Nghiên cứu điều khiển bền vững thích nghi ứng dụng cho robot công nghiệp

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Đặng Việt cường Nghiên cứu phương pháp điều khiển bền vững thích nghi ứng dụng cho robot công nghiệp Luận văn Thạc Sỹ khoa häc Hµ Néi - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI  ĐẶNG VIỆT CƯỜNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI ỨNG DỤNG CHO ROBOT CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH HÀ NỘI - 2009 -1- MỤC LỤC Trang MỤC LỤC………………………………………………………………… CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG RÔBỐT CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN……………6 1.1 Giới thiệu chung robot công nghiệp……………………… … 16 1.2 Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp………… …17 1.2.1 Điều khiển tập trung 1.2.2 Điều khiển không gian tay 1.2.3 Điều khiển phân tán 1.2.4 Điều khiển bền vững 1.2.5 Điều khiển thích nghi CHƯƠNG CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG……………………………………………………………………….28 2.1 Điều khiển thích nghi 28 2.2 Điều khiển bền vững .29 2.3 Điều khiển bền vững thích nghi 36 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO, MƠ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMMULINK………….37 3.1 Mơ hình robot planar hai bậc tự do……………………………….37 Luận văn tốt nghiệp -2- 3.1.1 Khái quát Rôbôt Planar bậc tự 3.1.2 Bài toán động học thuận 3.1.3 Bài tốn động học ngược 3.1.4 Phương trình động lực học 3.2 Nhược điểm điều khiển truyền thống…………… ….45 3.2.1 Điều khiển robot có tác động lực trọng trường lực ma sát 3.2.2 Điều khiển robot có thay đổi tải trọng 3.3 Bộ điều khiển bền vững thích nghi…………………………… 47 3.3.1 Thiết kế điều khiển 3.3.2 Mô điều khiển Matlab/ simulink 3.4 Kết mô đánh giá phương pháp điều khiển bền vững thích nghi…………………………………………………………… 51 3.4.1 Chuyển động Điểm - Điểm 3.4.2 Chuyển động theo dạng sin 3.4.3 Thiết kế quỹ đạo CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỒ HOẠ……………………….…58 4.1 Ứng dụng SimMechanics mơ chuyển động có điều khiển hệ thống động lực học…………………………………………….…… 58 4.2 Xây dựng mơ hình Robot Simmechanics……………………… 59 4.2.1 Thư viện Simmechanics 4.2.2 Xây dựng mơ hình Robot 4.3 Kết Quả đánh giá hướng phát triển đề tài…………………… 66 4.3.1 Kết mô Luận văn tốt nghiệp -3- 4.3.2 Đánh giá hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Luận văn tốt nghiệp - 6- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG RÔBỐT CÔNG NGHIỆP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu chung robot công nghiệp: Nhu cầu nâng cao suất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tự động “cứng” đáp ứng việc định lúc thị trường ln ln địi hỏi thay đổi chủng loại, kích cỡ tính Vì nhu cầu ứng dụng robot làm việc hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày tăng Thuật ngữ “robot” lần xuất năm 1922 tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” Karel Capek [6] Theo tiếng Séc robot người làm tạp dịch Hiện có nhiều định nghĩa khác robot công nghiệp Viện Kỹ thuật robot Hoa Kỳ định nghĩa robot loại tay máy nhiều chức năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực số thao tác sản xuất Theo ISO robot cơng nghiệp tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng Theo nói robot công nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người - 7- Quá trình trình sản xuất phát triển địi hỏi phải nâng cao suất chất lượng sản phẩm Vì tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Theo thời gian, robot ngày phát triển mạnh mẽ, đại công nghệ tinh xảo chức làm việc Nhờ robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền tự động sản xuất đại Những ưu điểm robot cơng nghiệp: - Ưu điểm quan trọng tạo nên khả linh hoạt hoá sản xuất Việc sử dụng máy tính điện tử, robot máy điều khiển theo chương trình cho phép tìm phương thức mẻ để tạo nên dây chuyền tự động sản xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm Dây truyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian thiết kế chế tạo lúc quy trình cơng nghệ ln ln cải tiến, nhu cầu chất lượng qui cách sản phẩm luôn thay đổi Bởi nhu cầu “mềm hoá” hay linh hoạt hoá dây truyền sản xuất ngày tăng Kỹ thuật robot công nghiệp máy tính đóng vai trị quan trọng việc tạo dây chuyền tự động linh hoạt - Robot thực quy trình thao tác hợp lý người thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì robot góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn robot nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi với biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu thị trường cạnh tranh - Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng robot giảm đáng kể chi phí cho người lao động, nước có mức cao tiền lương lao động, cộng khoản phụ cấp bảo hiểm xã hội Theo số liệu Nhật Bản - 8- robot làm việc thay cho người thợ tiền mua robot tiền chi phí cho người thợ vịng ba đến năm năm, tuỳ theo robot làm việc ca Ở nước ta năm gần nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí lương bổng chiếm tỉ lệ cao giá thành sản phẩm - Việc áp dụng robot làm tăng suất dây truyền cơng nghệ Nếu tăng nhịp độ dây chuyền sản xuất, khơng thay người robot người thợ khơng thể theo kịp chóng mệt mỏi Theo số liệu Fanuc, Nhật Bản, [3,6] suất tăng gấp ba lần - Ứng dụng robot cải thiện điều kiện lao động, ưu điểm bật mà cần phải lưu tâm Trong thực tế sản xuất có nhiều nơi người lao động phải làm việc môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực ồn mức cho phép nhiều lần Thậm chí nhiều nơi người lao động phải làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khoẻ tính mạng người Ngày cơng nghệ robot có bước phát triển vượt bậc Với trợ giúp máy tính, giai đoạn đầu người ta quan tâm đến việc tạo cấu tay máy nhiều bậc tự do, trang bị cảm biến để thực công việc phức tạp Ngày có cải tiến quan trọng kết cấu phận chấp hành, tăng độ tin cậy phận điều khiển, tăng mức thuận tiện dễ dàng lập trình Tăng cường khả nhận biết xử lí tín hiệu từ mơi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot Robot tự hành phát triển mạnh tương lai, chân để thích hợp với địa hình, ví dụ tự leo bậc thang…Việc tạo cấu chấp hành khí vừa bền vững, nhẹ nhàng xác linh hoạt chân người đối tượng nghiên cứu chủ yếu - 9- Kỹ thuật robot bước áp dụng kết nghiên cứu trí khôn nhân tạo đưa vào ứng dụng công nghiệp Việc cải tiến bổ xung modul cảm biến modul phần mềm phù hợp cải tiến thơng minh hố nhiều loại robot Điều quan trọng cấu chấp hành robot phải hoạt động xác Robot cơng nghiệp có nhiều cách phân loại khác nhau: - Theo vị trí “cơng tác” phân loại robot cấp phơi, robot vận chuyển , robot vạn v…v - Theo dạng công nghệ chuyên dụng phân loại robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp v… - Theo cách thức đặc trưng điều khiển phân loại: robot điều khiển tự động, robot điều khiển dạy học, robot điều khiển tay, robot nhìn (vision)… - Theo hệ toạ độ dùng thực chuyển động phân robot hoạt động theo hệ toạ độ trụ, cầu sinh Một số loại Robot công nghiệp tiêu biểu: Robot SCARA Sự đa dạng sản xuất thúc đẩy đời nhiều loại robot Trong năm 80 xuất loại robot Nhật Bản, với tên gọi SCARA(Selectively Compliant Articulated Robot Arm tay máy mềm dẻo tùy ý) Loại robot thường dùng để lắp ráp nên SCARA đơi lại giải thích từ viết tắt “Selective Compliace Assembly Robot Arm).Cấu trúc động học loại robot xem thuộc hệ tọa độ sinh, có khác trục quay khớp động thẳng đứng Robot SCARA có bậc tự chuyển động, ba khâu quay khâu tịnh tiến, thực - 10- động chiều Bàn kẹp xoay xung quanh trục thẳng đứng, khớp động song song với Robot SCARA ứng dụng chủ yếu lắp ráp: lắp ráp ôtô, tháo lắp phôi sản phẩm cho máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…Hiện có nhiều loại robot biến thể SCARA Ví dụ robot lắp ráp linh kiện điện tử Hình 1.1 Robot hàn hãng Panasonic Hình 1.2 Robot lau cửa kính nhà cao tầng - 60- CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỒ HOẠ Ta dùng Matlab/Simmechanics để mô Robot SimMechanics một môi trường mô hình cho người kỹ sư thiết kế mơ cấu máy móc chuyển động chúng, sử dụng định luật Newton động học mơmen Với SimMechanics, bạn mơ hệ thống máy móc với cơng cụ để định dạng thân đặc tính khối lượng, chuyển động có thể, cho chúng chuyển động, phối hợp hệ thống, khởi động đo chuyển động Bạn mơ tả cấu máy việc kết nối khối mô tả riêng lẻ, giống khối khác Simulink, bạn kết hợp hệ thống lại 4.1 Ứng dụng SimMechanics mơ chuyển động có điều khiển hệ thống động lực học Mô lắc kép: Ta bắt đầu việc mô chuyển động lắc đôi, tác dụng lực trọng trường - 61- Hình 4.1 Con lắc kép Simmechanics Hình 4.2 Mơ hình lắc kép sơ đồ mô Matlab/Simmechanics Tiếp cấp tín hiệu điều khiển vào khớp Join 1, Join 2, thông qua join actuator Ban đầu dùng tín hiệu đặt trước, lấy từ khối hình sin (sine wave), hay số (Constant) chọn giá trị thích hợp để điều khiển theo quĩ đạo, tần số mong muốn - 62- 4.2 Xây dựng mơ hình Robot Simmechanics 4.2.1 Thư viện sử dụng Thư viện Bodies: Khối thư viện cung cấp cho người dùng khối thân cấu định dạng đặc tính khối (khối lượng quán tính), vị trí định hướng chúng không gian, đặc biệt kết nối chúng tổng thể hệ thống Thư viện cung cấp khối định dạng mơi trường để xác định đặc tính mơi trường mà hệ thống đặt Body: Khối body mơ tả phần thân cứng với đặc tính định dạng Trong có thành phần mà người dùng phải xác định • Khối lượng mơmen qn tính • Trọng tâm • Định hướng không gian Giữa body thường liên kết khớp Ground: Khối xác định điểm cố định coi hệ quy chiếu quán tính cho để xác định hoạt động hệ thống Environment: Khối cho phép người dùng xem thay đổi mơi trường mà hệ thống hoạt động Ví dụ chiều trọng trường, giá trị gia tốc trọng trường - 63- Trong khối có bảng tham số mà phải điền vào dựa số liệu thực tế hệ thống Thư viện Joints: Thư viện cung cấp khối để biểu diễn chuyển động tương đối khối thân bậc tự (Degrees of freedom - Dofs) Thư viện gồm danh sách khớp liệt kê ứng với kiểu kết nối khác cấu với định dạng chúng Hai khớp dùng chủ yếu khớp tịnh tiến khớp quay Hai khớp gồm hai thành phần phần làm phần khác chuyển động Chúng mơ tả hình vẽ Khớp tịnh tiến: Hình 4.3 Khớp tịnh tiến thư viện simmechanics Khớp kết nối hai thành phần thành phần chuyển động dọc theo trục thành phần kia.Trong bảng thống số khớp ta phải xác định trục mà khớp tịnh tiến hoạt động Khớp quay: - 64- Hình 4.4 Khớp quay thư viện simmechanics Trên khớp người dùng gắn vào phận tao chuyển động cảm biến để xác định thông số cần thiết Thư viện Sensors & Actuators: Thư viện cung cấp khối đo đạc kích hoạt khớp khối thân Những khối đóng vai tro quan trọng việc kết nối khối SimMechanics Blocks với khối khác Simulink Actuator:Bao gồm hai thành phần: Body actuator: cung cấp lực mômen cho body Joint actuator: cung cấp lực mơmen cho khớp Tín hiệu cung cấp cho chúng tín hiệu người dùng đặt vào tín hiệu hồi tiếp lấy qua cảm biến Trong bảng thông số actuator co thể chọn hai chế độ đầu là: lực dạng mômen chuyển động dạng đặt trước giá trị ứng với chuyển động quay hay chuyển động tịnh tiến Sensor: bao gồm hai thành phần: - 65- Body sensor: Đo vị trí, vận tốc, gia tốc body phía trước Joint sensor: Đo vị trí, vận tốc, gia tốc khớp phía trước Trong bảng thơng số sensor có danh sách loại tín hiệu mà lấy để người dùng lựa chọn Tín hiệu đưa vào đồng hồ hiển thị qua Actuator thành tín hiệu hồi tiếp so sánh với tín hiệu đặt tạo tín hiệu điều khiển Mô khớp quay (R): Đầu vào Đầu Để mơ ta sử dụng loại khớp quay Join\Revolute Ta chọn trục quay vuông góc với mặt phẳng quay,(nối1 nối2 chuyển động mặt phẳng này), khai báo Block parameters :Revolute => Axis of translation [x y z] ) - 66- Khớp quay Nối Nối Hình 4.5 Mơ khớp quay không gian ba chiều Trên ta có, nối nằm trục x, hệ toạ độ Đề Các Oxyz, nối (nằm mặt phẳng (xOy) liên kết với nối khớp quay (R), khai báo Block parameters : Prismatic => Axis of translation [0 1] ) trục quay trùng phương chiều với trục z Nối chuyển động quay mặt phẳng (xOy) Các nối (Link) Trong phần bạn cần có đầy đủ thơng tin kết cấu, kích thước, khối lượng phần robot Kiểu liên kết khớp qui định join, mômen sinh join actuator, nối khớp mơ hình body tương ứng Để thuận tiện cho thiết kế sơ bộ, ta coi khâu (đoạn nối ) đồng chất, thiết diện đều, nên dễ dàng tính được, chiều dài, khối lượng riêng (phụ thuộc thể tích khối lượng đoạn nối), toạ độ trọng tâm mômen qn tính hay body - 67- -Khi có tồn kết cấu học robot ta đưa vào mơi trường thí nghiệm invironment machine đặt thông số cần thiết gia tốc trọng trường, lực ma sát 4.2.2 Xây dựng mơ hình robot planar simmechanics Hình 4.6 Mơ robot bậc tự simmechanics - 68- Hình 4.7 Mơ hình 2D robot planar - 69- Hình 4.8 Mơ hình 3D robot 4.3 Kết Quả Đánh giá 4.3.1 Kết mơ Ngồi khả giúp người nghiên cứu quan sát cách trực quan mơ hình đồ họa 2D, 3D Ta cịn gắn cảm biến khớp nối, điểm đầu mút nối ( cánh tay robot ) để thu số liệu xác chuyển động Từ mơ hình mơ ta hồn tồn thử nghiệm - 70- luật điều khiển cách nhanh chóng, tiện lợi Từ kết thu mô điều khiển bền vững thích nghi cho robot planar hai bậc tự simmulink, ta dễ dàng chuyển sang nghiên cứu phần mềm Matlab/Simmechanics để có kết trực quan b Robot chuyển động điểm - điểm - 71- b Robot chạy theo quỹ đạo thiết kế trước Hình 4.9 Số liệu thu cảm biến gắn khớp nối robot 4.3.2 Đánh giá Qua ta thấy trình mơ tương đối xác, cho phép người dùng robot thời gian ngắn, chuẩn bị cho thiết kế sơ Lúc nhờ hỗ trợ chế độ đồ hoạ 3D, ta thiết kế khâu robot theo kích thước cần chế tạo, có khối lượng phân bố theo tỷ lệ hợp lý cấu tạo Các thư viện có sẵn khâu cho số loại robot thơng dụng, bạn chỉnh sửa theo kích thước mong muốn Cơng cụ mơ - 72- giúp người nghiên cứu nhanh chóng thử nghiệm luật điều khiển cho hệ thống động lực học Các kết thu cho thấy phương pháp điều khiển bền vững thích nghi có độ xác cao, với hệ thống có nhiều thông số thay đổi chưa biết trước Phương pháp điều khiển đáp ứng yêu cầu cao tiêu chất lượng hệ thống đại nói chung robot cơng nghiệp ngày nói riêng Hiện luận văn thử nghiệm luật điều khiển bền vững thích nghi mơ hình xây dựng Matlab Kết thu khả quan, tiền đề cho bước thử nghiệm mơ hình robot thật Với hỗ trợ máy tính điện tử vi điều khiển hệ tin luật điều khiển sớm áp dụng điều khiển hệ thống thực tế Với tính ưu việt phương pháp điều khiển tin sớm trở thành phương pháp điều khiển áp dụng phổ biến tương lai gần SUMMARY OF THESIS With the development of science and technology, nowadays robot is being researched and developed widely in order to satisfy the demands of highly automation production in the world The motion system of robot manipulator is nonlinear and coupling system with variable and uncertain dynamic parameters such as inertia moment and load mass A classical PID controller would not be satisfied for receiving high trajectory accuracy With purpose of research and design the motion control system for two degrees of freedom robot, the thesis built the dynamic model, the dynamic model of robot manipulator with actuator Based on these models, this thesis designed the adaptive robust controller and the speed loop and the position loop The simulation results showed that robot joints are followed accuracy the set point position Key words: SCARA robot, adaptive Robust control system, robots control TĨM TẮT LUẬN VĂN Cùng với phát triển khơng ngừng khoa học kĩ thuật, ngày robot nghiên cứu phát triển rộng rãi để đáp ứng yêu cầu sản xuất tự động hóa cao giới Robot hệ thống ràng buộc phi tuyến với tham số động lực học biến đổi mơmen qn tính, tải trọng, ma sát khớp Với điều khiển PID truyền thống khó đảm bảo độ tin cậy xác vị trí chuyển động khớp robot Với mục đích nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động cho robot hai bậc tự với luật điều khiển bền vững thích nghi, luận văn xây dựng mơ hình động lực học robot Trên sở đó, luận văn nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển bền vững thích nghi tổng hợp mạch vòng điều khiển bao gồm mạch vòng tốc độ mạch vịng vị trí Các kết mơ cho thấy khớp robot bám xác với vị trí đặt Từ khóa: robot Scara, hệ thống điều khiển bền vững thích nghi, điều khiển robot ... Trong phần điều khiển thích nghi bền vững phát triển điều khiển bám quỹ đạo cánh tay robot Bộ điều khiển bền vững thích nghi - 30- kết hợp ưu điểm điều khiển thích nghi điều khiển bền vững với... VỮNG……………………………………………………………………….28 2.1 Điều khiển thích nghi 28 2.2 Điều khiển bền vững .29 2.3 Điều khiển bền vững thích nghi 36 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO,... sử dụng phương pháp: + Điều khiển thích nghi + Điều khiển bền vững Điều khiển thích nghi. : - Khâu nhận dạng thích nghi tham số - Bộ điều khiển có tham số biến đổi theo tham số Điều khiển bền vững: