để làm việc (phƣơng pháp lập trình kiểu dạy học) Các phần mềm để lập trình ch-ơng trình điều khiển robot đ-ợc cài đặt máy tính, dùng điều khiển robot thông qua điều khiển (Controller) Bộ điều khiển đƣợc gọi Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), thƣờng đƣợc kết nối với máy tính Một mođun điều khiển có Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng thể cịn có cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhƣ cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái thân, xác định vị trí đối tƣợng làm việc dị tìm khác, điều khiển băng tải cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot 1.1.3 Cơ cấu tay máy Tay máy phần sở định khả làm việc robot Đó phần khí đảm bảo cho robot khả chuyển động không gian khả làm việc nhƣ nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy đa dạng nhiều loại khác xa với tay ngƣời Tuy nhiên, kỹ thuật robot dùng thuật ngữ quen thuộc để phận tay máy nhƣ vai (shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) khớp (Articulations), Trong thiết kế quan tâm đến thơng số có ảnh hƣởng lớn đến khả làm việc robot nhƣ: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp tay - Tầm với hay vùng làm việc: Kích thƣớc hình dáng vùng mà phần làm việc với tới - Sự khéo léo, khả định vị định hƣớng phần cơng tác vùng làm việc Hình 1.2 Kết cấu tay máy Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Các tay máy có đặc điểm chung kết cấu gồm có khâu, đựơc nối với khớp để hình thành chuỗi động học hở tính từ thân đến phần cơng tác Các khớp đƣợc dùng phổ biến khớp trƣợt khớp quay, tuỳ theo số lƣợng cách bố trí khớp mà tạo tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian), toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay ngƣời (Anthropomorphic)  Tay máy kiểu tọa độ đề các, gọi kiểu chữ nhật, dùng ba khớp trƣợt, cho phép phần công tác thực cách độc lập chuyển động thẳng, song với ba trục tọa độ Vùng làm việc tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Do đơn giản kết cấu tay máy kiểu có độ cứng vững cao, độ xác đƣợc đảm bảo đồng toàn vùng làm việc, nhƣng khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề đƣợc dùng để vận chuyển lắp ráp  Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đềcác khớp đầu tiên: Dùng khớp quay thay cho khớp trƣợt Vùng làm việc có dạng hình trụ rỗng Khớp trƣợt nằm ngang cho phép tay máy “thò” đƣợc vào khoang rỗng nằm ngang Độ cứng vững học tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhƣng độ xác định vị góc mặt phẳng nằm ngang giảm tầm với tăng  Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ khớp thứ hai (khớp trƣợt) đƣợc thay khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động phần công tác đƣợc mơ tả tọa độ cầu bậc tự tƣơng ứng với khả chuyển động vùng làm việc khối cầu rỗng Độ cứng vững loại tay máy thấp hai loại độ xác định vị phụ thuộc vào tầm với Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng  Tay máy Scara đƣợc đề xuất dùng cho cơng việc lắp ráp Đó kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm hai khớp quay khớp trƣợt, nhƣng ba khớp có trục song song với Kết cấu làm tay máy cứng vững theo phƣơng thẳng đứng nhƣng cứng vững theo phƣơng đƣợc chọn phƣơng ngang Loại chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phƣơng đứng Từ Scara viết tắt “selective compliance assembly robot arm” để mô tả đặc điểm Vùng làm việc Scara phần hình trụ rỗng  Tay máy kiểu sinh, có ba khớp khớp quay, trục thứ vng góc với hai trục Do tƣơng tự với tay ngƣời, khớp thứ hai đƣợc gọi khớp vai, khớp thứ ba gọi khớp khuỷu nối cẳng tay với khuỷu tay Với kết cấu khơng có tƣơng ứng khả chuyển động khâu số bậc tự Tay máy làmviệc khéo léo, nhƣng độ xác định vị phụ thuộc vị trí phần cơng tác vùng làm việc Vùng làm việc tay máy kiểu gần giống phần khối cầu 1.1.4 Nguyên tắc điều khiển Hệ thống điều khiển rô bốt giống nhƣ với hệ điều khiển trình tự động hóa khác Ngun tắc điều khiển cần điều chỉnh hệ thống theo hƣớng làm cực tiểu hàm sai số Hàm sai số đƣợc xác định cơng thức: ε = θd – θ Trong đó: θd vị trí góc mong muốn đạt đƣợc θ vị góc thực tế khớp Khi ε → khớp rơ bốt đƣợc coi đạt đến vị trí mong muốn Có nhiều phƣơng pháp điều khiển để đạt đƣợc điều kiện ε → 0, có việc mơ Matlab thơng qua hàm điều khiển việc quan sát dễ dàng đƣờng đặc tính đầu cho ta nhìn trực quan Tuy 10 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Đặc tính 3: Ma sát phƣơng trình động học (3.1) đƣợc biểu diễn thông qua hai thành phần Fr (q ) Fv q Fd (q ) (3.4) Với Fv ma trận hệ số ma sát Fd ( q ) biểu thức ma sát động Vì ma sát lỗi cục không liên kết khớp nên phụ thuộc vào vận tốc góc q 3.2 Luật điều khiển 3.2.1 Luật điều khiển thích nghi Bài tốn điều khiển bám đƣợc thiết lập nhƣ sau: Cho trƣớc quỹ đạo chuyển động mẫu qd R n và tốc độ chuyển động mẫu q d R n vài tất tham số tay máy không rõ, xác định luật điều khiển mặt trƣợt s đảm bảo quỹ đạo hệ bám mặt trƣợt với sai lệch bám q~ q qd xác định trƣớc tiến đến khơng t Để giải tốn, mặt trƣợt s đƣợc chọn nhƣ sau: s q~ Với q~ (3.5) ma trận xác định dƣơng đảm bảo giá trị riêng nằm bên trái mặt phẳng phức q véc tơ sai lệch bám Nếu chế độ trƣợt tồn mặt trƣợt s theo lý thuyết ổn định VSS, chế độ trƣợt đƣợc đảm bảo sở thiết kế ma trận q~ q~ : (3.6) Quan sát (3.6) cho thấy sai lệch bám phụ thuộc vào giá trị riêng ma trận Nếu luật điều khiển đƣợc thiết kế đảm bảo chế độ trƣợt mặt trƣợt s đáp ứng sai lệch bám nghiệm phƣơng trình động học tuyến tính (3.6) 29 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng Trên sở luật điều khiển trƣợt, luật điều khiển tác động đến sai lệch bám dọc theo mặt trƣợt s , véc tơ biến mẫu đƣợc chọn để có: q~(t ) q r (t ) q d (t ) (3.7) Phƣơng trình động học (4.1) tay máy đƣợc biểu diễn lại dƣới dạng sau: D(q)q C (q, q )q G (q) Với F (q, q, t ) F (q, q , t ) Fr (q ) d (3.8) Tuy nhiên này, véc tơ hàm bất định đƣợc thay F (q, q , q, t ) Fr (q ) d khơng bao gồm nhiễu, ma sát mà cịn bao gồm nhiễu phụ tải Vì phải biểu diễn lại (3.8) phƣơng trình sau đây: D(q)q C(q, q)q G(q) F (q, q, q, t ) (3.9) Với giả thiết D(q), C(q, q), G(q) biết trƣớc biến trạng thái hệ đo đƣợc Để thiết kế luật điều khiển với chế thích nghi, ta định nghĩa hàm Liapunov T ( s Ds V (t ) với i ~ n i i  ) i (3.10) i * i i T i , * i véc tơ cột thứ i ma trận tham số tối ƣu số thực dƣơng Đạo hàm V (t ) theo thời gian có dạng: V (t ) s T Ds T T  s Ds s ( Dqr Cq r n T i i i i n G F ) (3.11) ~ T ~ i i i i Với F (q, q, q, t ) véc tơ hàm phi tuyến không rõ Chúng ta thay F (q, q, q, t ) hàm Nˆ (q, q, q | ) Bây giờ, định nghĩa luật điều khiển 30 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động cơng nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng D(q)qr Với K D G(q) Nˆ (q, q, q | ) K D s C (q, q )q r diagKi , i = 1,2, n T T Nˆ (q, q , q | ) (3.12) (q, q , q) (q, q , q) (3.13) (q, q , q) T n Giả sử xác định đƣợc ma trận tham số tối ƣu * , véc tơ sai lệch xấp xỉ nhỏ F (q, q, q, t ) Nˆ (q, q, q | ) w (3.14) Từ ta có: V m sT K D s sT w ( ~ ~T l l l sl ~T l (q, q, q) (3.15) l Với  i * i Để có: V (t ) i (q, q, q) véc tơ hàm sT K D s s T w (3.16) Ta chọn luật chỉnh định thích nghi  si (q, q, q), i i i 1,2, , n (3.17) Nếu w , có nghĩa không gian Nˆ bao F , nhƣ V (t ) s Khi sử dụng định lý Lasalle, sai lệch bám q hội tụ mặt trƣợt bám theo mặt trƣợt với t Bởi sT w biểu thức thể sai lệch Nˆ so với F theo lý thuyết xấp xỉ đa sai lệch nhỏ w , luật thích nghi khơng không Sơ đồ hệ thống điều khiển theo phƣơng pháp đƣợc minh hoạ hình 3.1 31 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng Bù ma sát Nˆ M¸y ph¸t tÝn hiƯu mẫu KDs Robot Dqr + Cqr + G Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi 3.2.2 Luật điều khiển thích nghi bền vững Trong phƣơng trình (3.16) có biểu thức sT w , để khử ảnh hƣởng sai lệch xấp xỉ chọn luật điều khiển thích nghi bền vững có dạng sau: D(q)q C (q, q )q G(q) với W Nˆ (q, q , q | ) K D s Wsign( s) (3.18) diag[a M , a M , a Mn ] Bây hàm Liapunov (3.10) với luật chỉnh định (3.17) có đạo hàm theo thời gian V (t ) sT Dsi (3.19) 3.3 Các yếu tố tác động khác 3.3.1 Nhiễu Từ phƣơng trình (3.1), ta quan tâm đến nhiễu F (q, q , t ) d (t ) , luật điều khiển luật chỉnh định thích nghi có dạng: Luật điều khiển đơn giản: D(q)qr C (q, q )q r G (q) Nˆ (q, q | ) KDs Nˆ (q, q | ) K D s Wsign( s) (3.21) (3.20) Luật điều khiển bền vững: D(q)qr C (q, q )q r G(q) 32 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Luật chỉnh định thích nghi:  si i (q, q ), i i (3.22) i 1,2, , n 3.3.2 Ma sát Trong phần trên, khẳng định ma sát phụ thuộc vào tốc độ góc q độc lập với khớp quay tay máy Chính sử dụng bù cho khớp tay máy Trong trƣờng hợp này, biểu diễn lại (3.4) dƣới dạng sau: p y wl l T ( x) ( x) l ( x) ( ( x), ( x), p ( x)) T ( w1 , w2 , w p )T Đây bù để bù ma sát cho khớp tay máy Nhƣ luật điều khiển luật chỉnh định thích nghi có dạng nhƣ sau Luật điều khiển đơn giản: D(q)qr C (q, q )q r G(q) Nˆ (q | ) KDs Nˆ (q | ) K D s Wsign( s) (3.24) (3.23) Luật điều khiển bền vững: D(q)qr C (q, q )q r G (q) Luật chỉnh định thích nghi:  i si i (q ), i i 1,2, , n (3.25) Dƣới mơ hình điều khiển góc quay θ có tham gia lực ma sát 33 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Hình 3.2 Điều khiển góc quay rơ bốt có lực ma sát 3.3.3 Ma sát, nhiễu phụ tải thay đổi không rõ F (q, t ) F (q, q, t ) Nhƣng tham số không rõ phụ tải thay đổi phụ thuộc quãng đƣờng, vận tốc góc, gia tốc thời gian có nghĩa hàm khơng rõ có dạng F (q, q, q, t ) Theo thay đổi phụ tải, biểu diễn lại phƣơng trình (3.1) dƣới dạng : D(q)q C (q, q )q G(q) c(q, q, q, t ) Với d c (q, q, q, t ) = cD (Dq + cC (Cq) + cG (G ) cC D (mnc , q )q D (mn , q )q C (mnc , q, q )q C (mn , q, q )q cG G (mnc q ) G (mn q ) cD Fr q (3.26) Với mn giá trị phụ tải tính tốn mnc giá trị phụ tải thực không rõ Nhƣ hàm không rõ cần đƣợc bù hàm có dạng nhƣ sau: F (q, q , q, t ) c(q, q , q, t ) Fr (q ) (3.27) d Ta biểu diễn (3.27) tổng hai hàm sau đây: F (q, q , q, t ) F (q, q, t ) F (q, q, t ) (3.28) Với F (q, q, t ) cC [C(q, q ), q ] cG [G(q)] Fr (q ) F (q, q, t ) cD [ D(q)q] d (3.29) 34 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng Bây giờ, bù cho tất tham số bất định đƣợc thiết kế cách sử dụng hàm riêng biệt, cho F (q, q , t ) cho F (q, q, t ) Luật điều khiển luật thích nghi có dạng: D(q)qr 1 i  i i i 1,2, , n si (q, q), i 1,2, , n i Nˆ (q, q | G(q) si i (q, q ), i C (q, q )q r Nˆ (q, q | ) ) KDs (3.30) Chúng ta định nghĩa hàm Liapunov có dạng sau: V (t ) T ( s Ds n  1T i i n 1  2T i i i i  ) i i Thì V (t ) s T ( Dqr Cq r n G F ~ ~ 1T ) l l n l ~ ~ 2T l l l l (3.31) l ta có sai lệch nhỏ xấp xỉ có dạng w1 w Nˆ (q, q | F (q, q , t ) Nˆ (q, q | F (q, q , t ) 1* ) 2* (3.32) ) Thế (3.30) (3.32) vào (3.31), cuối ta nhận đƣợc đạo hàm hàm Liapunov theo thời gian có dạng sau: V (t ) = - sT K Ds - sT (w1 + w ) (3.33) Điều đảm bảo hệ thống kín ổn định Luật điều khiển bền vững có dạng nhƣ sau: D(q)qr C (q, q )q r G (q) Nˆ (q, q | ) Nˆ (q, q | ) K D s Wsign( s) 3.3 Các kết mơ nhận xét Mơ hình tính tốn động học rô bốt θ – r 35 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Hình 3.3 Mơ hình tính động học thuận rơ bốt Mơ hình tính vị trí, hƣớng vận tốc di chuyển tay nắm rơ bốt Hình 3.4 Vị trí, hƣớng vận tốc Rơ bốt Hình 3.5 Tín hiệu vào mẫu 36 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động cơng nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Kết mơ luật điều khiển thích nghi đơn giản luật thích nghi bền vững đƣợc biểu diễn hình 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 3.11 Hình 3.6 Luật điều khiển thích nghi đơn giản q1 q2 qd Hình 3.7 Khớp 1, quĩ đạo mẫu theo luật thích nghi đơn giản q~1 q~2 Hình 3.8 Sai lệch bám khớp theo luật thích nghi đơn giản 37 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Hình 3.9 Luật điều khiển thích nghi bền vững q1 q2 qd Hình 3.10 Khớp 1, quĩ đạo mẫu theo luật thích nghi bền vững q~1 q~2 Hình 3.11 Sai lệch bám khớp theo luật thích nghi bền vững Kết bám mục tiêu tay nắm rô bốt sử dụng luật điều khiển thích nghi đơn giản (3.12a) luật điều khiển thích nghi bền vững (3.12b) 38 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Hình 3.12 Quỹ đạo tay nắm rô bốt chạy theo quỹ đọa mẫu Nhận xét Kết mô cho thấy chất lƣợng hệ thống điều khiển theo luật điều khiển thích nghi bền vững tốt so với luật điều khiển thích nghi đơn giản Cả hai luật điều khiển, điều khiển thích nghi đơn giản điều khiển thích nghi bền vững, ứng dụng cho tay máy với số bậc tự lớn hai 39 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài nghiên cứu Rơ bốt cơng nghiệp nói chung sâu nghiên cứu rô bốt hệ θ – r để từ đề xuất phƣơng án mơ điều khiển hệ cách sử dụng phần mềm Matlab Giới thiệu đơi nét Matlab Robotics Matlab Mơ hình hóa động học, động lực học rơ bốt Tính tốn bù rơ bốt có tác động từ yếu tố bên nhƣ ma sát, nhiễu tải thay đổi Đề tài đạt đƣợc kết sau: Xác định đƣợc động học, động lực học đối tƣợng từ việc tính tốn phần mềm Lựa chọn luật điều khiển từ hai đề xuất luật điều khiển thích nghi đơn giản luật điều khiển thích nghi bền vững Tìm đặc tính đầu đặc tính vị trí, hƣớng, lực tốc độ tay nắm rô bốt dựa vào hai luật điều khiển Mô đƣợc kết bám mục tiêu tay nắm rô bốt tƣơng ứng với hai luật điều khiển nêu So sánh kết dựa đƣờng đặc tính từ kết luật luật điều khiển có kết tốt Kết cho thấy, luật điều khiển thích nghi bền vững cho kết tốt luật điều khiển thích nghi đơn giản, ngồi ta áp dụng luật điều khiển cho ro bốt có số bậc cao Kiến nghị Qua trình nghiên cứu ứng dụng Matlab để mơ đặc tính rơ bốt số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu nhƣ sau: 40 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng Nghiên cứu luật điều khiển có đặc tính động học phi tuyến với trễ đầu vào trễ phản hồi Nghiên cứu phƣơng pháp xác định giá trị ban đầu điều khiển thích nghi bền vững toán điều khiển trƣợt Khi số bậc rơ bốt cao hơn, yếu tố bên tác động lên khớp khác nên việc tính bù luật điều khiển phải tính tốn lại 41 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh (2001), Nhận dạng hệ thống điều khiển, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Thiện Phúc (2002), Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật , , Lê Hồi Quốc (2002), Nhập mơn Rơ-bốt cơng nghiệp, Vũ Sĩ Thắng, Phan Minh Tân, Phạm Ngọc Minh, Phạm Thƣợng Cát Phát triển hệ thống nhận dạng định vị vật thể sử dụng camera cho hệ thống phân loại sản phẩm dùng rô bốt Tuyển tập hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ nhất, 9-2002 Tiếng Anh Armel Cretual, Francois Chaumette, Image – based visual servoing by integration of dynamic measurements J.A Piepmeier, G.V McMuray, H.Lipkin Tracking moving target with Model Independent Visual Servoing Proceeding of the 1998 IEEE, Int Conf On intelligent robot and system, Leuven, Begium, 1998 Paul Y Oh, Peter K Allen, Design of a partitioned visual feedback Control 42 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng 10 Minoro Asada, Takamaro Tanaka, Koh Hosoda Visual tracking of Unknown moving object by Adaptive Binocular Visual Servoing 11 Won Hong Adaptive Control of a Two axis Camera Gimbal 12 Kyu Bum Han, Yoon Su Back Visual servo tracking strategy using time-varying kalman filter estimation 13 Wesley E Snyder Industrial Robot: Computer Interfacing and Control Prentice-Hall Inc press 14.Wolfram Stadler Analytical robottics and mechantronics McGraw-Hill, Inc press, 1995 43 ... khiển chuyển động rô bốt n bậc tự Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phịng CHƢƠNG 1: RƠ BỐT CƠNG NGHIỆP VÀ RÔ BỐT HAI BẬC TỰ DO HỆ r 1.1 Rô bốt công nghiệp... sau: K2 m2 (r r 2 ) (1 .25 ) 21 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng P2 (1 .26 ) m2 gr sin Nhƣ hàm Lagrăng L = K1 + K2 – (P1 + P2) với K1, K2, P1,P2 đƣợc... đồng 26 Nguyễn Đức Minh – Bộ môn Điện tự động công nghiệp Trƣờng Đại học Dân lập Hải Phòng Bảng 2. 2 Lệnh động học rô bốt Động học rô bốt diff2tr Chuyển từ hệ pt sang biến đổi đồng fkine Tính động