ROBOT gỡ xỉ hàn

Kim, ”A Simple Nonlinear Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, Korean Transaction on Control, Automation and Systems Engineering , (code: 02-02-E04, accepted to publish).. Suh[r]

ROBOT Gì xØ hµn

Welding Slag Removing Mobile Robot

Nguyễn Tấn Tiến*, Lê Hoài Quốc* Kim Sang Bong**

*Khoa Cơ Khí, Đại học Bách khoa Tp HCM 268 Lý Thờng KiÖt, Q 10, Tp HCM, ViÖt nam

**Khoa Mechatronics, Đại học Quốc gia Pukyong, Pusan, Korea

Túm tắt: Bài báo đề nghị ph−ơng pháp đơn giản dùng để gỡ xỉ hàn tự động Hệ thống bao gồm robot di động ba bánh xe dụng cụ để gỡ xỉ hàn (tạm gọi dĩa gỡ xỉ hàn) Robot di động đ−ợc điều khiển bằng đIều khiển định đơn giản dựa tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Kết mô đ−ợc dùng để kiểm chứng độ ổn định đIũu khiển Thí nghiệm đ−ợc thực cho thấy khả ứng dụng ph−ơng pháp đề nghị.

Abstract: This paper proposes a simple method for welding slag removing The system includes a three wheeled-mobile robot flatform and a tool for removing welding slag (namely, welding slag removing disk) A simple robust nonlinear controller design method based on Lyapunov stability for tracking trajectory and velocity of welding slag path is derived The effectiveness of the proposed controller is shown through simulation and experimental results

Keyword: Robot xØ hµn (Welding Slag Removing Mobile Robot - WSRMR)

1 Giíi thiƯu

Quá trình hàn đ−ợc dùng rộng rãi ngành cơng nghiệp, đặc biệt cơng nghiệp đóng tàu Vì mơi tr−ờng hàn mơi tr−ờng độc hại nên nhiều nghiên cứu tự động hóa q trình hàn đ−ợc thực với mục đích nâng cao chất l−ợng hàn, nâng cao suất hàn cải thiện điều kiện lao động Trong công nghiệp đóng tàu, kết cấu hàn th−ờng thép phẳng liên kết khối hộp với nên môi tr−ờng lý t−ởng để áp dụng trình hàn tự động Santos[8], 2000, chế tạo robot hàn bốn chân ROWER dùng để hàn kết cấu thép x−ởng đóng tàu ROWER đuợc ứng dụng thành công thực tế, nhiên giá thành robot cao Theo h−ớng đơn giản rẻ tiền, việc sử dụng robot di động hai bánh xe tự động hố q trình hàn đ−ợc thực Jeon[5,7], 2000-2001; Kam[6], 2001; Nguyễn[1,3], 2002 Sau q trình hàn cơng việc cạy xỉ hàn, làm bề mặt sơn Cho đến thời điểm nay, giới, việc cạy xỉ hàn phải làm tay Bài báo đề nghị ph−ơng pháp đơn giản để gỡ xỉ hàn dùng robot di động ba bánh xe

Các nghiên cứu tr−ớc chúng tôi[1-3] đề cập đến vấn đề mô hình hóa, đIều khiển robot hàn di động hai bánh xe ứng dụng thành cơng phịng thí nghiệm Tuy nhiên để ứng dụng vào thực tế, cần có cảI tiến hệ thống đỡ robot Trong robot di động hai bánh xe, thân robot đ−ợc nâng đỡ hai bánh xe hai biên bi đỡ (ball transfer) Do robot tiếp xúc với mặt phẳng qua bốn điểm Khi mặt phẳng khơng hồn tồn phẳng, robot khơng làm việc đ−ợc bánh xe khơng tiếp xúc đ−ợc với mặt Điều khắc phục đ−ợc dùng robot di động ba bánh xe Khi đ−ợc trang bị thêm dụng cụ thích hợp, robot dùng để gỡ xỉ hàn hay làm bề mặt hàn

WSRMR dùng báo gồm: robot di động ba bánh xe, mang giá đỡ chuyển động theo hai ph−ơng lên xuống vào ra, dụng cụ gỡ xỉ hàn Hình WSRMR cho hình H.1

H.1 Welding Slag Removing Mobile Robot (WSRMR)

Dĩa gở xỉ hàn hoạt động theo nguyên tắc giống nh− máy nghiền búa (H.2) Trong báo này, dĩa đ−ợc chế tạo gồm 20 búa nhỏ làm thép cứng đ−ợc xen kẻ đĩa quay đ−ợc dẫn động động riêng Khi quay với tốc độ cao, búa tích trữ động có tác dụng bẽ gãy xỉ hàn va đập với bề mặt xỉ

H.2 Welding Slag Removing Disk

Hình H.3 biểu diễn hệ tọa độ Cartesian WSRMR đ−ờng hàn tham chiếu mà robot phải theo sau Giả thiết bánh xe quay, khơng tr−ợt Ph−ơng trình chuyển động robot đ−ợc biết đến nh− sau

           

    =          

ω φ

φ φ

v y

x

1

0 sin

0 cos

& & &

(1)

ở đây, O(x,y) tọa độ điểm hai bánh xe chủ động, φ góc xoay đầu robot, v ω vận tốc dài vận tốc góc robot tại(x,y)

            − =       ω ω ω v r b r r b r lw rw / / / / (2) e ) , , (xr yrφr

) , , (xw ywφw

c x x w x w y y y x φ φ r φ e e reference welding path l W R X Y slag removing disk carrier r b a c y C vr ωr O

H.3 Hệ tọa độ Cartesian WSRMR

ở đây, ωrw,ωlwlà vận tốc góc bánh xe phảI bánh xe trái, blà bán khoảng cách hai tâm xe, r đ−ờng kính bánh xe Tọa độ điểm tiếp xúc đĩa gỡ xỉ hàn đ−ờng hàn,

) , (xw yw

W , vµ gãc xoay cđa robot,φw, cã thể đợc suy từ công thức sau

    = + = − = φ φ φ φ w c w c w l y y l x x cos sin (3)

Quan hệ hình học OvàC

+ = + = φ φ sin cos a y y a x x c c (4)

với a=OC Do ta có

      = + − + = − − − = ω φ φ φ ω φ ω φ φ φ ω φ ω φ w w w l l a v y l l a v x & & & & & cos sin cos sin sin cos sin cos (5)

§iĨm R(xw,yw)di chun víi vËn tèc h»ng số, vr,trên đờng hàn tham chiếu thỏa mản phơng trình sau

với φrđ−ợc định nghĩa góc vrrvà trục x; ωrlà đạo hàm φrtheo thời gian

3 thiÕt kÕ bé ®IỊu khiĨn

Mục tiêu đặt thiết kế điều khiển để diểm Wchuyển động theo đ−ờng hàn nhằm thực nhiệm vụ gỡ xỉ hàn Từ hình H.3, ta định nghĩa sai số nh− sau

          − − −           − =           w r w r w r y y x x e e e φ φ φ φ φ φ 0 cos sin sin cos (6)

Bé ®IỊu khiĨn cã nhiƯm vơ ®IỊu khiĨn c¸c sai sè ei t Phơng trình (6) đợc viết lại nh− sau

                − − − + − +           − =           ω ω v a e l e l e v e v e e e r r r 0 sin cos 3 & & & & (7)

Chän hµm Lyapunov sau

0 2 2 2

1= e + e + e ≥

V (8)

Suy ) ( ) sin ( ) cos

( 3 2 3 3

1 3 2 1 r r

r e e v e l a e

v l v e e e e e e e V ω ω ω ω+ + − − + − + + − = + + = & & & & & (9)

Để V&1xác định âm, ta chọn (v,ω)nh− sau

   + = + + + = 3 1 3

3 ) cos

( e k e k e v e k l v r r r ω ω ω (10)

Giá đỡ mang đĩa gỡ xỉ hàn chuyển động vào theo qui luật

2

sine a k e

v

l&= r + ω+ (11)

Sö dụng phơng trình (2), (10) (11), ta tính vận tốc cần thiết hai bánh xe

rw

ω vµ ωlw

     

< =

≥ =

0

tan

0

tan

wr wl

wr wl

v v b

v

v v v

b

ω α

ω α

(12)

r

vr

ωr

O

α

wl

ωr

wr

ωr

r vr l

vr

x b−

x

r vr

ωr

O

α

wl

ωr

wr

ωr

instantaneous center

r vr l

vr

b

x

H.4 Mơ hình tính góc lái cho bỏnh b ng

4 Kết mô thực nghiệm

Mô thí nghiệm đợc thực với số liệu cho bảng B.1 B.1 Thông số dùng mô thực nghiệm Thông số Giá trị Đơn vị Thông số Giá trị Đơn vị

a 0.089 m φr(0) 30 độ

b 0.105 m xw(0) 0.110 m

r 0.025 m yw(0) 0.390 m

l(0) 0.240 m φw(0) 45 độ

vr(0) mm/s k1 1.60

xr(0) 0.110 m k2 0.80

yr(0) 0.410 m k3 0.34

Vận tốc gỡ xỉ lấy vËn tèc hµn, 7.5 mm/s Bé vi xư lý 80C196KC đợc dùng mô hình thực nghiệm (H.9) Kết mô cho hình H.5-8 kết gỡ xỉ hàn cho hình H.10

5 -5 -10 15 10

-15

0 10 12 14 16 18 20

Time (s)

T

rack

ing E

rr

or e

i

error e1(mm)

error e2(mm)

error e3(deg)

H.5Sai sè (tracking errors)

WSRMR velocity v reference velocity vr working point velocity vw

0 10 12 14 16 18 20

-5 10 15 20 25 30 35

Vel

ocity

(

mm

/s

)

Time (s)

left wheel right wheel

Angul

ar ve

lo

ci

tie

s o

f WM

R

wh

eels

(

rp

m

)

2 -2 -4

-6

0 10 12 14 16 18 20

Time (s)

H.7 Vận tốc góc hai bánh xe chủ động

0 10 12 14 16 18 20

Time (s)

-100 -80 -60 -40 -20 20 40 60 100 80

St

ee

ri

ng wh

ee

l angu

lar

(

de

g

)

H.8 Góc lái bánh bị động α

H.9 Bé ®IỊu khiĨn cho robot dïng vi xö lý 80C196KC

H.10 Một đoạn hàn sau gỡ xỉ ph−ơng pháp đề nghị

Từ kết kết luận nh− sau:

- Sai số (tracking errors) hội tụ zero khoảng thới gian ngắn nh− thể hính H.5 Ta hiệu chỉnh thông số ki điều khiển để đạt hiệu hệ thống nh− mong muốn Trong áp dụng thực tế, sai số e1rất quan trọng nên kiphải chọn choe1hội tụ zero nhanh có thể, cịn sai số cịn lại dao động khoảng cho phép

- Vận tốc góc hai bánh xe (as control inputs to the system) thay đổi phạm vi nhỏ (H.7)

- Góc lái bánh bị động thay đổi phạm vi chấp nhận đ−ợc (H.8)

Từ nhận xét trên, tác giả tin t−ởng ph−ơng pháp gỡ xỉ hàn dùng robot di động nh− đề nghị bàI báo áp dụng đ−ợc thực tế

6 kÕt luËn

Trong báo này, mô hình robot di động ba bánh xe đ−ợc sử dụng với mục đích khắc phục nh−ợc điểm robot di đơng hai bánh xe Mơ hình độnh học robot di động ba bánh đ−ợc xây dựng thích hợp tr−ờng hợp vận tốc gỡ xỉ hàn không lớn Để thiết kế điều khiển cho robot, cấu hình sai số đ−ợc đề nghị Bộ diều khiển đ−ợc thiết kế dựa sở tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Kết mô thực nghiệm đ−ợc dùng để chứng minh tính khả thi ph−ơng pháp ngh

7 Hớng nghiên cứu

- Hoàn thiện mô hình

- Phỏt trin b iu khiển để gỡ xỉ hàn cho biên dạng cong bt k

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Tấn Tiến đồng sự, ”Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot: Part I – Kinematic Model Approach”, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật lần thứ 8, Đại học Bách khoa Tp HCM, Việt nam, pp 7-14, tháng T− 2002

[2] Nguyễn Tấn Tiến đồng sự, ”Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot: Part II – Dynamic Model Approach”, Hội nghị Khoa học Kỹ thuật lần thứ 8, Đại học Bách khoa Tp HCM, Việt nam,, pp 15-22, tháng T− 2002

[3] T.T Nguyen, T.L Chung, T.H Bui, and S.B Kim, ”A Simple Nonlinear Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot”, Korean Transaction on Control, Automation and Systems Engineering, (code: 02-02-E04, accepted to publish)

[4] T.L Chung, T.T Nguyen, J.H Suh and S.B Kim, ”Control of Two-Wheeled Mobile Robot Tracking Complicated Curvature Wall”, Proc of the 2002 Spring Conf of the Korean Society for Power System Engineering, Cheju Island, Korea, pp 196-202, May 10-11, 2002

[5] Y.B Jeon, S.S Park and S.B Kim, ”Modeling and Motion Control of Mobile Robot for Lattice Type of Welding Line”, KSME International Journal, Vol 16, No 1, pp 83-93, 2002

[6] B.O Kam, Y.B Jeon and S.B Kim, ”Motion Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robot with Seam Tracking Sensor”, Proc of the 6th

IEEE Int Symposium on Industrial Electronics, Korea, Vol 2, pp 851-856, June 12-16, 2001

[7] Y.B Jeon, B.O Kam, S.S Park and S.B Kim, ”Seam Tracking and Welding Speed Control of Mobile Robot for Lattice Type of Welding”, Proc of the 6th IEEE Int Symposium on Industrial Electronics, Korea, Vol 2, pp 857-862, June 12-16, 2001 [8] P Gonzalez De Santos, M.A Armada and M.A Jimenez, “Ship Building with

ROWER”, IEEE Robotics & Automation Magazine, pp 35-43, Dec 2000