Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do

Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ/LỰC ÁP DỤNG CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO BÙI ĐỨC THẮNG HÀ NỘI - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ/LỰC ÁP DỤNG CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO BÙI ĐỨC THẮNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN PHẠM THỤC ANH HÀ NỘI - 2009 -1- MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa hoc kỹ thuật, ngành Điều khiển Tự động hố có bước tiến quan trọng Những bước tiến góp phần khơng nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm Nói tới lĩnh vực Tự động hóa cơng nghiệp, người ta không nhắc tới Robot Ở nước có cơng nghiệp phát triển việc đưa Robot vào trình sản xuất nhà máy để dần thay người, đồng thời khắc phục tình trạng khơng đồng chất lượng sản phẩm, trở nên phổ biến thời gian gần Ở nước ta, việc áp dụng Tự động hoá trang bị Robot cho dây chuyền sản xuất nhà máy mẻ bước đầu ứng dụng, phát triển Tuy nhiên, để phát triển lĩnh vực Robot công nghiệp theo chiều sâu, cần tiếp cận theo hướng nghiên cứu thuật tốn điều khiển thơng minh, điều khiển nâng cao, áp dụng vào cho cánh tay Robot Theo hướng phát triển đó, tác giả luận văn định lựa chọn đề tài: Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí/lực áp dụng cho Robot bậc tự làm đề tài cho luận văn cao học Đề tài đề cập đến vấn đề quan trọng điều khiển Robot, vấn đề điều khiển chuyển động Robot có xem xét đến tác động môi trường Nội dung luận văn chia làm chương với nội dung sau: Chương 1- Những nét khái quát Robot công nghiệp: Giới thiệu lịch sử phát triển Robot công nghiệp, khái niệm điều khiển Robot thành phần hệ thống điều khiển Robot Chương 2- Tổng quan điều khiển Robot: Trình bày, phân loại phương pháp điều khiển Robot thông dụng Trên sở đó, đưa mơ hình điều khiển thích hợp cho phương pháp MỞ ĐẦU -2- Chương 3- Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot: Đưa phương pháp điều khiển đồng thời vị trí/lực Robot Phân tích ưu nhược điểm phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển ứng với phương pháp đưa Chương 4- Kết mô hướng phát triển tiếp theo: Xây dựng mơ hình tốn học Robot Planar hai bậc tự Tiến hành mô với phương pháp điều khiển lai vị trí/lực phương pháp điều khiển lai trở kháng Đánh giá kết đưa hướng phát triển Trong trình nghiên cứu, tác giả luận văn cố gắng tiếp cận giải vấn đề cách triệt để Tuy vậy, thời gian có hạn trình độ chun mơn cịn nhiều điểm chưa hồn thiện, chắn khơng tránh khỏi sai sót định Kính mong nhận đóng góp bảo thầy cô MỞ ĐẦU -3- CHƯƠNG NHỮNG NÉT KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu Robot cơng nghiệp 1.1.1 Lịch sử phát triển Robot công nghiệp Từ Robot xuất hiện, 20 năm sau ước mơ viễn tưởng Kerel Capek ( Zech - 1922 ) việc tạo Robot làm nhiệm vụ tạp dịch nhà, đến trải qua q trình cải tiến hồn thiện nhanh chóng Bắt đầu cấu tay máy chép hình khí, thủy lực điện từ điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Hoa Kỳ tay máy Minotaur I tay máy Handyman Hình 1-1 Hình dạng Robot công nghiệp Một số mốc phát triển đáng ý Robot cơng nghiệp điểm qua: Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp -4-  Năm 1938, Harolh Roselund Willard người Mỹ thiết kế cấu phun sơn lập trình đầu tiền cho cơng ty DeVibiss  Năm 1942, Isaac Asimov xuất “Runaround” ơng đưa quy tắc Robot  Năm 1951, Pháp RayMond Goertz thiết kế cánh tay có khớp hoạt động từ xa cho dự án lượng nguyên tử Thiết kế dựa toàn vào mối nối học cánh tay cánh tay phụ (sử dụng cáp thép ròng rọc) Mẫu thiết kế ngày sử dụng cànn sử lý mẫu hạt nhân Nói chung coi bước ngoặt kỹ thuật phản hồi lực  Năm 1954, Goerge C Devol thiết kế cấu Robot lập trình đặt tên Universal Automation, nguồn gốc tên cơng ty sau ông Unimation  Năm 1959, Marvin Minsky John McCarthy thành lập phịng thí nghiệm trí tuệ nhân tạo MIT (Massachusetts Institute of Technology)  Năm 1959, C.DeVol cộng cho đời Robot cơng nghiệp có tên Unimate  Năm 1960, Tập đoàn Codec mua lại công ty Unimation C.Devol bắt đầu phát triển hệ thống Robot Uminate General Motors mua lại Robot công nghiệp Unimate từ công ty Unimation lắp đặt cho dây chuyền sản xuất Robot điều khiển tay loại hệ Robot Unimate  Năm 1964, Các phịng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo mở MIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, trường đại học Edinburgh.1964 hãng C&D Robotics thành lập Carnegie Mellon University thành lập học viện Robot (Robotics Institute) Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp -5-  Năm 1965, phép biến đổi ứng dụng cho cách tính động học Robot – Nguồn gốc hình thành học thuyết Robot ngày  Năm 1968, SRI thiết kế Shakey, Robot di động có khả quan sát điều khiển máy cỡ lớn phòng  Năm 1970, Giáo sư Victor Scheinman đại học Stanford thiết kế mẫu Robot Standard Arm Mà ngày cấu động học xem cách tay Robot tiêu chuẩn  Năm 1973, Cincinnati Milacron phát minh loại T3, loại Robot công nghiệp mang tính thương mại điều khiển máy tính mini commercially available (designed by Richard Hohn)  Năm 1974, Giáo sư Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford, thành lập công ty Vicarm nhắm đưa thị trường phiên cánh tay Robot cho ứng dụng công nghiệp Loại cánh tay điều khiển máy tính mini  Năm 1976, cánh tay Robot sử dụng tàu thăm dò vũ trụ Viking Trong thiết bị công ty Vicarm sử dụng vi tính máy tính (Microcomputer)  Năm 1977, ASEA, công ty Robot Châu Âu giới thiệu loại Robot công nghiệp chạy điện Cả sử dụng máy vi tính cho việc lập trình điều khiển hoạt động  Năm 1978, Sử dụng công nghệ Vicarm, Unimation sản xuất Robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) Ngày thấy Puma có số phịng thí nghiệm  Năm 1979, Sankyo IBM đưa thị trường mẫu Robot Scara (Selective compliant articulated Robot arm) trường Yamanashi Nhật Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp -6- Cho đến nhờ áp dụng có tiến kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot cơng nghiệp gia tăng, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Do Robot cơng nghiệp chiếm vị trí quan trọng cá dây truyền sản xuất Đã có nhiều chủng loại Robot với nhiều hình dáng, kích cỡ ứng dụng nhiều lĩnh vực xã hội, như: công nghiệp, khoa học, y tế, an ninh… 1.1.2 Các ứng dụng Robot công nghiệp Từ đời robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt mục tiêu nhờ vào khả tiên tiến robot như: làm việc mệt mỏi, dễ dàng chuyển nghề cách thành thạo, chịu phóng xạ mơi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” từ trường “nghe” siêu âm Robot dùng thay người trường hợp thực công việc không nặng nhọc đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn Robot ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp Ban đầu để gắp đặt vật liệu, hàn điểm phun sơn Với cơng việc khó khăn mơi trường khắc nghiệt rèn kim loại nhiệt độ cao, việc đòi hỏi phải di chuyển nhiều khắp phân xưởng Robot lựa chọn tốt • Sơn công việc nặng nhọc độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ thuật đòi hỏi thợ sơn phải đào tạo thời gian tốn Trong Robot học tất kiến thức phức tạp vài lặp lại xác động tác khó Chương Những nét khái qt Robot cơng nghiệp -7- Hình 1-2 Robot phun sơn • Robot cịn dùng phục vụ máy công cụ, làm khuôn cơng nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng khỏi băng tải đặt chúng vào trạm chuyển trung gian • Ứng dụng Robot cơng nghệ hàn đường, vừa đạt suất cao chịu nhiệt nóng phát q trình hàn Cảm biến gắn Robot xác định vị trí đường hàn Hình 1-3 Robot hàn • Ứng dụng Robot lắp ráp, nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng người ta thiết kế sản phẩm, sau đặt hàng vật liệu, lập chương trình gia cơng, lập chiến lược đường chi tiết nhà máy, điều Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp -8- khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp kiểm tra tự động thông qua máy CNC, Robot tĩnh động Hình 1-4 Robot lắp ráp • Trong sản xuất lớn, Robot hệ thống tự động hóa hồn tồn: chúng đo đạc, cắt khoan thiết bị xác cịn có khả hiệu chỉnh cơng việc mình.Chỉ cần vài người giám sát, máy móc hoạt động liên tục, Robot làm tất công việc vận chuyển sản phẩm từ công đoạn tới công đoạn khác, kể việc đưa xếp thành phẩm vào kho.Cánh tay Robot trang bị đa dạng nên đáp ứng linh hoạt với nhiều công việc khác Rõ ràng khả làm việc Robot số điều kiện vượt khả người Do đó, phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao suất lao động, giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc độc hại Nhược điểm lớn robot chưa linh hoạt người, dây chuyền tự động, có Robot bị hỏng làm ngừng hoạt động dây chuyền Chính thế, Robot ln hoạt động giám sát người Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp -9- 1.1.3 Một số định nghĩa Robot Có nhiều định nghĩa khác Robot tùy theo tính chất cơng việc mà Robot phải thực hay tuỳ theo chức cụ thể Robot Dưới số định nghĩa thơng dụng Robot cơng nghiệp • Theo RIA-Viện nghiên cứu Robot Hoa Kì: Robot tay máy nhiều chức năng, thay đổi chương trình hoạt động, dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ dùng cho công việc đặc biệt thông qua chuyển động khác lập trình nhằm mục đích hồn thành nhiệm vụ đa dạng • Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp ch-ơng trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp .theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ cơng nghệ khác • Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất • Cịn theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) Robot cơng nghiệp phải Robot thỏa mãn năm yếu tố:  Có khả thay đổi chuyển động  Có khả cảm nhận đối tượng thao tác  Có số bậc tự cao  Có khả thích nghi với môi trường hoạt động Chương Những nét khái qt Robot cơng nghiệp - 10 -  Có khả hoạt động tương hỗ với môi trường bên Sự thống tất định nghĩa nêu đặc điểm điều khiển theo chương trình, nhờ vi xử lí vi mạch tích hợp chuyên dùng 1.1.4 Đặc tính Robot cơng nghiệp • Tải trọng Tải trọng trọng lượng Robot mang giữ đảm bảo số đặc tính Tải trọng lớn lớn tải trọng định mức nhiều, Robot mang tải trọng lớn định mức, Robot khơng đảm bảo độ xác di chuyển Tải trọng Robot thông thường nhỏ so với trọng lượng Robot Ví dụ, Robot LR Mate hãng Fanuc có trọng lượng 40 Kg mang tải trọng Kg, Robot M-16i có trọng lượng 269 Kg mang tải trọng 18.5 Kg • Tầm với Tầm với khoảng cách lớn mà Robot vươn tới phạm vi làm việc Tầm với hàm phụ thuộc cấu trúc Robot • Độ phân giải khơng gian Độ phân giải khơng gian gia tăng nhỏ Robot thực di chuyển không gian Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điểu khiển độ xác khí Độ phân giải điều khiển xác định độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí hệ thống phản hồi: tỷ số phạm vi di chuyển số bước di chuyển khớp địa hóa điều khiển Robot: Số bước di chuyển = 2n Với n – Số bit nhớ Ví Dụ: Một khớp tịnh tiến Robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển phạm vi 100 mm , số bước di chuyển : 4096 Độ phân giải tương ứng là: Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 11 - 100 = 0.0244mm 4096 Độ di chuyển Robot tổng dich chuyển thành phần Do độ phân giải Robot tổng độ phân giải khớp Robot Độ xác khí cấu chuyển động khớp khâu phản hồi hệ thống điều khiển secvo ảnh hưởng đến độ phẩn giải Các yếu tố làm giảm độ xác khí khe hở hộp truyền, điều kiện bảo dưỡng Robot…Độ xác khí làm giảm độ phân giải • Độ xác Độ xác đánh giá độ xác vị trí tay Robot đạt Độ xác định nghĩa theo độ phân giải cấu chấp hành Độ xác di chuyển đến vị trí mong muốn phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ khớp Khi coi cấu khí có độ xác cao Trong thực tế, độ phân giải bị ảnh hưởng số yếu tố Độ xác thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển tay Robot: Phạm vi di chuyển xa bệ Robot, độ xác giảm độ xác khí lớn Độ xác Robot cải thiện di chuyển Robot giới hạn phạm vi cho phép Tải trọng ảnh hưởng đến độ xác, tải trọng lớn gây độ xác khí thấp làm giảm độ xác di chuyển Thơng thường độ xác di chuyển Robot cơng nghiệp đạt 0,025 mm • Độ lặp lại Độ lặp lại đánh giá độ xác Robot di chuyển để với tới điểm nhiều lần hoạt động (Ví dụ 100 lần) Do số yếu tố mà Robot với tới điểm nhiều lần hoạt động, mà điểm mà điểm với Robot nằm vòng tròn với tâm điểm đích mong muốn Bán kính đường trịn độ lặp lại Độ lặp lại đại lượng có ý nghĩa quan trọng độ xác Độ xác đánh giá sai số cố định, sai số cố định phán đốn hiệu chỉnh chương trình Nhưng sai số ngẫu nhiên khó khử Độ lặp lại cần phải xác định thực nghiệm với tải trọng Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 12 - hướng di chuyển khác (phương thẳng đứng phương nằm ngang…) Độ lặp lại Robot công nghiệp thông thường 0,025 mm • Độ nhún Độ nhún biểu thị dịch chuyển điểm cuối cổ tay Robot đáp ứng lại lực moment tác dụng Độ nhún lớn có nghĩa tay Robot dịch chuyển nhiều lực tác động nhỏ ngược lại Độ nhún có ý nghĩa quan trọng làm giảm độ xác dịch chuyển Robot mang tải trọng Nếu Robot mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng làm cho cánh tay Robot bị dịch chuyển Khi Robot thực gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết phản lực làm cấu tay di chuyển Nếu Robot lập trình điều kiện khơng tải cấu tay, độ xác giảm điều kiện làm việc có tải 1.2 Các phần tử hệ thống điều khiển Robot 1.2.1 Cấu hình khí Robot công nghiệp chủ yếu gồm loại khớp sau: • Khớp tịnh tiến : Thực dịch chuyển thẳng, chuyển động dọc trục Hình 1-5 Khớp tịnh tiến • Khớp quay : Thực loại chuyển động quay, bao gồm nhiều loại như: khớp quay hướng, khớp lề, khớp cầu… Chương Những nét khái quát Robot cơng nghiệp - 13 - Hình 1-6 Các loại khớp quay 1.2.2 Các cấu hình khơng gian • Dạng Đề Các Dạng Đecac sử dụng đường trượt vng góc khơng gian trục toạ độ x, y, z Robot chuyển động theo trục toạ độ Sử dụng khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc Robot mở rộng theo hình chữ nhật Hình 1-7 Cấu hình Robot dạng Đề Các • Dạng hình trụ Trục trụ dọc, Robot chuyển động lên xuống dọc theo trục Bằng chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc Robot mở rộng theo hình trụ bao quanh trục Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 14 - Hình 1-8 Cấu hình Robot dạng hình trụ • Dạng hình cầu Sử dụng khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả chuyển động lên xuống theo chiều ngang trục quay Dạng đa khớp nối cho phép Robot mở rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu Hình 1-9 Cấu hình Robot dạng hình cầu • Dạng khớp nối Tương tự hai cánh tay người, gồm hai phần tử thẳng đứng ứng với cánh tay cổ tay Các phần tử ghép nối với hai khớp tương ứng với khớp bả vai khớp khuỷu tay Cổ tay nối với cẳng tay Các Robot dạng có số bậc tự cao, vùng làm việc rộng, kết cấu phức tạp nên lập trình khó Chương Những nét khái qt Robot cơng nghiệp - 15 - Hình 1-10 Cấu hình Robot dạng khớp nối • Cấu hình Scara Hình 1-11 Cấu hình Scara 1.2.3 Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành hệ thống nối, khớp tạo chuyển động cho khâu tay máy.Nguồn động lực động loại : điện, thủy lực, khí nén kết hợp chúng - Cơ cấu chấp hành thủy lực : Hệ thuỷ lực đạt tới cơng suất cao, đáp ứng với điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh kết cấu bể dầu van lọc, hệ thống dẫn ngược Cơ cấu chấp hành thủy lực có dạng bản: cấu xilanh-piston sử dụng cho khớp tịnh tiến cấu van quay truyền động dùng cho khớp quay Các Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 16 - phận Robot sử dụng dầu để cung cấp lượng, mơmen, tốc độ khâu chấp hành tương ứng với lưu lượng dầu cấp cho xilanh, tốc độ dịch chuyển xilanh điều khiển qua tốc độ quay động - Cơ cấu chấp hành khí nén: Nguồn lượng cấp truyền động cho xilanh quay trượt dịng khí nén áp lực cao điều khiển van điện Hệ khí nén có kết cấu gọn nhẹ không cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, xác thường thích hợp với Robot hoạt động theo chương trình định sẵn với thao tác đơn giản - Động điện: Các dạng động điện sử dụng hệ thống truyền động Robot là: động secvo chiều, secvo xoay chiều, secvo chiều không chổi than động bước Hệ thống có nhiều ưu điểm: Sử dụng cho cỡ Robot, chất lượng điều khiển tốt, độ xác cao, ảnh hưởng mơmen qn tính tải bé có truyền, thích hợp làm việc phịng khơng có rị rỉ, độ tin cậy cao nhu cầu bảo dưỡng nhỏ 1.2.4 Cơ cấu cảm biến Cảm biến sử dụng thiết bị ngoại vi Robot, gồm loại đơn giản như: cơng tắc hành trình hệ thống camera Cảm biến dùng phần tử tích hợp hệ thống phản hồi vị trí Cảm biến phần tử quan trọng hệ thống điều khiển giám sát an tồn Có thể phân hai loại cảm biến dùng cho Robot cơng nghiệp: • Cảm biến nội tuyến: Đo thông tin trạng thái Robot (vị trí, góc quay khớp ), thường dùng máy biến áp vi phân, encorder, chiết áp, điện kế quay tốc độ Đo lực, mômen tenzo, Straingange, cảm biến lực chiều, cảm biến đo áp suất… • Cảm biến ngoại tuyến: Đo thơng tin môi trường Gồm camera, cảm biến tiếp xúc, cảm biến đo khoảng cách sử dụng công nghệ laser Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 17 - 1.2.5 Bộ điều khiển Bộ điều khiển Robot thường cấu thành từ phận tương tự máy tính bao gồm xử lí trung tâm, nhớ xuất / nhập kết hợp với hình để thị, lệnh lập trình đồng thời theo dõi thay đổi tọa độ dịch chuyển khâu Toàn phần bố trí bên tủ điều khiển xếp theo mơđun gồm bo mạch điện tử Để lập trình cách thuận tiện cho Robot, nhà chế tạo thường bố trí panen kết nối song song, gọi teach pendant, với điều khiển gồm hộp có mặt ngồi nút nhấn phím bấm để thực thao tác trực tiếp chuyển động trục Robot chế độ lập trình huấn luyện (teaching mode), bên bo mạch kết nối trực tiếp với xuất / nhập - Bộ nhớ: lưu giữ chương trình điều khiển thơng tin cảm biến trạng thái Robot - Khối tính tốn CPU thực thuật toán điều khiển - Phần cứng ghép nối hệ truyền động với cấu chấp hành - Ghép nối giao diện với người sử dụng Ta minh họa hệ thống điều khiển Robot cơng nghiệp hình 112 Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 18 - Môi trường: Đối tượng, Nhiệt độ, Mômen Phần công tác Sensor giám sát thông số môi trường Truyền động khí Sensor giám sát trạng thái hệ thống Cơ cấu chấp hành Hệ thống điều khiển Điều khiển theo chương trình Giao diện người, Rơbơt Điều khiển tay Hình 1-12 Sơ đồ khối Robot cơng nghiệp Chương Những nét khái quát Robot công nghiệp - 19 - CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 2.1 Các phương pháp điều khiển Robot 2.1.1 Các phương pháp điều khiển chuyển động Robot Có nhiều phương pháp dùng để điều khiển chuyển động Robot Ta phân hai tốn điều khiển chính: điều khiển quỹ đạo chuyển động điều khiển quỹ đạo, lực Điều khiển chuyển động Rôbôt Điều khiển quỹ đạo chuyển động Không gian khớp Điều khiển phi tuyến mơ hình PD bù trọng trường Điều khiển quỹ đạo lực Không gian làm việc PID Jacoby chuyển vị Điều khiển lai Jacoby đảo Điều khiển trở kháng … Hình 2-1 Các phương pháp điều khiển Robot Các phương pháp địi hỏi phải biết xác thông số động học, động lực học Robot Điểm hạn chế phương pháp chưa thể đáp ứng thích nghi được, tức chúng cần phải có mơ hình động học cụ thể Robot để thực Do đó, thực tế, người ta dùng phương pháp nâng cao khác như: - Điều khiển thích nghi (Theo mơ hình MRAC Lee Slotine) - Điều khiển mờ - Mạng Nơron - Điều khiển học (Learning Control) - … Chương Tổng quan điều khiển Robot - 20 - 2.1.2 Điều khiển quỹ đạo chuyển động Robot Trên sơ đồ, thấy điều khiển quỹ đạo chuyển động thực khơng gian tay khơng gian khớp Robot Sau nhận số liệu đầu vào tương ứng với quỹ đạo phần công tác hay khớp, hệ thống điều khiển phải điều khiển Robot chuyển động theo quỹ đạo đặt Tuy nhiên, điều khiển, việc đảm bảo thực quỹ đạo cách xác, cịn phải giải vấn đề tương tác với đối tượng Sự lựa chọn điều khiển không gian công tác hay không gian khớp vấn đề cần phải xem xét kỹ lưỡng Nhiệm vụ Robot thiết lập không gian làm việc, tác động điều khiển lại đặt vào khớp nên biến khớp đối tượng điều khiển trực tiếp Ta xem xét hai không gian điều khiển khác nhau: a) Điều khiển không gian khớp Theo phương pháp này, toán động học ngược giải trước để chuyển thông số từ không gian làm việc sang khơng gian khớp Sau đó, ta thiết kế luật điều khiển không gian khớp qd , qd , qd Luật điều khiển q, q , q Rôbôt q, q , q Hình 2-2 Mơ hình điều khiển không gian khớp Mạch điều khiển nhận giá trị đặt biến khớp điều khiển khớp theo sát diễn tiến thời gian biến khớp Mạch kiểu đơn giản độ xác bị hạn chế đối tượng cần giám sát trực tiếp phần cơng tác lại nằm ngồi mạch điều khiển Trong khơng gian khớp, ta kể đến ba phương pháp thông dụng sau: Chương Tổng quan điều khiển Robot - 21 - Điều khiển phi tuyến mơ hình Luật điều khiển là: = τ M (q)[qd + K p (qd − q) + K d (qd − q )] + h(q, q ) + G (q ) (2-1) Trong đó, Kp, Kd ma trận đối xứng, xác định dương Giả sử sai lệch quỹ đạo là: = e qd − q (2-2) So sánh phương trình (2-1) với phương trình động lực học tổng quát: τ = M (q)q + h(q, q ) + G (q) Ta thu phương trình mơ tả sai lệch hệ thống: e + K d e + K p e = (2-3) Phương trình vi phân bậc hai cho nghiệm thỏa mãn: lim e(t ) = t →∞ Nghĩa : lim q = qd t →∞ Vậy quỹ đạo khớp tiến dần đến quỹ đạo đặt Điều khiển PD có bù trọng trường Tay máy gồm nhiều khâu, khớp cấu liên quan Mỗi phận có trọng lượng Trong q trình làm việc, phận thay đổi, nên trọng lực đặt lên chúng thay đổi không theo quy luật định trước Nhiệm vụ điều khiển ổn định trạng thái tay máy dù làm việc Bộ điều khiển phải thường xuyên giám sát trạng thái hệ thống tác dụng trọng trường, phát tín hiệu điều khiển thích hợp để bù lại tác dụng Để thực điều này, người ta sử dụng lý thuyết Lyapunov: trình hệ thống tiệm tiến đến trạng thái cân lượng giảm dần trạng thái cân bằng, lượng hệ đạt cực tiểu Và trường hợp này, lượng phần công tác Luật điều khiển momen là: Chương Tổng quan điều khiển Robot - 22 - = τ K p (qd − q) − K d q + G (q ) (2-4) Trong Kp, Kd chọn ma trận đường chéo dương Ma trận Kp biểu thị độ cứng hệ thống Ma trận Kd ma trận xác định tỉ lệ bù phi tuyến trọng trường Nguyên lí phương pháp thể sơ đồ: Kd qd e + q Rôbôt Kp + - q q G (q) Biến đổi Hình 2-3 Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng trường Điều khiển PID Đây phương pháp điều khiển kinh điển với thành phần điều khiển : tỉ lệ, tích phân vi phân Luật điều khiển quen thuộc: = τ K p (qd − q) + K d (qd − q ) + Ki ∫ (qd − q)dt Chương (2-5) Tổng quan điều khiển Robot - 23 - −q qd Kp ∫ Ki + τ Rơbơt + qd Kd q Hình 2-4 Sơ đồ điều khiển PID b) Điều khiển không gian làm việc Khi thực điều khiển không gian làm việc, hệ thống nhận trực tiếp thông số không gian khớp làm số liệu đầu vào Bài toán động học ngược giải mạch phản hồi, nên lí thuyết xác Tuy nhiên, phương pháp có hai nhược điểm bản: thứ nhất, hệ điều khiển phức tạp hơn; thứ hai, hệ thống đo thường gắn lên khớp, giám sát trực tiếp thông số khớp Muốn chuyển chúng sang khơng gian cơng tác phải thực phép tính động học thuận nguồn phát sinh sai số xd , xd ,  xd Luật điều khiển q, q , q Rôbôt - x, x ,  x Động học thuận Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển khơng gian làm việc Vì hạn chế mà hệ thống điều khiển khơng gian làm việc sử dụng hiệu có tương tác tay Robot môi trường làm việc Nhưng Chương Tổng quan điều khiển Robot - 24 - phần lý thuyết chung này, ta xét đơn robot chuyển động tự do, lực tương tác nêu cụ thể phần Có hai hệ thống điển hình là: Phương pháp Jacoby đảo phương pháp Jacoby chuyển vị Jacoby đảo Dựa vào quan hệ đại lượng vi sai vị trí tốc độ tay so với khớp là: δ q = J −1.δ x δ q = J −1.δ x Ta xây dựng sơ đồ điều khiển sau: Động học thuận −x xd Kp τ J −1 q Robot q G(q) Biến đổi θ = xd Kd − x J Hình 2-6 Sơ đồ dùng Jacobien đảo Ta thiết kế luật điều khiển phản hồi PD cho momen khớp: = τ J −1[K p ( xd − x) − K d x ]+G(q) (2.6) Trong Kp, Kd ma trận đường chéo dương Jacoby chuyển vị Ta sử dụng luật công ảo: Lực cần thiết để di chuyển tay theo quỹ đạo đặt trước không gian làm việc xác định từ sai lệch vị trí tốc độ khơng gian làm việc: Chương Tổng quan điều khiển Robot - 25 - = F K p ( xd − x) − K d x (2.7) Do luật điều khiển là: = τ J T [K p ( xd − x) − K d x ]+G(q) (2.8) Luật điều khiển minh họa sơ đồ sau: Động học thuận xd −x Kp τ F J T q Robot q G(q) Biến đổi θ = xd Kd − x J Hình 2-7 Sơ đồ dùng Jacobien chuyển vị 2.1.3 Điều khiển quỹ đạo lực Đây toán đòi hỏi điều khiển đồng thời quỹ đạo cánh tay đồng thời điều khiển lực tương tác cánh tay Robot với môi trường làm việc Thông thường, người ta hay dùng hai phương pháp điều khiển điều khiển lai vị trí/lực điều khiển trở kháng Ngồi cịn sử dụng số phương pháp điều khiển thông minh khác Vấn đề trình bày cụ thể mục luận văn Chương Tổng quan điều khiển Robot - 26 - 2.2 Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot 2.2.1 Vì phải điều khiển đồng thời vị trí lực Robot Trong hầu hết ứng dụng công nghiệp, mục tiêu Robot hệ thống tự động hóa thiết lập vận hành ổn định xác Khi thực số ứng dụng cơng nghiệp đó, cánh tay Robot dù trực tiếp hay gián tiếp, phải có ràng buộc với mơi trường làm việc Với tác vụ mà hồn tồn liên quan tới vị trí khơng u cầu nhiều lực, ví dụ phun sơn, ta cần quan tâm tới việc điều khiển xác vị trí điểm cuối tay Robot Tuy nhiên, với tác vụ đánh bóng hay mài mịn, điểm cuối tay Robot có mối liên hệ lực với môi trường làm việc, cụ thể bề mặt môi trường cần đánh bóng hay mài mịn Chính ràng buộc này, chuyển động điểm cuối tay theo hướng bị cản trở Trong điều khiển Robot, tác động thường gọi chuyển động có ràng buộc Có nhiều kỹ thuật dùng để thiết kế điều khiển chuyển động có ràng buộc Một kỹ thuật phổ biến kỹ thuật điều khiển lực Quan điểm điều khiển điều chỉnh lực liên hệ với mơi trường cho điểm cuối tay Robot di chuyển theo quĩ đạo tới điểm đích đặt trước Ví dụ, ứng dụng mài, chuyển động tay Robot bị ràng buộc với bề mặt mài Khi đó, ta vừa phải bảo đảm tay Robot chuyển động bề mặt mài, vừa phải bảo đảm lực liên kết để tay Robot tác động lên bề mặt Một ví dụ khác dễ hình dung hơn, giả sử có Robot viết viên phấn bảng Khi thực động tác này, tay Robot trước hết phải di chuyển theo quĩ đạo mong muốn Bên cạnh đó, trình di chuyển, lực tác dụng lên bảng phải đủ lớn để bảo đảm nét viết Vậy ngồi việc điều khiển vị trí tay Robot cầm phấn, ta đồng thời phải điều khiển lực tác dụng tay Robot lên bảng Hai ví dụ hai số nhiều ứng dụng cơng nghiệp mà u cầu điều khiển lực điều khiển vị trí Để có đối tượng điều khiển thế, ta phải thiết kế điều khiển nhằm điều chỉnh tương tác Chương Tổng quan điều khiển Robot - 27 - động lực tác dụng lên môi trường (điều khiển lực) chuyển động điểm cuối tay Robot (điều khiển vị trí) 2.2.2 Các phương pháp điều khiển đồng thời vị trí lực Từ khoảng 30 năm trở lại đây, nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển lực dùng cho tay máy Robot Raibert Craig người đặt móng cho phương pháp điều khiển lai vị trí/ lực Khatib Burdik nghiên cứu ảnh hưỡng lẫn khớp nối McClamroch Wang phát triển mơ hình giảm bậc cách áp dụng phép biến đổi phi tuyến vào mơ hình động học Robot, sở tách rời chiến lược điều khiển Robot thành điều khiển vị trí điều khiển lực riêng rẽ Bên cạnh phương pháp kể trên, nhiều nhà nghiên cứu dùng phương pháp điều khiển nâng cao quen thuộc khác, điều khiển thích nghi Carelli Kelly thiết kế điều khiển thích nghi bảo đảm bám tiệm cận với quĩ đạo vị trí chưa bảo đảm sai số lực Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học sau Arimoto, Yao Tomizuka Zhen Goldenberg đạt kết với độ ổn định độ xác cao Trong phương pháp dùng điều khiển thích nghi, phải kể đến Quieroz với điều khiển vị trí/ lực thích nghi phản hồi Bộ điều khiển cho phép bù tham số không mong muốn động học tay máy, đồng thời giảm thiểu nhu cầu đo thông số khớp nối Khơng có vậy, có nhiều nghiên cứu ứng dụng mạng Nơron để thiết kế điều khiển Hiện nay, để điều khiển đồng thời vị trí lực cánh tay Robot, người ta nghiên cứu đưa vào ứng dụng phương pháp phổ biến sau: • Điều khiển cứng ( Stiffness Control) • Điều khiển lai vị trí/ lực ( Hybrid position/ force Control) • Điều khiển trở kháng ( Hybrid impedance Control) Trên số phương pháp điều khiển điển hình dùng để điều khiển đồng thời vị trí lực cho Robot Trong thực tế, cịn nhiều chiến lược điều khiển phức tạp khác áp dụng Tất nhiên, chiến lược điều khiển phức tạp đồng Chương Tổng quan điều khiển Robot - 28 - nghĩa với việc kết phải có nhiều ưu điểm Ngày nay, với phát triển vũ bão công nghệ thông tin, công nghệ vi điều khiển, điều khiển thời gian thực, nhà nghiên cứu lĩnh vực Robotic có đầy đủ cơng cụ để lấy xử lý thông tin môi trường mà tay rơbot tương tác, từ tạo tham số bù, bảo đảm điều khiển xác hiệu nhiều Trong nội dung luận văn này, tác giả không sâu nghiên cứu phương pháp phức tạp, đại mà chủ yếu tập trung thiết kế, xây dựng điều khiển theo hai phương pháp quen thuộc sử dụng rộng rãi nay: điều khiển lai vị trí/lực điều khiển lai trở kháng Các phương pháp nâng cao khác tiếp tục nghiên cứu phát triển giai đoạn sau Chương Tổng quan điều khiển Robot - 29 - CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI VỊ TRÍ VÀ LỰC TRONG ROBOT Trong chương này, tác giả trình bày cách chi tiết phương pháp điều khiển đồng thời vị trí/lực nêu chương trước Trước hết, để mô tả hệ thống điều khiển cụ thể, ta phải xây dựng mơ hình động học Robot Mơ hình động học Robot thành phần khơng thể thiếu hệ điều khiển Robot 3.1 Mơ hình động Robot 3.1.1 Mơ hình khơng gian khớp Mơ hình động cho Robot n nối xây dựng theo dạng Ơle- Lagrange sau: M (q ).q + H (q, q ).q + N (q, q ) + τ e = τ (3-1) Trong đó: N (q, q ) = F (q ) + G (q ) (3-2) M (q ) ∈ ℜ n×n gọi ma trận quán tính, Vm (q, q ) ∈ ℜ n×n ma trận chứa thành phần hướng tâm Coriolis, F (q ) ∈ ℜ n×n chứa thành phần ma sát tĩnh ma sát động, G (q ) ∈ ℜ n vectơ gia tốc trọng trường, τ e (t ) ∈ ℜ n biểu diễn lực điểm cuối tay (trong không gian tay Robot) tác dụng lên môi trường, q (t ) ∈ ℜ n biểu diễn vectơ biến khớp τ (t ) ∈ ℜ n vectơ Mômen đầu vào 3.1.2 Mơ hình khơng gian làm việc lực tác dụng lên môi trường Để thuận tiện cho việc thiết kế điều khiển lực, lực tác dụng thường chuyển đổi sang không gian làm việc (hay cịn gọi khơng gian tay) thơng qua ma trận chuyển đổi Jacobien Lưu ý ma trận Jacobien định nghĩa hệ tọa độ không gian làm việc phụ thuộc vào ứng dụng Robot Đặc biệt phụ thuộc vào kiểu ứng dụng, hướng lực Để tính tốn động học khơng gian làm việc, ta định nghĩa vectơ x ∈ ℜ n sau: Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 30 - x=h(q) (3-3) Ở đây, h(q) có từ phương trình động học tay máy mối liên hệ không gian khớp với không gian làm việc Đạo hàm vectơ định nghĩa: x = J (q )q (3-4) Và đạo hàm cấp vectơ là:  = x J (q )q + J (q )q (3-5) Ma trận Jacobien J (q ) ∈ ℜ n×n cho bởi:  I  ∂h(q ) J (q) =   0 T  ∂q (3-6) Với I ma trận đơn vị, ma trận “không” T ma trận chuyển đổi Như ta viết phương trình động học Robot không gian làm việc sau: M (q )q + H (q, q )q + G (q, q ) + J T (q ) f = τ (3-7) f (t ) ∈ ℜ n vectơ lực tác dụng lên môi trường làm việc viết không gian làm việc 3.2 Điều khiển cứng (Stiffness Control) 3.2.1 Luật điều khiển Giả sử tay Robot với khối lượng m thao tác đối tượng Vị trí cân tĩnh đối tượng xe Yêu cầu đặt ta phải đặt momen thích hợp để tay kẹp đạt đến vị trí xd mong muốn Khi vị trí tay vượt q vị trí cân ta tính lực tương tác tay với đối tượng sau: = f K e ( x − xe ) (3-8) Khi hệ thống bậc tự do, ta dễ dàng hình dung hình vẽ dưới: Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 31 - τ m f xe x τ x m xd f x xe x xd Hình 3-1 Hệ thống bậc tự Với hệ thống n bậc tự do, luật điều khiển chọn sau: τ = J T (q)(− K d x + K p x ) + G (q) (3-9) Trong K p , K d ma trận số đường chéo dương, sai lệch quĩ đạo làm việc là: = x xd − x (3-10) So sánh (3-9) với phương trình động lực học có tương tác f: τ= M ( q ) q + H (q, q ) + G (q ) + J T (q ) f Ta được: M (q )q + H (q, q )q= J T (q )(− K d x + K p x − K e ( x − xe )) (3-11) Để đánh giá độ ổn định hệ thống ta sử dụng hàm Lyapunov sau: Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 32 - V = T  1 q M (q )q + x T K p x + ( x − xe )T K e ( x − xe ) 2 (3-12) Với việc chọn hàm trên, ma trận M, Kp, Ke xác định dương nên V xác định dương có đạo hàm là: T  V = q M (q )q − q T M (q )q − q T J T (q ) K p x + q T J T (q ) K e ( x − xe ) Rút gọn lại ta được: V = q T ( M (q ) − H (q, q ))q − q T J T (q ) K d J (q )q (3-13) (3-14) Áp dụng lý thuyết đại số ma trận, ta thấy V hàm không ương với q Và  = Khi thay vào phương trình ta V = q = , dẫn tới q kết quả: lim[ K p x − K d ( x − xe )] = t →∞ (3-15) Xét riêng thành phần thứ i vectơ x, ta có: lim xi = K pi xdi + K ei xei K pi + K ei (3-16) = f ke ( x − xe ) (3-17) t →∞ Lại có: Như vậy: lim fi = t →∞ K ei K pi ( xdi − xei ) K pi + K ei (3-18) Nghĩa trạng thái cân lực lực mà tay Robot tì lên đối tượng đạt Nếu ta chọn Kpi ) Như sai số Ess “zero” nếu:  Mơi trường có tính qn tính điều khiển với tay máy có tính khơng qn tính  Mơi trường có tính trở điều khiển tay máy có tính dung • Đầu vào lực dạng bước nhảy Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 42 - fd + - Z m−1 ( s ) Z e (s) f Hình 3-7 Khi đầu vào lực dạng bước nhảy Khi đầu vào bước nhảy lực, quan hệ động học lực tốc độ biểu diễn phương trình: = x ( s ) Z m−1 ( s )( f d ( s ) − f ( s )) (3-39) Trong f d lực đầu vào tác dụng lên tay Robot điểm tương tác với môi trường Tương tự phần trước, ta phải chọn Z m ( s ) cho sai lệch f d f “zero” Ta định nghĩa sai lệch lực trạng thái ổn định sau: Ess lim s ( f d ( s ) − f ( s )) = s →0 (3-40) f d ( s ) = 1/ s đầu vào bước nhảy lực Theo hình mơ hình, ta rút gọn biểu thức Ess : Z m (s) s →0 Z ( s ) + Z ( s ) m e Ess = lim (3-41) Để Ess tiến tới 0, Z e ( s ) phải khơng có tính qn tính (ví dụ Z e ( s ) > ) Z m ( s ) phải khơng có tính dung (ví dụ Z m ( s ) < ∞ ) Sai lệch lực trạng thái ổn định tiến tới “zero” nếu: • Mơi trường có tính dung điều khiển với tay máy khơng có tính dung • Mơi trường có tính trở điều khiển với tay máy có tính qn tính Trên sở phân tích đây, ta đưa khái niệm nguyên lý đối ngẫu điều khiển lai trở kháng: Mơi trường mang tính dung điều khiển lực với tay máy mang tính khơng dung, mơi trường mang tính quán tính điều khiển vị trí với tay máy mang tính khơng qn tính, mơi trường mang tính trở điều khiển lực với tay máy mang tính quán tính điều khiển vị trí với tay máy mang tính dung Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 43 - 3.4.3 Thiết kế điều khiển Như phần điều khiển lai vị trí/lực nói đến, ta thiết kế điều khiển từ phương trình: = τ M (q).J −1 (q)(a − J (q)q ) + H (q, q ).q + G (q, q ) + J T (q ) f (3-42) Trong  x=a Để tách riêng khiển vị trí điều khiển lực, ta định nghĩa phương trình điều khiển vị trí khơng gian làm việc sau:  x pi = a pi (3-43) Trong a pi biến điều khiển vị trí thứ i không gian làm việc Giả sử điều kiện đầu 0, biến đổi Laplace phương trình là: s.x pi ( s ) = a pi ( s ) (3-44) Từ mơ hình điều khiển vị trí định nghĩa, ta viết: −1 ( s ) f pi ( s )) s.x pi ( s ) s ( x pdi ( s ) − Z pmi = (3-45) Ở đây, Z pmi trở kháng tay máy điều khiển vị trí thứ i Trừ hai phương trình (2-43) (2-42) cho ta được: { } −1 ( s ) f pi ( s )) a pi L−1 s ( x pdi ( s ) − Z pmi = (3-46) Tiếp theo, ta định nghĩa phương trình điều khiển lực viết không gian làm việc: s.x fj ( s ) = a fj ( s ) (3-47) Tương tự ta có: = s.x fj ( s ) s.Z −fnj1 ( s )( f fdj ( s ) − f fj ( s )) (3-48) Ở đây, Z fnj trở kháng tay máy điều khiển lực thứ j Từ hai phương trình (2-45) (2-46) ta có được: { } = a fj L−1 sZ −fnj1 ( s )( f fdj ( s ) − f fj ( s )) (3-49) Như vậy, điều khiển lai trở kháng phải kết hợp điều khiển trở kháng điều khiển lai Nói cách dễ hình dung hơn, kết hợp phương trình (3-43), (3-46) (3-49) Lưu ý điều khiển lai trở kháng, Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 44 - ta phải sử dụng điều khiển cao cấp để lựa chọn thành phần không gian làm việc điều khiển vị trí thành phần điều khiển lực Tiếp cần xác định kiểu trở kháng mơi trường ứng với thành phần cuối lựa chọn trở kháng phù hợp cho tay máy Từ đó, thiết kế điều khiển cho tay Robot 3.4.4 Bộ điều khiển lai trở kháng Trên sở lý thuyết điều khiển phương pháp điều khiển lai trở kháng phân tích trên, ta rút phương trình để thiết kế điều khiển: Phương trình động lực học = τ M (q).J −1 (q)(a − J (q)q ) + H (q, q ).q + G (q, q ) + J T (q ) f Trong đó, J(q) ma trận Jacobien không gian làm việc Thành phần điều khiển vị trí { } −1 = a pi L−1 s ( x pdi ( s ) − Z pmi ( s ) f pi ( s )) Thành phần điều khiển lực { } = a fj L−1 sZ −fnj1 ( s )( f fdj ( s ) − f fj ( s )) Từ phương trình này, ta hồn tồn thiết kế điều khiển cho tay máy bám theo quĩ đạo vị trí quĩ đạo lực đặt ban đầu Dưới sơ đồ biểu diễn hệ điều khiển lai trở kháng: Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 45 - x pdi x pi , x pi Bộ điều khiển vị trí x = h( q ) x = J (q ).q Chọn điều khiển vị trí a pi Tính vectơ a a M (q ).J −1 (q ) τ fs Rôbôt q, q a fj f fdj Bộ điều khiển lực Feedforward f fj Chọn điều khiển lực f = J −T (q ).J sT (q ) f s f pi Hình 3-8 Sơ đồ hệ điều khiển lai trở kháng 3.4.5 Nhận xét Phương pháp áp dụng cho nhiều đối tượng thao tác Nhiệm vụ người thiết kế cần chọn trở kháng tay máy theo nguyên lí đối ngẫu Khác với phương pháp điều khiển lai vị trí/lực, phương pháp không tách rời thành không gian điều khiển riêng biệt mà dựa tác động qua lại chuyển động cánh tay Robot với lực tác dụng lên mơi trường Điều hồn tồn có ý nghĩa thực tiễn nhiều ứng dụng, ta cần phải điều chỉnh mối tương tác động lực đặt lên môi trường với chuyển động tay máy Khi đó, thiết kế điều khiển theo phương pháp lai trở kháng lựa chọn hợp lý 3.5 Nhận xét chung phương pháp điều khiển vị trí/ lực Trong ba phương pháp phương pháp điều khiển cứng có nhược điểm cần lưu ý Đó thực hiện, vị trí tay Robot lực tác dụng lên môi trường bảo đảm giá trị số bảo đảm điều khiển Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 46 - vị trí lực theo quĩ đạo Trong ứng dụng đánh bóng hay mài nhẵn vật liệu, tay Robot phải bám theo quĩ đạo đường đi, đồng thời phải bám theo “quĩ đạo lực“ định Trong trường hợp vậy, dùng phương pháp điều khiển cứng khơng thể đáp ứng u cầu Chính vậy, hệ thống tự động hóa đại, người ta chủ yếu thiết kế điều khiển theo hai phương pháp: điều khiển lai vị trí/lực điều khiển lai trở kháng Ta xây dựng mơ hình mô Robot theo hai phương pháp Chương Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot - 47 - CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO Trong thực tế, có nhiều mơ hình dùng để minh họa cho hai phương pháp điều khiển mà ta vừa đưa Các mơ hình khác khác phương trình tốn học, thơng số khớp, ma trận tính tốn… có chung phương trình động lực học dạng tổng quát Trong phạm vi luận văn này, để mô kết nghiên cứu lý thuyết trên, tác giả sử dụng mơ hình Robot Planar hai bậc tự Đây mơ hình Robot điển hình Phương pháp thiết kế điều khiển lai cho Robot hồn tồn áp dụng cho nhiều mơ hình Robot khác Trước hết, ta hay điểm lại vài nét khái quát Robot planar hai bậc tự 4.1 Khái quát Robot Planar bậc tự Hình 4-1 Mơ hình Robot Planar hai bậc tự Trên hình mơ hình Robot Planar hai bậc tự Ta chọn biến khớp q1, q2 tương ứng góc quay nối Trước hết đơn giản xây dựng mơ hình động học, ta chọn khung tọa độ gốc khung tọa Chương Kết mô hướng phát triển - 48 - độ Đề Cac vng góc gắn với chân đế Robot Sau đó, tuỳ theo toán cụ thể, ta dùng phép biến đổi khung tọa độ thích hợp 4.1.1 Bài tốn động học thuận Gắn hệ tọa độ:  Hệ tọa độ {O0} cố định gắn với chân đế Robot  Hệ tọa độ {O1} hệ {O0} sau phép quay góc θ1 quanh trục Z0 tịnh tiến đoạn l1 trục X0  Hệ tọa độ {O2} hệ {O1} sau phép quay góc θ2 quanh trục Z1 tịnh tiến đoạn l2 trục X1 Đây hệ tọa độ gắn với tay kẹp- khâu tác động cuối Từ ta lập bảng thơng số D-H sau: Khâu αi di θi l1 θ1 l2 θ2 y y2 y1 x2 θ2 x1 θ1 x Hình 4-2 Chọn hệ tọa độ gắn với Robot Ma trận biểu diễn chuyển đổi từ hệ tọa độ (i-1) sang hệ tọa độ i là: Chương Kết mô hướng phát triển - 49 - i-1 Ai = Rot(z,θi ).Tranz(z,di).Tranz(x,ai).Rot(x,αi ) Bằng phép nhân ma trận đơn giản, ta tính ma trận chuyển đổi từ khung tọa độ i-1 sang khung tọa độ i là: cθi  sθ A= i 0  0 −cα i sθi cα i cθi sα i sα i sθi − sα i cθi − sα i cθi 0 cθi  sθi  di    (4-1) Thay thông số vào ta được: cθ1 − sθ1  sθ cα cθ i i A1 =  0  0 cθ  sθ A2 =     − sθ cθ 0 l1.cθ1  l1.sθ1     l2 cθ  l2 sθ  0    (4-2) (4-3) Cuối ta trận biểu diễn tọa độ tay kẹp so với tọa độ gốc:  c(θ1 + θ ) − s (θ1 + θ )  sθ (θ + θ ) c(θ + θ ) T2 0= A1.1 A2  1 =  0  0  l1.cθ1 + l2 c(θ1 + θ )  l1.sθ + l2 s (θ1 + θ )     (4-4) Mặt khác, theo ký hiệu tổng quát:  nx n T2 =  y  nz  0 ox oy oz ax ay az 0 px  p y  pz   1 (4-5) Đây ma trận biểu diễn khung tọa độ tay máy so với khung tọa độ gốc Trong đó: vecto n, o a hình chiếu vectơ đơn vị khung tọa độ tay lên khung tọa độ gốc, p tọa độ điểm cuối tay khung tọa độ gốc Như vị trí tay theo khung tọa độ gốc là: Chương Kết mô hướng phát triển - 50 - xT =l1.cθ1 + l2 c(θ1 + θ ) (4-6a) yT =l1.sθ + l2 s (θ1 + θ ) (4-6b) zT = (4-6c) 4.1.2 Bài toán động học ngược y py θ2 θ1 px x Hình 4-3 Tính biến khớp theo tọa độ tay Mục đích tốn từ thông số không gian làm việc px, py… tính tốn thơng số khơng gian khớp θ1,θ2 Kí hiệu: c1=cosθ1; c2=cosθ2; s1=sinθ1; s2 = sinθ2; c12= cos(θ1+ θ2); s12=sin(θ1 +θ2 ) Ta có: px l1.c1 + l2 c2 =  p y l1.s1 + l2 s12 = (4-7)  px2 = l12 c12 + l22 c122 + 2.l1.l2 c1.c12  2 2  p y = l1 s1 + l2 s12 + 2.l1.l2 s1.s12 ⇒ px2 + p y2 = l12 + l22 + 2.l1.l2 c2 (4-8) px2 + p y2 − (l12 + l22 ) ⇒ c2 = 2.l1.l2 Chương Kết mô hướng phát triển - 51 - Theo công thức này, biết px p y , ta hoàn toàn tính thơng số biến khớp θ1 θ Bài toán động học ngược giải 4.1.3 Phương trình động lực học • Tính toán động cho khớp Khớp 1:  x = −l sin θ θ  xc1 = lc1cosθ1 c1 1  c1    yc1= lc1 sin θ1 ⇒  y c1= lc1cosθ1θ1   = zc1 0= zc1   v12 = (−lc1 sin θ1θ1 )2 + (lc1cosθ1θ1 )2 = lc21θ12 (4-9) (4-10) Động hệ là: 1 1 K1 = m1v12 + J1ω12 = m1lc21θ12 + J1θ12 2 2 Thế năng: l c  P1 = m1 glc1s1 −m1GT pC1 = −m1[0 1]g  c1  = lc1s1  (4-11) (4-12) Khớp 2:  x = −lc1 sin θ1θ1 − lc sin(θ1 + θ )(θ1 + θ2 )  xc =lc1cosθ1 + lc cos(θ1 + θ ) c2   lc1 sin θ1 + lc sin(θ1 + θ ) ⇒  y= lc1cosθ1θ1 + lc 2cos(θ1 + θ )(θ1 + θ2 )  y= c2 c2   zc 0= zc =   v2 = (4 − 13) x22 + y 22 + z22 v22 =l12θ12 + lc22 (θ1 + θ2 )2 + 2l1lc (θ12 + θ1θ2 )cosθ (4 − 14) 1 (4 − 15) K2 m2v22 + J 2ω22 = 2 1 K2 m2[l12θ12 + lc22 (θ1 + θ2 )2 + 2l1lc (θ12 + θ1θ2 )cosθ ]+ J (θ1 + θ2 )2 (4 − 16) = 2 x  (4-17) P2 = m2 g[l1s1 + lc s12 ] −m2[0 1]g  c  =  yc  Tổng động hệ: Chương Kết mô hướng phát triển - 52 - 1 K = K1 + K = m1lc21θ12 + J1θ12 + m2 [l12θ12 + lc22 (θ12 + θ22 )2 2 +2l1lc (θ12 + θ1θ2 )cosθ ]+ J (θ12 + θ22 )2 (4 − 18) (4 − 19) Tổng hệ thống: P = P1 + P2 = m1 glc1s1 + m2 g[l1s1 + lc s12 ] (4-20) Hàm Lagrange hệ thống: 2 2 m1lc1θ1 + J1θ1 + m2 [l12θ12 + lc22 (θ1 + θ2 )2 2 +2l1lc (θ12 + θ1θ2 )c2 ]+ J (θ1 + θ2 )2 − m1 glc1s1 − m2 g[l1s1 + lc s12 ] L= K −P= (4 − 21) (4- 22) Các phần tử phương trình động lực học: = Ti d ∂L ∂L − dt ∂ q ∂qi i (4-23) d ∂L ∂L − dt ∂ θ ∂θ1 (4-24) Khớp 1: T1 = ∂L = [m1lc21 + m2 (l12 + lc22 + 2l1lc 2c2 ) + J + J 2]θ1 + [m (lc22 + l1lc 2c2 ) + J ]θ2 (4-25)  ∂θ1 d ∂L = [m1lc21 + m2 (l12 + lc22 + 2l1lc 2c2 ) + J1 + J ]θ1 +  dt ∂θ1 +[m (l + l l ) + J ]θ − m l l s (2θ θ + θ ) c2 c2 2 c2 2 ∂L = −m1 glc1c1 − m2 g (lc1c1 + lc 2c12 ) ∂θ1 (4-26) (4-27) Khớp 2: T2 = d ∂L ∂L − dt ∂ θ ∂θ1 (4-28) ∂L = [m (lc22 + l1lc 2c2 ) + J 2]θ1 + [m 2lc22 + J ]θ2  ∂θ Chương (4-29) Kết mô hướng phát triển - 53 - d ∂L = [m (lc22 + l1lc 2c2 ) + J ]θ1 + (m 2lc22 + J )θ2 − m2l1lc s2θ1θ2 (4-30) dt ∂θ2 ∂L = −m2 glc 2c12 − m2l1lc 2θ1θ2 + θ12 ) ∂θ (4-31) Như phương trình động lực học hệ thống biểu diễn phương trình sau: T= [m1lc21 + m2 (l12 + lc22 + 2l1lc 2c2 ) + J1 + J ]θ1 + +[m (l + l l ) + J ]θ − m l l s (2θ θ + θ ) c2 c2 2 c2 2 −m1 glc1c1 − m2 g (l1c1 + lc 2c12 ) (4-32) T2 = [m (l + l1lc 2c2 ) + J ]θ1 + +(m 2lc22 + J )θ2 + m2 glc 2c12 + m2l1lc s212 (4-33) c2 Phương trình động lực học rót gän: T = M (q)q + h(q, q ) + g (q) τ   M 11 =    τ   M 21 (4-34) M 12  θ1   h1   g1  +   + M 22  θ2   h2   g  Trong (4-35) M(q): thành phần quán tính; h(q, q ) : thành phn tng h; g(q): thnh phn trng trng Xác định thành phần phương trình động lực học: = [m1lc21 + m2 (l12 + lc22 + 2l1lc 2c2 ) + J1 + J ] M 11 M12 = M 21 = m (lc22 + l1lc 2c2 ) + J = M m2lc22 + J 22 −m2lc1lc s2 (2θ1θ2 + θ22 ) h1 = h = m l l s θ 2 (4-36) c2 g1= g[m1lc1c1 + m2 (l1c1 + lc 2c12 )] g = gm2lc 2c12 Chương Kết mô hướng phát triển - 54 - 4.2 Điều khiển lai vị trí/ lực cho Robot Planar hai bậc tự 4.2.1 Bài toán đặt Điều khiển Robot Planar 2-DOF chuyển động từ điểm A ban đầu đến điểm B mặt phẳng nghiêng đạt lực đặt trước y B fN A α x Hình 4-4 Yêu cầu chuyển động Robot Các thơng số đưa vào mơ hình mô phỏng: Khối lượng nối: m1= 3,5 (kg); m2 = (kg); Chiều dài: l1 =0,25 (m); l2 = 0,25(m) ; Đại lượng đặt: vd=0,05sint+0,2 (m); fd=1-e-t (N); Vị trí ban đầu: Điểm cuối tay chân mặt phẳng nghiêng Mặt làm việc: ue = 0,3 (m); ke = 800 (N/m) 4.2.2 Xây dựng mơ hình mơ Trên sở mơ hình hệ thống điều khiển xây dựng chương trường hợp sử dụng phương pháp điều khiển lai vị trí/lực: Chương Kết mô hướng phát triển - 55 - xTdi x pi , x pi Bộ điều khiển vị trí x = h( q ) x = J (q ).q Chọn phương tiếp tuyến aTi a Tính vectơ a M (q ).J −1 (q ) τ fs Rôbôt q, q aNj Feedforward fNj f Ndj Bộ điều khiển lực fNj = kej x Nj f Nj Chọn phương pháp tuyến x = J (q ).q f = J −T (q ).J sT (q ) f s Hình 4-5 Sơ đồ điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển lai vị trí/ lực Ta xây dựng mơ hình tương ứng Siumulink hình 4-6 Chương Kết mô hướng phát triển - 56 Thanh phan J '.f MATLAB Function T q q,q' MATLAB Function u momen Hàm tính momen MATLAB Function G h q" q' s Chuyen tu q ->u s MATLAB Function vi tri u Hàm tính gia toc v vd vi tri v Hàm tính h (q,q') q1,q2 MATLAB Function simout Hàm tính G To Workspace1 q'1,q'2 f MATLAB Function fd q1,q2 luc yd t dyd d2yd Vi tri dat t Clock fd Clock1 To Workspace t dfd d2fd Luc dat Hình 4-6 Sơ đồ hệ điều khiển lai vị trí/ lực xây dựng Simulink Chương Kết mô hướng phát triển - 57 - Trong sơ đồ trên, khối hàm tính mơmen, tính ma trận phương trình tốn học Robot xây dựng Matlab Function có sẵn Simulink Trong Function đó, ta xây dựng phương trình, tính tốn thông số điều khiển dựa luật điều khiển thiết kế Các khối đầu vào xây dựng dựa kết hợp Matlab Function Subsystem Như việc thay đổi lượng đặt đầu vào linh hoạt nhiều t MATLAB Function yd Position reference dyd1 du /dt dyd dyd2 du /dt d2yd Hình 4-7 Vị trí đặt MATLAB Function t fd force Refence dfd du /dt dfd dfd du /dt d2fd Hình 4-8 Lực đặt Các khối hàm tính mơmen, ma trận quán tính, ma trận trọng trường viết Matlab Function theo ngôn ngữ Script Phần mã nguồn hàm trình bày phần phụ lục luận văn Đối với phương pháp này, luật điều khiển là:  aTi = xTdi + kTvi xTi + kTpi xTi aNj = Chương   ( f Ndj + k Nvj fNj + k Npj fNj ) kej (4-37) (4-38) Kết mô hướng phát triển - 58 - Ta phải lựa chọn hệ số kTvi , kTpi , k Nvj , k Npj để bảo đảm yêu cầu đưa Robot 4.2.3 Các kết mơ Vì ta chia khơng gian điều khiển cánh tay Robot thành hai phần hai phần hoàn toàn độc lập với nên việc thiết kế lựa chọn thông số cho điều khiển hồn tồn độc lập Vì thế, ta chọn thông số cho điều khiển mà không làm ảnh hưởng tới kết điều khiển Trước hết ta tính chọn tham số cho điều khiển theo phương tiếp tuyến 1- Vị trí tay Robot theo phương tiếp tuyến Ban đầu, ta chọn hai thông số Ktp Ktd nhỏ, Ktp=30 Ktd=2, kết mô sau: 0.45 0.4 0.35 0.3 Real Position 0.25 0.2 Reference Position 0.15 0.1 10 Hình 4-9 Đáp ứng vị trí với Ktd=2, Ktp=30 Có thể thấy với quĩ đạo vị trí đặt quĩ đạo hình sin, tay Robot bám sát, có lượng sai lệch định Hơn hệ số Ktd nhỏ nên số lần dao động thời điểm ban đầu nhiều Bởi thế, ta phải tăng dần thông số Ktp Ktd lên Chương Kết mô hướng phát triển - 59 - Giữ nguyên Ktp=30, tăng Ktd=20, ta có kết sau: 0.4 positon(m) 0.35 0.3 Real Position 0.25 Reference Position 0.2 10 time(s) Hình 4-10 Đáp ứng vị trí tăng Ktd=20, Ktp=30 Ta nhận thấy dạng quĩ đạo tay Robot giống với dạng quĩ đạo yêu cầu, vấn đề cần phải xử lý phải bảo đảm sai lệch nhỏ Muốn vậy, ta tăng số Ktp Với Ktp=100, ta có đáp ứng hình dưới: 0.4 0.35 0.3 Real Position 0.25 Reference Position 0.2 10 Hình 4-11 Đáp ứng vị trí với Ktd=20, Ktp=100 Chương Kết mô hướng phát triển - 60 - Tuy nhiên, để bảo đảm quĩ đạo thực quĩ đạo đặt bám sát nữa, ta phải tăng Ktd lên cao, mặt khác Ktd Ktp khơng phải hai tham số độc lập việc tăng Ktd mà không tác động vào Ktp lại làm sai lệch cho hệ thống Bởi vậy, việc điều chỉnh phải tiến hành đồng thời Sau chọn lựa, mô điều chỉnh, ta đưa tham số cho kết tương đối tốt: Ktp=1000, Ktd=200 Kết mơ hình đây: 0.4 0.35 0.3 Real Position 0.25 Reference Position 0.2 10 Hình 4-12 Quĩ đạo ứng với Ktp=1000, Ktd=200 Có thể thấy quĩ đạo bám sát với quĩ đạo đặt với thời gian đáp ứng nhanh, cỡ khoảng 1s Đây kết chấp nhận 2- Đáp ứng quĩ đạo lực Bộ điều khiển không gian lực (theo phương pháp tuyến) thiết kế thông qua việc chọn hệ số Knp, Knd Trước hết, chọn hệ số Knp Knd nhỏ Với Knp=Knd=200, ta có đáp ứng quĩ đạo lực sau: Chương Kết mô hướng phát triển - 61 - 1.4 Real Force 1.2 force(N) 0.8 Reference Force 0.6 0.4 0.2 0 10 time(s) Hình 4-13 Đáp ứng lực với Knp Knd nhỏ Có thể thấy sai lệch so với quĩ đạo đặt lớn Để giảm sai lệch này, ta tăng Knp Knd Cho Knp=1000; Knd=500 1.4 Real Force 1.2 Reference Force 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 Hình 4-14 Đáp ứng lực cải thiện tốt tăng Knp Chương Kết mô hướng phát triển - 62 - Sau thời gian chọn lựa, mô chỉnh định, ta thu kết mô tương đối tốt ứng với thông số: Knp=8000, Knd=200 1.4 Real Force 1.2 Reference Force 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10 Hình 4-15 Đáp ứng Knp=8000, Knd=200 Ngồi ra, ta phải ý đến đại lượng quan trọng khác nữa, vị trí theo phương pháp tuyến Đại lượng hiểu độ biến dạng bề mặt môi trường tay Robot tác dụng lực f lên mơi trường Nếu gọi u vị trí theo phương pháp tuyến lực tác dụng lên tay Robot là: f=ke(u-ue) Trong ue độ biến dạng ban đầu Với thơng số điều khiển trên, vị trí theo phương pháp tuyến tay Robot có dạng sau: Chương Kết mô hướng phát triển - 63 - 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 Hình 4-16 Vị trí theo phương pháp tuyến 4.3 Điều khiển lai trở kháng 4.3.1 Bài toán đặt Điều khiển cánh tay Robot dịch chuyển dọc theo bề mặt nghiêng từ A với quỹ đạo đặt trước lực đặt 10 (N), tốc độ tay kẹp không đổi y B fN A α x Hình 4-17 Yêu cầu tay máy Thông số : Khối lượng nối: Chương m1=3,5 (kg); m2 = 2(kg); Kết mô hướng phát triển - 64 - Chiều dài: l1 = 0,25(m); l2 = 0,25(m) ; Vị trí ban đầu: q1= 0,3π (rad), q2 = - 0,6π (rad); Đại lượng đặt: fd1 = 10 (N), vd = 0,03.t (m); Trở kháng môi trường: he = 0,5 (kg); be = (N.s/m); ke = 35 (N/m); de = (N.s/m); α = 45o Góc mặt phẳng nghiêng 4.3.2 Xây dựng mơ hình mơ Mơmen đặt lên khớp minh họa công thức quen thuộc: = τ M (q).J −1 (q)(a − J (q)q ) + H (q, q ).q + G (q, q ) + J T (q ) f (4-39) Trong đó: u  a f   a=   =   v ap   (4- 40) Các ma trận M, V, N xây dựng Các lực phát sinh là: f  f =  1  f2  (4-41) • Lực f2 lực sinh theo phương tiếp tuyến mặt phẳng quỹ đạo.Giả sử trở kháng môi trường công tác theo phương trở, nghĩa Ze = de, ta có lực tương ứng : f = d e v (4-42) • Lực f1 lực tác dụng vng góc vào bề mặt cơng tác Giả sử theo phương pháp tuyến, bề mặt có trở kháng dung kháng, nghĩa Ze = he.s + be + ke/s, : f1 = heu + beu + keu Chương (4-43) Kết mô hướng phát triển - 65 - Theo phương tiếp tuyến, bề mặt trở nên theo nguyên lí đối ngẫu, ta chọn cấu tay kẹp Robot có tính dung kháng ứng với điều khiển vị trí : Z pm ( s) = hm s + bm + km s (4-44) Trong đó, hm, bm, km ta chọn hệ số dương phù hợp Khi ta tính sai lệch tốc độ (là hàm bậc vị trí): = Ess Z e (0) de = = Z e (0) + Z m (0) d e + ∞ (4-45) Từ ta có:  x p1= v= a p Và: f p= (4-46) f= dev (4-47) Qua phép biến đổi Laplace ngược, ta thu được: a p = vd + bm k (vd − v) + m (vd − v) − f hm hm hm p1 (4-48) Theo phương pháp tuyến, bề mặt công tác dung kháng nên theo nguyên lí đối ngẫu, ta chọn cấu tay kẹp mang tính quán tính theo hướng u để điều khiển lực: Zm = dm s (4-49) Với d m chọn hệ số dương Như sai lệch lực là: = Ess Z m (0) = = Z m (0) + Z e (0) + ∞ (4-50) Thay vào phương trình ta có:  x f 1= u= a f Chương (4-51) Kết mô hướng phát triển - 66 - Và: f f = f1 =heu + beu + keu (4-52) Ta tín hiệu điều khiển lực là: = af ( f − f f 1) dm d1 (4-53) Vậy luật điều khiển trở kháng phối hợp quỹ đạo tay kẹp lực sinh điều khiển thông qua vectơ a sau: u  a f   a=   =   v   a p   a p = vd + = af (4-54) bm k (vd − v) + m (vd − v) − f hm hm hm p1 ( f − f f 1) dm d1 (4-55) (4-56) Trên sở sơ đồ điều khiển xây dựng phần trước, ta thiết kế sơ đồ tương tự Simulink Chương Kết mô hướng phát triển - 67 - x pdi x pi , x pi Bộ điều khiển vị trí x = h( q ) x = J (q ).q Chọn điều khiển vị trí a pi Tính vectơ a a M (q ).J −1 (q ) τ fs Rôbôt q, q a fj f fdj Bộ điều khiển lực Feedforward f fj Chọn điều khiển lực f = J −T (q ).J sT (q ) f s f pi Hình 4-18 Sơ đồ hệ thống theo phương pháp điều khiển lai trở kháng Theo sơ đồ hình 4-18 phương trình lập ứng với Robot Planar hai bậc tự có tay di chuyển mặt phẳng nghiêng góc 45 độ, ta lập sơ đồ Simulink hình 4-19 Chương Kết mô hướng phát triển - 68 - q1,q2 JTF q1', q2' MATLAB Function q1" ,q2" Ham tinh J '.f MATLAB Function u Tdk MATLAB Function Hàm tính momen q' s q" s q vi tri u Hàm tính gia toc khop v vd vi tri v q Hàm tính h (q,q') h q,q' MATLAB Function f q' Hàm tính G G MATLAB Function fd q luc Hàm chuyen tu q > u,v,f MATLAB Function q,q', q" fd vd Step vd ' vd " t vi tri dat Clock vd vd ' Clock1 In vd " Hình 4-19 Sơ đồ Simulink phương pháp điều khiển lai trở kháng Chương Kết mô hướng phát triển To Workspace - 69 - Cũng giống sơ đồ Simulink xây dựng cho phương pháp điều khiển trở kháng, ta xây dựng Matlab-Function tương ứng cho ma trận U, V, f hàm đầu vào Tương tự, hàm điều khiển tham số điều khiển xây dựng Matlab-Function (mã nguồn trình bày phần phụ lục) Thực chất, điều khiển dựa hai phương trình sau: a p = vd + = af bm k f (vd − v) + m (vd − v) − hm hm hm p1 ( f − f f 1) dm d1 (4-57) (4-58) Theo hai phương trình này, thấy rằng, điều khiển lực chọn thơng qua d m cịn điều khiển vị trí chọn qua tham số hm , km , bm 4.3.3 Các kết mô Từ luật điều khiển ta thấy để điều chỉnh lực ta thay đổi thơng số dm, cịn để thay đổi đáp ứng vị trí ta phải thay đổi hm, bm,km Tất nhiên, thông số có ảnh hưởng lẫn Giả sử ban đầu ta chọn = hm 1,= tm 10,= km 10, = dm Các đáp ứng có dạng sau: Chương Kết mô hướng phát triển - 70 - 0.4 0.35 position reference 0.3 pos(m) 0.25 0.2 0.15 0.1 position real 0.05 0 10 12 14 t(s) Hình 4-20 Đáp ứng vị trí Cịn đáp ứng lực có dạng sau: 11.5 11 force reference force(N) 10.5 10 9.5 force real 8.5 8 10 12 14 t(s) Hình 4-21 Đáp ứng lực Chương Kết mô hướng phát triển - 71 - Theo hình 4-21, ta thấy quĩ đạo thực quĩ đạo lực sai số lớn Trong đáp ứng lực lại có số lần dao động lớn thời gian đạt trạng thái ổn định lâu Ta điều chỉnh cách tăng km, đồng thời giảm dm chút Chọn = hm 1,= tm 10,= km 50, = d m 0.5 Quan sát đáp ứng đầu ra: 0.4 0.35 position reference 0.3 pos(m) 0.25 0.2 0.15 position real 0.1 0.05 0 10 12 14 t(s) Hình 4-22 Đáp ứng vị trí tăng km, giảm dm Đáp ứng lực: Chương Kết mô hướng phát triển - 72 - 11.5 11 force reference force(N) 10.5 10 9.5 force real 8.5 10 12 14 t(s) Hình 4-23 Đáp ứng lực, số lần dao động giảm đáng kể Ta thấy rõ tác dụng việc tăng hệ số km giảm dm Khi tăng Km quĩ đạo thực bám sát với quĩ đạo đặt Với d m giảm đi, số lần dao động đáp ứng lực giảm tương đối Tuy nhiên, độ điều chỉnh cịn lớn Để có đáp ứng ổn định xác hơn, ta tiếp tục tăng km giảm đáng kể d m Chọn = hm 1,= tm 10,= km 150, = d m 0.0001 Chương Kết mô hướng phát triển - 73 - 0.4 0.35 0.3 pos(m) 0.25 0.2 0.15 position reference 0.1 0.05 position real -0.05 10 12 10 12 14 t(s) 10.0004 10.0003 10.0002 force reference 10.0001 force(N) 10 9.9999 9.9998 9.9997 force real 9.9996 9.9995 9.9994 14 t(s) Hình 4-24 Đáp ứng vị trí đáp ứng lực Trên hình 4-23, ta thấy đáp ứng vị trí bám xác so với quĩ đạo đặt Đáp ứng lực có số dao động thời điểm ban đầu lớn độ điều Chương Kết mô hướng phát triển - 74 - chỉnh lại nhỏ Thực tế cho thấy giảm dm số lần dao động giảm không đáng kể Tuy nhiên, với sai số nhỏ kết chấp nhận 4.4 Đánh giá kết mô Thông qua kết mô thu được, ta nhận thấy kết mơ sử dụng hai phương pháp nêu hồn toàn đáp ứng tiêu điều khiển Điều chứng tỏ xem xét tới việc áp dụng phương pháp điều khiển để điều khiển Robot công nghiệp cụ thể thực tế Khi sử dụng hai phương pháp điều khiển đồng thời vị trí/lực trên, ta định phải biết xác mơ hình động học Robot Phải có mơ hình động học ta xây dựng thuật tốn điều khiển khơng gian khớp không gian làm việc Với Robot đơn giản mơ hình động học đơn giản nên việc xây dựng thuật tốn điều khiển khơng thành vấn đề Tuy nhiên, Robot trở nên phức tạp việc tính tốn mơ hình tương đối khó khăn Các kết mơ thực với Robot Planar hai bậc tự Đó mơ hình Robot đơn giản phổ biến Tuy nhiên, việc đáp ứng thu có chất lượng tương đối tốt cho thấy tính đắn thuật toán điều khiển mà ta thiết kế Theo kết này, tác giả tin thuật toán điều khiển áp dụng cho mơ hình Robot phức tạp khác Chương Kết mô hướng phát triển - 75 - KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung làm rõ vấn đề sau:  Tìm hiểu tổng quan Robot công nghiệp phương pháp dùng điều khiển Robot cơng nghiệp  Phân tích đánh giá cụ thể phương pháp điều khiển đồng thời vị trí/lực ứng dụng thực tế  Khảo sát mô phương pháp điều khiển lai vị trí/lực phương pháp điều khiển lai trở kháng cho đối tượng Robot Planar hai bậc tự Xét mặt lý thuyết kết mô phỏng, luận văn giải cách vấn đề yêu cầu đặt Mặc dù chưa có kết thực nghiệm, xong kết lý thuyết thu tạo sở tốt cho việc thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động tay máy thực tế Với lý thuyết điều khiển xây dựng trên, mục tiêu mà tác giả luận văn muốn tiếp tục phát triển mức cao đề tài tập trung hai hướng sau:  Xây dựng mơ hình đồ họa, mơ hình mơ khí áp dụng hai phương pháp điều khiển nghiên cứu Ngày nay, với trợ giúp từ phần mềm máy tính thơng minh Solid Work, Matlab, 3D Max…thì việc xây dựng mơ hình mơ thực cho Robot trở nên dễ dàng đầy đủ hơn, hỗ trợ đắc lực cho kỹ sư việc thiết kế, mô Từ kết đó, xem xét tới việc áp dụng Robot thực dựa kỹ thuật vi điều khiển - xử lý tín hiệu số  Bên cạnh việc xây dựng mơ hình đồ họa, tác giả muốn nghiên cứu số phương pháp điều khiển nâng cao khác như: điều khiển thích nghi, điều khiển mờ hay điều khiển áp dụng mạng Nơron Đây thuật tốn điều khiển thơng minh, có khó khăn KẾT LUẬN - 76 - định việc thiết kế hệ thống điều khiển Tuy nhiên, biết áp dụng cách hợp lý chắn mang lại kết khả quan Đây hai hướng phát triển mà tác giả muốn tiếp tục nghiên cứu phát triển luận văn Một lần nữa, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Nguyễn Phạm Thục Anh, người trực tiếp hướng dẫn bảo giúp đỡ tơi nhiều để tơi hoàn thành tốt luận văn KẾT LUẬN - 77 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật Robot, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Huỳnh Thái Hoàng (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, Đại học Bách Khoa TP HCM Nguyễn Thiện Phúc (2006), Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thương Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển thông thường đạiQuyển 1, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh Anderson, R., and M.Spong (1988), Hybrid impedance control of robotic manipulators, J Robot Autom., vol 4, no 5, pp 549–556 Chae, A., C.Atkeson, and J.Hollerbach (1988), Model-Based Control of a Robot Manipulator, Cambridge, MA: MIT Press Hogan,N (1987), Stable execution of contact tasks using impedance control, Proc IEEE Int Conf Robot Autom., pp 595–601 10 Kankaanranta, R., and H.Koivo (1988), Dynamics and simulation of compliant motion of a manipulator, IEEE Trans Robot Autom.,vol 4, pp 163–173 11 Lipkin, H., and J.Duffy (1988), Hybrid twist and wrench control for a robot manipulator, Trans AS ME J Median Transmissions Autom Design, vol 110, pp 138–144 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO - 78 - 12 McClamroch, N., and D.Wang (1988), Feedback stabilization and tracking of constrained robots, IEEE Trans Autom Control,vol 33, no 5, pp 419– 426 13 Raibert, M., and J.Craig (1981), Hybrid position/force control of manipulators, J Dyn Syst Meas Control, vol 102, pp 126–132 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Dưới mã nguồn Matlab-Function xây dựng mơ hình mơ A MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DÙNG PHƯƠNG PHÁP LAI VỊ TRÍ/LỰC Hàm tính Mơmen function T=T(in); para; %cac thong so he thong alpha=pi/4; m1=3.5; m2=2; l1=0.25; l2=0.25; I1=m1*l1^2/12; I2=m2*l2^2/12; ue=0.3; ke=300; %%Cac dau vao cua bo dieu khien momen q1=in(1); q2=in(2); dq1=in(3); dq2=in(4); %%Ki hieu: c1=cos(q1); c2=cos(q2); s1=sin(q1); s2=sin(q2); PHỤ LỤC c12=cos(q1+q2); s12=sin(q1+q2); u=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); v=l2*cos(q1+q2-alpha)+l1*cos(q1-alpha); %%Ham tinh ma tran Jacoby: J(1,1)=-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha); J(1,2)=-l2*cos(q1+q2-alpha); J(2,1)=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); J(2,2)=-l2*sin(q1+q2-alpha); %%Ham tinh ma tran truong : G(1,1)=9.81*0.5*m1*l1*c1+m2*(l1*c1+l2*c12); G(2,1)=9.81*m2*l2*c12; %%Ham tinh ma tran quan tinh : M(1,1)=0.25*m1*l1^2+m2*(l1^2+l2^2+2*l1*l2*c2)+I1+I2; M(1,2)=m2*(l2^2+l1*l2*c2)+I2; M(2,1)=M(1,2); M(2,2)=m2*l2^2+I2; %%Ham tinh ma tran tuong ho: h(1,1)=-2*m2*l1*l2*s2*dq1*dq2-m2*l1*l2*s2*dq2^2; h(2,1)=m2*l1*l2*s2*dq1^2; %%Ham tinh phan dJ dJ(1,1)=(l2*sin(q1+q2-alpha)+l1*sin(q1-alpha))*dq1+l2*sin(q1+q2alpha)*dq2; dJ(1,2)=(l2*sin(q1+q2-alpha))*dq2+l2*sin(q1+q2-alpha)*dq1; dJ(2,1)=(-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha))*dq1-l2*cos(q1+q2alpha)*dq2; dJ(2,2)=(-l2*cos(q1+q2-alpha))*dq2-l2*cos(q1+q2-alpha)*dq1; PHỤ LỤC %dinh nghia cho dq dq(1,1)=dq1; dq(2,1)=dq2; %thanh phan dJ*dq dJdq=dJ*dq; %%Tinh toc tay khong gian (u,v) ds=J*[dq1;dq2]; %%Tinh luc va dao ham luc : f(1,1)=ke*(u-ue); dfu=ke*ds(1); f(2,1)=0; fu=f(1,1);%luc phap tuyen %%Lua chon cac thong so cua bo dieu khien: ktp=1000; ktd=200; knp=8000; knd=200; %%Vecto dieu khien u : a(1,1)=(in(10)+knd*(in(9)-dfu)+knp*(in(8)-fu))/ke; a(2,1)=in(7)+ktd*(in(6)-ds(2))+ktp*(in(5)-v); %%Momen dieu khien : T=M*inv(J)*(a-dJdq)+h+G+J'*f; Hàm tính ma trận H PHỤ LỤC function h=h(in); global m1 m2 l1 l2; q1=in(1); q2=in(2); s2=sin(q2);dq1=in(3);dq2=in(4); h(1,1)=-2*m2*l1*l2*s2*dq1*dq2-m2*l1*l2*s2*dq2^2; h(2,1)=m2*l1*l2*s2*dq1^2; Hàm tính ma trận G function G=G(in); para; q1=in(1); q2=in(2); c1=cos(q1); c12=cos(q1+q2); G(1)=9.81*0.5*m1*l1*c1+m2*(l1*c1+l2*c12); G(2)=9.81*m2*l2*c12; Hàm tính gia tốc khớp quay function ddq=ddq(in) para; %%Cac dau vao: feed(1,1)=in(1); feed(2,1)=in(2); q2=in(4); c2=cos(q2); %%Tinh ma tran quan tinh: M(1,1)=0.25*m1*l1^2+m2*(l1^2+l2^2+2*l1*l2*c2)+I1+I2; M(1,2)=m2*(l2^2+l1*l2*c2)+I2; PHỤ LỤC M(2,1)=M(1,2); M(2,2)=m2*l2^2+I2; %%Gia toc khop: ddq=inv(M)*feed; Hàm tính ma trận J’*f function JTF=JTF(in) %Thong so tay robot m1=3.5; m2=2; l1=0.25; l2=0.25; I1=m1*l1^2/12; I2=m2*l2^2/12; ue=0.3; ke=300; alpha=pi/4; q1=in(1); q2=in(2); c1=cos(q1); c2=cos(q2); s1=sin(q1); s2=sin(q2); c12=cos(q1+q2); s12=sin(q1+q2); f(2,1)=in(1); f(1,1)=0; J(1,1)=-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha); PHỤ LỤC J(1,2)=-l2*cos(q1+q2-alpha); J(2,1)=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); J(2,2)=-l2*sin(q1+q2-alpha); JTF=J'*f; B MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DÙNG PHƯƠNG PHÁP LAI TRỞ KHÁNG Hàm tính Mơmen function T=T(in); para; alpha=pi/4; %%Cac dau vao cua bo dieu khien momen q1=in(1); q2=in(2); dq1=in(3); dq2=in(4); d2q1=in(5); d2q2=in(6); %%Cac dai luong dat dau vao: fd=in(7); vd=in(8); %dvd=in(9); %d2vd=in(10); dvd=0.03; d2vd=0; %%Ki hieu: c1=cos(q1); c2=cos(q2); PHỤ LỤC s1=sin(q1) s2=sin(q2); c12=cos(q1+q2); s12=sin(q1+q2); %%Ham tinh ma tran Jacoby: J(1,1)=-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha); J(1,2)=-l2*cos(q1+q2-alpha); J(2,1)=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); J(2,2)=-l2*sin(q1+q2-alpha); dJ(1,1)=(l2*sin(q1+q2-alpha)+l1*sin(q1-alpha))*dq1+l2*sin(q1+q2alpha)*dq2; dJ(1,2)=(l2*sin(q1+q2-alpha))*dq2+l2*sin(q1+q2-alpha)*dq1; dJ(2,1)=(-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha))*dq1-l2*cos(q1+q2alpha)*dq2; dJ(2,2)=(-l2*cos(q1+q2-alpha))*dq2-l2*cos(q1+q2-alpha)*dq1; dJdq=dJ*[dq1;dq2]; %%Ham tinh ma tran truong : G(1,1)=9.81*0.5*m1*l1*c1+m2*(l1*c1+l2*c12); G(2,1)=9.81*m2*l2*c12; %%Ham tinh ma tran quan tinh : M(1,1)=0.25*m1*l1^2+m2*(l1^2+l2^2+2*l1*l2*c2)+I1+I2; M(1,2)=m2*(l2^2+l1*l2*c2)+I2; M(2,1)=M(1,2); M(2,2)=m2*l2^2+I2; %%Ham tinh ma tran tuong ho: h(1,1)=-2*m2*l1*l2*s2*dq1*dq2-m2*l1*l2*s2*dq2^2; h(2,1)=m2*l1*l2*s2*dq1^2; %%Ham tinh phan (-J'.q'): dJdq2(1,1)=l1*c1*dq1^2+l2*c12*(dq1+dq2)^2; PHỤ LỤC dJdq2(2,1)=l1*s1*dq1^2+l2*s12*(dq1+dq2)^2; %%Ham tinh toa tay robot : %x=l1*c1+l2*c12; %y=l1*s1+l2*s12; u=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); v=l2*cos(q1+q2-alpha)+l1*cos(q1-alpha); %%Tinh toc tay: ds=J*[dq1;dq2]; %%Tinh gia toc tay: d2s=dJdq+J*[in(5);in(6)]; %%Lua chon cac thong so cua bo dieu khien: hm=1; tm=10; km=150; dm=0.0001; %%Tinh luc phap tuyen: f=he*d2s(1)+be*ds(1)+ke*u; %%Vecto dieu khien a : a(1)=(fd-f)/dm; a(2)=d2vd+(dvd-ds(2))*tm/hm+(vd-v)*km/hm-de*ds(2)/hm; %%Momen dieu khien : T=M*inv(J)*(a'-dJdq)+h+G+J'*f; Hàm tính ma trận G function G=G(in); para; q1=in(1); q2=in(2); c1=cos(q1); c12=cos(q1+q2); G(1)=9.81*0.5*m1*l1*c1+m2*(l1*c1+l2*c12); PHỤ LỤC G(2)=9.81*m2*l2*c12; Hàm tính ma trận H function h=h(in); global m1 m2 l1 l2; q1=in(1); q2=in(2); s2=sin(q2);dq1=in(3);dq2=in(4); h(1,1)=-2*m2*l1*l2*s2*dq1*dq2-m2*l1*l2*s2*dq2^2; h(2,1)=m2*l1*l2*s2*dq1^2; Hàm tính ma trận J’*f function JTF=JTF(in) %Thong so tay robot m1=3.5; m2=2; l1=0.25; l2=0.25; I1=m1*l1^2/12; I2=m2*l2^2/12; %cac thong so lien quan alpha=pi/2; he=0.5; be=1; ke=3.5; de=5; %cac dau vao q1=in(1); q2=in(2); dq1=in(3); dq2=in(4); d2q1=in(5); PHỤ LỤC d2q2=in(6); u=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); v=l2*cos(q1+q2-alpha)+l1*cos(q1-alpha); %ma tran Jacobien J(1,1)=-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha); J(1,2)=-l2*cos(q1+q2-alpha); J(2,1)=-l2*sin(q1+q2-alpha)-l1*sin(q1-alpha); J(2,2)=-l2*sin(q1+q2-alpha); %dao ham ma tran Jacobien dJ(1,1)=(l2*sin(q1+q2-alpha)+l1*sin(q1-alpha))*dq1+l2*sin(q1+q2alpha)*dq2; dJ(1,2)=(l2*sin(q1+q2-alpha))*dq2+l2*sin(q1+q2-alpha)*dq1; dJ(2,1)=(-l2*cos(q1+q2-alpha)-l1*cos(q1-alpha))*dq1-l2*cos(q1+q2alpha)*dq2; dJ(2,2)=(-l2*cos(q1+q2-alpha))*dq2-l2*cos(q1+q2-alpha)*dq1; %%Tinh toc tay tren ko gian toa u,v, dung cong thuc %%dx=J.dq ds=J*[dq1;dq2]; %%Tinh gia toc tay: d2s=dJ*[dq1;dq2]+J*[d2q1;d2q2]; f(1,1)=he*d2s(1,1)+be*ds(1,1)+ke*u; f(2,1)=de*ds(2,1); JTF=J'*f; MỤC LỤC Lời cảm ơn PHỤ LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.1 1.2 CHƯƠNG 2.1 2.2 CHƯƠNG ROBOT 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 CHƯƠNG THEO 4.1 4.2 4.3 4.4 NHỮNG NÉT KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Giới thiệu Robot công nghiệp Các phần tử hệ thống điều khiển Robot 12 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT .19 Các phương pháp điều khiển Robot 19 Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot 26 ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI VỊ TRÍ VÀ LỰC TRONG .29 Mơ hình động Robot 29 Điều khiển cứng (Stiffness Control) 30 Điều khiển lai vị trí/ lực 33 Điều khiển lai trở kháng 37 Nhận xét chung phương pháp điều khiển vị trí/ lực 45 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP .47 Khái quát Robot Planar bậc tự .47 Điều khiển lai vị trí/ lực cho Robot Planar hai bậc tự 54 Điều khiển lai trở kháng 63 Đánh giá kết mô 74 KẾT LUẬN .75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC .79 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỤC LỤC Chữ viết tắt Nội dung BĐK Bộ điều khiển ĐLH Động lực học DOF Bậc tự PD Proportion-Derivative Controller PID Proportion-Intergral-Derivative Controller DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Hình 1-1 Hình dạng Robot công nghiệp .3 Hình 1-2 Robot phun sơn Hình 1-3 Robot hàn Hình 1-4 Robot lắp ráp .8 Hình 1-5 Khớp tịnh tiến 12 Hình 1-6 Các loại khớp quay 13 Hình 1-7 Cấu hình Robot dạng Đề Các 13 Hình 1-8 Cấu hình Robot dạng hình trụ 14 Hình 1-9 Cấu hình Robot dạng hình cầu 14 Hình 1-10 Cấu hình Robot dạng khớp nối .15 Hình 1-11 Cấu hình Scara 15 Hình 1-12 Sơ đồ khối Robot công nghiệp 18 Hình 2-1 Các phương pháp điều khiển Robot 19 Hình 2-2 Mơ hình điều khiển khơng gian khớp 20 Hình 2-3 Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng trường 22 Hình 2-4 Sơ đồ điều khiển PID 23 Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển không gian làm việc 23 Hình 2-6 Sơ đồ dùng Jacobien đảo 24 Hình 2-7 Sơ đồ dùng Jacobien chuyển vị .25 Hình 3-1 Hệ thống bậc tự 31 Hình 3-2 Sơ đồ điều khiển theo phương pháp lai vị trí/lực 37 Hình 3-3 Mơi trường có tính qn tính 38 Hình 3-4 Mơi trường có tính trở kháng 39 Hình 3-5 Mơi trường có tính dung 39 Hình 3-6 Khi đầu vào bước nhảy tốc độ 41 Hình 3-7 Khi đầu vào lực dạng bước nhảy 42 Hình 3-8 Sơ đồ hệ điều khiển lai trở kháng .45 Hình 4-1 Mơ hình Robot Planar hai bậc tự 47 Hình 4-2 Chọn hệ tọa độ gắn với Robot 48 Hình 4-3 Tính biến khớp theo tọa độ tay 50 Hình 4-4 Yêu cầu chuyển động Robot 54 Hình 4-5 Sơ đồ điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển lai vị trí/ lực .55 Hình 4-6 Sơ đồ hệ điều khiển lai vị trí/ lực xây dựng Simulink .56 Hình 4-7 Vị trí đặt 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ Hình 4-8 Lực đặt .57 Hình 4-9 Đáp ứng vị trí với Ktd=2, Ktp=30 58 Hình 4-10 Đáp ứng vị trí tăng Ktd=20, Ktp=30 .59 Hình 4-11 Đáp ứng vị trí với Ktd=20, Ktp=100 .59 Hình 4-12 Quĩ đạo ứng với Ktp=1000, Ktd=200 60 Hình 4-13 Đáp ứng lực với Knp Knd nhỏ 61 Hình 4-14 Đáp ứng lực cải thiện tốt tăng Knp 61 Hình 4-15 Đáp ứng Knp=8000, Knd=200 62 Hình 4-16 Vị trí theo phương pháp tuyến .63 Hình 4-17 Yêu cầu tay máy 63 Hình 4-18 Sơ đồ hệ thống theo phương pháp điều khiển lai trở kháng 67 Hình 4-19 Sơ đồ Simulink phương pháp điều khiển lai trở kháng 68 Hình 4-20 Đáp ứng vị trí 70 Hình 4-21 Đáp ứng lực .70 Hình 4-22 Đáp ứng vị trí tăng km, giảm dm 71 Hình 4-23 Đáp ứng lực, số lần dao động giảm đáng kể 72 Hình 4-24 Đáp ứng vị trí đáp ứng lực 73 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ TÓM TẮT LUẬN VĂN Với tốc độ phát triển chóng mặt khoa học kỹ thuật nói chung cơng nghiệp tự động hóa nói riêng, Robot cơng nghiệp ngày khẳng định tầm quan trọng Bởi thế, việc nghiên cứu, phát triển, nâng cao tính Robot nhiệm vụ cần thiết kỹ sư nhà phát triển Robot Đứng trước nhiều lĩnh vực lựa chọn để nghiên cứu Robot, tác giả luận văn định lựa chọn đề tài: Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí/lực áp dụng cho Robot bậc tự Luận văn đưa số chiến lược điều khiển áp dụng vào điều khiển đồng thời vị trí tay Robot lực tương tác với môi trường làm việc Đáng ý hai phương pháp điều khiển: điều khiển lai vị trí/lực điều khiển lai trưở kháng Trên sở đó, luận văn xây dựng mơ hình động học tiến hành mơ Robot Planar hai bậc tự Theo tính tốn kết mơ phỏng, nói bản, luận văn đưa giải pháp hợp lý giải vấn đề điều khiển vị trí/lực tay Robot Bên cạnh đó, việc ứng dụng vào thực tế hướng phát triển mà luận văn muốn thực có điều kiện Từ khóa: robot Planar, điều khiển lai vị trí/lực, điều khiển lai trở kháng, điều khiển cứng, nguyên lý đối ngẫu SUMMARY OF THESIS With the development of science and technology, especially in the industrial automation division, industrial Robot has been having the very important position in the world So, reseaching, developing and improving Robot’s ability becomes a nesecery mission for engineers as well as developers Although there are a lot of issues related to Robot control, I decide to choose the thesis which has content: Consider and design some control strategies to control both force and position, applying for DOF Planar Robot The thesis considered some control methods but it focused on two main methods: hybrid position/force control and hybrid impedance control Base on these, the thesis performanced the dynamic kinematic and simulated for Planar two DOF Robot Following the results of calculation and simulation, it is could be said that the thesis had choosen suitable solutions to solve the problems relate to control position/force for manipulator Beside, the thesis also mentioned that the control methods should to be utilized in the fact, in the future Key words: Planar Robot, hybrid position/force control, hybrid impedance control, stiffness control, duality principle ... loại phương pháp điều khiển Robot thông dụng Trên sở đó, đưa mơ hình điều khiển thích hợp cho phương pháp MỞ ĐẦU -2- Chương 3- Điều khiển đồng thời vị trí lực Robot: Đưa phương pháp điều khiển. .. đồng thời vị trí đặt theo phương cịn lại vị trí cố định Bởi vậy, phạm vi áp dụng phương pháp điều khiển tương đối hẹp 3.3 Điều khiển lai vị trí/ lực Phương pháp điều khiển lai vị trí/ lực trước... khiển Robot - 27 - động lực tác dụng lên môi trường (điều khiển lực) chuyển động điểm cuối tay Robot (điều khiển vị trí) 2. 2 .2 Các phương pháp điều khiển đồng thời vị trí lực Từ khoảng 30 năm trở