Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng hệ thống điều khiển cánh tay robot

Lời cam đoan Em xin cam đoan luận văn em nghiên cứu, thiết kế hướng dẫn TS Nguyễn Cảnh Quang Các số liệu kết đề tài hoàn toàn trung thực Để hoàn thành đồ án này, em sử dụng tài liệu tham khảo ghi bảng tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học Viên Nguyễn Văn Hà Lời cam đoan Mở đầu Chương .8 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT .8 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Cấu tạo Robot 1.1.2 Các chuyển động Robot 10 1.1.3 Các cấu hình Robot 10 1.1.4 Hệ thống truyền động 13 1.1.5 Hệ thống cảm biến .14 1.1.6 Các phương pháp điều khiển tự động cho Robot 14 1.2 Phân loại Robot công nghiệp 15 1.3 Ứng dụng Robot 17 1.3.1 Ưu điểm Robot 17 1.3.2 Các xu ứng dụng Robot 17 1.4 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu luận văn 18 Chương .19 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 19 2.1 Xây dựng phương trình động lực học cho hệ Robot 19 2.1.1 Vận tốc gia tốc robot 21 2.1.2 Động vi phân khối lượng dm 24 2.1.3.Thế Robot 26 2.1.4 Phương trình động lực học hệ robot 27 2.2 Các đặc tính phương trình động lực học Robot 27 2.2.1 Tính đối xứng lệch đặc tính thụ động 28 2.2.2 Giới hạn ma trận quán tính .29 2.2.3 Đặc tính tuyến tính tham số 30 2.3 Phương trình động lực học cho Robot Scara 30 2.3.1 Giới thiệu Robot Scara 30 2.3.2 Phương trình động lực học cho Robot Scara 38 Chương .47 HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 47 3.1 Tổng quan hệ thống điều khiển Robot 47 3.1.1 Giới thiệu điều khiển hệ tuyến tính hệ phi tuyến .47 3.1.2 Tính ổn định hệ thống 48 3.1.3 Ổn định Lyapunov .50 3.2 Các phương pháp điều khiển cho hệ phi tuyến 52 3.2.1 Các phương pháp truyền thống 52 3.2.2 Phương pháp điều khiển đại .56 3.3 Hệ điều khiển Robot Scara 58 3.3.1 Mô hình Robot SCARA 58 3.3.2 Bộ điều khiển PD bù trọng lực[1] 59 3.3.3.Xây dựng điều khiển PD bù trọng lực cho Robot SCARA 61 3.4 Kết luận 63 Chương .64 MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK 64 4.1 Thông số hệ thống 64 4.2 Kết mô Matlab-Simulink 64 4.2.1 Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc simulink 65 4.2.2 Kết mô Matlab-Simulink 67 Kết luận hướng phát triển 79 Kết luận 79 Hướng phát triển 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1: Robot tọa độ vng góc 10 Hình 1.2: Robot tọa độ trụ 11 Hình 1.3: Robot tọa độ cầu 12 Hình 2.1: Cánh tay robot scara 13 Hình 2.2: Cấu hình robot Scara 30 Hình 2.3: Bảng tham số động học Robot Scara 33 Hình 2.4: Bảng thơng số Robot Scara 38 Hình 2.5: Cấu hình robot Scara 39 Hình 3.1a: Điểm cân ổn định 50 Hình 3.1b: Điểm cân khơng ổn định 50 Hình 3.2: Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov 52 Hình 3.3: Mơ hình kiểu động kích từ độc lập 54 Hình 3.4: Mơ men trục động 55 Hình 3.5: Sơ đồ khối hàm truyền chuyển động bậc tự 56 Hình 3.6: Sơ đồ khối hệ thống mờ 58 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt 59 Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng lực 61 Hình 4.1: Bảng thơng số vị trí ban đầu cánh tay Robot Scara 64 Hình 4.2: Bảng thơng số vị trí cần đạt tới cánh tay Robot Scara 64 Hình 4.3: Sơ đồ khối mơ Robot Scara ( bậc tự do) 66 Hình 4.4: Đáp ứng thời gian góc q1( 1 ) Kp=60; KD=8 67 Hình 4.5: Đáp ứng thời gian góc q1( 1 ) Kp=100; KD=10 67 Hình 4.6: Đáp ứng thời gian q 2(  ) Kp=8; KD=1.2 68 Hình 4.7: Đáp ứng thời gian góc q2(  ) Kp=20; KD=1.4 68 Hình 4.8: Đáp ứng thời gian d3 Kp=200; KD=50 69 Hình 4.9: Đáp ứng thời gian d3 Kp=300; KD=60 69 Hình 4.10: Đáp ứng thời gian góc q4 (  ) Kp=30; KD=2 70 Hình 4.11: Đáp ứng thời gian góc q1, q 2, q4 mt=1kg 70 Hình 4.12: Đáp ứng thời gian d3 mt=1kg 71 Hình 4.13: Đáp ứng thời gian d3 mt=6kg 71 Hình 4.14: Đáp ứng thời gian góc q mt=1kg 72 Hình 4.15: Đáp ứng thời gian góc q mt=1kg 72 Hình 4.16: Đáp ứng d khơng biết xác khối lượng với giá trị 73 đặt (với m=70%m*) Hình 4.17: Sơ đồ khối mô Robot Scara (trường hợp khơng có bù 74 trọng lực) Hình 4.18: Đáp ứng d3 chưa có tải 75 Hình 4.19: Đáp ứng d3 có tải (m=2kg) Hình 4.20: Sơ đồ khối mô Robot Scara (với luật điều khiển PID) Hình 4.21: Đáp ứng d3 76 Mở đầu Theo trình phát triển xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành phát triển mạnh mẽ…Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo hệ sản xuất tự động linh hoạt Robot ứng dụng rộng rãi đóng vai trò quan trọng sản xuất đời sống Robot cấu đa chức có khả lập trình dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thông qua truyền động lập trình trước Khoa học robot chủ yếu dựa vào phép toán đại số ma trận Việc điều khiển cánh tay Robot đòi hỏi tính xác cao, ổn định quan trọng, Giải tốn thực tế có nhiều cơng trình nghiên cứu điều khiển điều khiển PD bù trọng lực, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, logic mờ dùng để điều khiển cánh tay Robot có tính xác ổn định cao Phương pháp điều khiển PD bù trọng lực thỏa mãn yêu cầu đáp ứng tốc độ nhanh, đảm bảo đạt tốc độ đặt, hệ thống hoạt động ổn định biết xác thơng số vật lý hệ, đặc biệt kết cấu điều khiển đơn giản, khối lượng tính tốn Đó lý tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng mô hệ thống điều khiển cánh tay Robot” Luận văn chia thành chương với nội dung tóm tắt sau: - Chương 1: Giới thiệu tổng quan hệ thống Robot Nội dung chương giới thiệu tổng quan cấu trúc, mô hình phương pháp điều khiển ứng dụng Robot sống người - Chương 2: Xây dựng phương trình động lực học cho Robot SCARA Nội dung chương tính tốn, xây dựng phương trình động lực học Robot SCARA - Chương 3: Giới thiệu hệ điều khiển thường sử dụng để điều khiển Robot Nội dung chương trình bày thiết kế điều khiển theo phương pháp PD bù trọng lực - Chương 4: Mô cánh tay Robot Scara theo phương pháp PD bù trọng lực mơi trường Matlab-Simulink, qua rút nhận xét kết luận Kết luận hướng phát triển: Tóm tắt kết đạt được, đồng thời phân tích mặt tồn đề xuất hướng phát triển luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn không tránh khỏi khiếm khuyết cần phải hoàn thiện thêm Tác giả mong nhận góp ý, dẫn thầy cô bạn đồng nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Cảnh Quang, Giảng viên Bộ môn Đo lường hệ thống điều khiển, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Chương TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT 1.1 Giới thiệu chung[2] Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rộng rãi phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Thuật ngữ “Robot” xuất năm 1922 tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” Karel Capek Hơn 20 năm sau, Hoa Kỳ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ tay máy Minotaur I Handyman General Electric… Robot công nghiệp đưa vào ứng dụng vào năm 1961 nhà máy ô tô General Motor Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ cơng ty AMF Hoa Kỳ đến năm 1990 có 40 công ty Nhật Bản đưa loại robot tiếng Những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính Robot ý nhiều đến lắp đặt thêm loại cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại Robot lắp ráp tự động điều khiển máy vi tính sở xử lý thơng tin từ cảm biến thị giác Từ năm 80 90, áp dụng rộng rãi tiến khoa học kỹ thuật, vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng lên, giá thành giảm tính vượt trội Nhờ vậy, Robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền tự động sản xuất đại Robot công nghiệp định nghĩa cấu máy lập trình được, có khả làm việc cách tự động không cần trợ giúp người tay máy hợp tác với Ứng dụng Robot: nhằm 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 Thông thường, robot công nghiệp dùng lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn nhiệt luyện, gia công lắp rắp… 1.1.1 Cấu tạo Robot Robot có cấu tạo mơ theo đặc điểm cấu tạo cánh tay người Cũng hiểu robot tập hợp phận cấu khí thiết kế để hình thành khối có chuyển động tương nhau, gọi khâu động Trong phần liên kết khâu động gọi khớp động hay gọi chuyển động để vận hành tay máy động điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén, … Phần quan trọng khác tay máy phận hay khâu tác động cuối để thao tác đối tượng làm việc – thường tay gắp đầu công cụ chuyên dùng Tay máy (cánh tay khí Robot cơng nghiệp) thông thường chuỗi động hở tạo thành từ nhiều khâu kết nối với nhờ khớp động Khâu cuối tay máy thường có dạng tay gắp gắn dụng cụ công tác Mỗi khâu động tay máy có nguồn dẫn động riêng, lượng chuyển động truyền đến cho chúng điều khiển sở tín hiệu nhận từ phận phản hồi cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động khâu chấp hành, vấn đề đặc biệt quan tâm vị trí vận tốc dịch chuyển khâu cuối – khâu thể kết tổng hợp chuyển động khâu thành phần Các Robot công nghiệp ngày thường đặt đế gắn chặt với sàn Cơ thể gắn với đế, tổ hợp cánh tay nối với thể Cuối cánh tay cổ tay Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng vị trí Quan hệ chuyển động phần tử khác thể như: cổ tay, cánh tay thực qua chuỗi khớp nối Các chuyển động bao gồm chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Về mặt khí, Robot cấu tạo từ nối khớp Các nối ghép với khớp, cho phép Robot có chuyển động đa dạng 1.1.2 Các chuyển động Robot Robot thiết kế để thực nhiệm vụ khác sản xuất Các công việc thực khả chuyển động thể, cánh tay, cổ tay Robot qua chuỗi chuyển động vị trí Cổ tay sử dụng cho Robot thực xác cơng việc Các chuyển động Robot chia làm hai chuyển động chuyển động cổ tay chuyển động toàn thể Các chuyển động riêng lẻ ghép nối gắn chặt với hai dạng chuyển động chúng giới hạn số bậc tự (degrees of freedom) Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Nói chung Robot cấu hở, bậc tự tính theo công thức : W  6n   ipi (1.1) i 1 Trong đó: n: số khâu động p i: số khớp loại i W: số bậc tự Các khớp nối sử dụng thiết kế Robot cơng nghiệp điển hình khớp tịnh tiến khớp quay (khớp quay, xoắn quay vòng) 1.1.3 Các cấu hình Robot - Robot ba khớp tọa độ vng góc Kiểu gọi Robot Đề Vị trí tâm cổ tay loại xác định theo ba tọa độ vng góc liên quan tới ba khớp lăng trụ Vùng không gian làm việc khối hộp chữ nhật Hình 1.1 Robot tọa độ vng góc 10 Khi tải nằm giá trị tải định mức (m