Phát triển phương pháp jacoby gần đúng cho điều khiển thích nghi chuyển động của robot

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC ====o0o==== LUẬN VĂN ĐỀ TÀI: PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP JACOBY GẦN ĐÚNG CHO ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Phạm Thục Anh Học viên : Bùi Thị Lương Chuyên ngành : Điều khiển Tự động hóa Lớp : 10BĐKTĐ MSHV : CB101083 Hà Nội, 11-2012 Bùi Thị Lương – CB101083 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược phát triển Robot công nghiệp 1.2 Định nghĩa robot số khái niệm 1.2.1 Các định nghĩa Robot công nghiệp 1.2.2 Một số khái niệm 10 1.3 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp 11 1.3.1 Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp 11 1.3.2 Ứng dụng Robot công nghiệp 12 1.4 Cấu trúc hệ thống Robot công nghiệp 13 1.4.1 Các thành phần Robot cơng nghiệp 13 1.4.2 Các dạng cấu hình học Robot 14 1.4.3 Robot công nghiệp trước thách thức 15 1.5 Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp 17 1.5.1 Đặt vấn đề 17 1.5.2 Các phương pháp điều khiển truyền thống 19 1.5.3 Các phương pháp điều khiển thông minh 27 1.5.4 Phương pháp điều khiển Jacobi xấp xỉ kết hợp điều khiển thích nghi 30 1.5.5 Kết luận 30 CHƯƠNG THIẾT LẬP MƠ HÌNH CHO ROBOT PLANAR 32 2.1 Bài toán động học thuận cho Robot 32 2.2 Bài toán động học ngược cho Robot 34 2.3 Thiết lập mơ hình động lực học cho Robot 35 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN JACOBIAN XẤP XỈ 39 3.1 Đặt vấn đề 39 Bùi Thị Lương – CB101083 3.2 Cơ sở lý thuyết chuyển động không gian làm việc 39 3.2.1 Các chuyển động vi sai 39 3.2.2 Biến đổi chuyển động vi sai khung trục tọa độ 42 3.2.3 Ma trận Jacobi hệ trục tọa độ Đề Các 43 3.3 Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù lực trọng trường 45 3.3.1 Nội dung phương pháp 45 3.3.2 Sơ đồ cấu trúc phương pháp 49 3.3.3 Mô Matlab-Simulink: 50 3.3.4 Kết mô 50 3.4 Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù thích nghi lực trọng trường 55 3.4.1 Nội dung phương pháp 55 3.4.2 Sơ đồ cấu trúc 56 3.4.3 Mô Matlab-Simulink: 57 3.4.4 Kết mô 58 3.5 Điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot 60 3.5.1 Nội dung phương pháp 60 3.5.2 Mô 65 3.5.3 Kết mô 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Bùi Thị Lương – CB101083 LỜI CAM ĐOAN Tên : Bùi Thị Lương Sinh ngày : 16/08/1987 Học viên lớp cao học khóa 2010 - Ngành Điều khiển Tự Động Hóa - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan đề tài “Phát triển phương pháp Jacoby gần cho điều khiển thích nghi chuyển động Robot” Nguyễn Phạm Thục Anh hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Ngồi tài liệu tham khảo dẫn cuối luận án, đảm bảo khơng chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Bùi Thị Lương Bùi Thị Lương – CB101083 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển khơng ngừng khoa học kĩ thuật hệ thống tự động hóa đóng vai trị quan trọng dây chuyền sản xuất tự động hóa linh hoạt Robot cơng nghiệp linh hồn hệ thống tự động hóa Robot đem lại thay đổi quan trọng chế tạo sản phẩm nâng cao xuất, chất lượng nhiều ngành cơng nghiệp Chính việc điều khiển cho Robot công nghiệp mối quan tâm hàng đầu điện tử điều khiển học Với điều khiển trước sử dụng luật điều khiển đơn giản PD, PID…, cho độ xác khơng cao robot mang tải thay đổi khớp có ma sát gây sai số nhiều Với mong muốn nghiên cứu mở rộng thêm điều khiển thông minh cho điều khiển Robot chọn đề tài “Phát triển phương pháp Jacoby gần cho điều khiển thích nghi chuyển động Robot” Nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan Robot cơng nghiệp Trình bày tổng quát lịch sử phát triển, khái niệm, ứng dụng Robot công nghiệp phương pháp điều khiển cở Chương 2: Thiết lập mơ hình cho Robot Planar Thiết lập mơ hình động lực học cho Robot Planar để từ xây dựng thuật tốn điều khiển cho Robot Chương 3: Phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ Nghiên cứu phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ cho Robot, mô Matlab-Simulink cho Robot Planar Do quỹ thời gian điều kiện thực tế cịn nhiều khó khăn nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp thầy bạn đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo TS Nguyễn Phạm Thục Anh trực tiếp hướng dẫn hoàn thành luận văn thầy cô môn Tự Động Hóa - Bùi Thị Lương – CB101083 Viên Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tác giả trình thực luận văn Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012 Học viên Bùi Thị Lương Bùi Thị Lương – CB101083 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số động học robot Planar 33 Bảng 3.1 Tham số điều khiển giá trị đặt góc khớp điều khiển setpoint Jacobian xấp xỉ 50 Bảng 3.2 Tham số điều khiển giá trị đặt góc khớp điều khiển setpoint Jacobian xấp xỉ chọn lại 53 Bảng 3.3 Tham số điều khiển giá trị đặt góc khớp điều khiển setpoint Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường 58 Bảng 3.4 Tham số điều khiển giá trị đặt góc khớp điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot .67 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot vận chuyển hàng .12 Hình 1.2 Robot hàn 12 Hình 1.3 Robot lắp ráp tơ 13 Hình 1.4 Các thành phần Robot cơng nghiệp 14 Hình 1.5 Một số dạng cấu hình học Robot 15 Hình 1.6 Các phương pháp điều khiển robot cơng nghiệp 18 Hình 1.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển 20 Hình 1.8 Đồ thị sai lệch góc khớp 22 Hình 1.9 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển 22 Hình 1.10 Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 25 Hình 1.11 Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 26 Hình 1.12 Mơ hình luật điều khiển Li-Slotine 30 Hình 2.1 Robot Plannar có gắn hệ trục tọa độ 32 Hình 3.1 Mối liên hệ không gian khớp không gian làm việc 44 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc phương pháp Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù lực trọng trường 49 Hình 3.3 Mơ hình cấu trúc Robot Simulink với điều khiển 50 Bùi Thị Lương – CB101083 Hình 3.4 Kết mơ với trường hợp biết rõ tham số động lực học .51 Hình 3.5 Trường hợp mô với thông số động lực học khơng biết xác .52 Hình 3.6 Trường hợp mơ với thơng số động lực học khơng biết xác, tham số điều khiển lựa chọn thích hợp 54 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù thích nghi lực trọng trường .56 Hình 3.8 Mơ hình cấu trúc Robot Simulink với điều khiển setpoint Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường 57 Hình 3.9 Mơ hình điều khiển control_in .57 Hình 3.10 Kết mơ với tham số động lực học thành phần lực trọng trường cập nhật liên tục 59 Hình 3.11 Kết mô với tham số động lực học thành phần lực trọng trường cập nhật liên tục 60 Hình 3.12 Mơ hình cấu trúc Robot Simulink với điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot 66 Hình 3.13 Mơ hình điều khiển control_in 66 Hình 3.14 Mơ hình ma trận 𝐽𝐽̂(𝑞𝑞, 𝜃𝜃�𝑘𝑘 ) 66 Hình 3.15 Thành phần phản hồi ma trận Jacobian xấp xỉ thành phần đầu vào điều khiển ước lượng .67 Hình 3.16 Kết mơ phương pháp điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot 68 Bùi Thị Lương – CB101083 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược phát triển Robot công nghiệp “Robot” đời từ mong ước người muốn có cỗ máy gần giống người làm công việc thay người Năm 1921 kịch Rosum’s Universal Robot Karel Capek Rossum trai chế tạo máy gần giống người để phục vụ người Có lẽ gợi ý cho nhà sáng chế kĩ thuật cấu máy móc bắt chước hoạt động người Đầu năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “ người máy công nghiệp” ngày đặt tên Robot cơng nghiệp Ngày loại thiết bị có dáng dấp có vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất gọi robot công nghiệp Về mặt kĩ thuật robot cơng nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực cấu điều khiển từ xa máy công cụ điều khiển số Các cấu điều khiển từ xa phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Cịn máy cơng cụ điều khiển số đời vào năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, Ý- 1973, … Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Standford Mỹ chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt – tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển máy tính nâng vật có khối lượng đến 40 kg Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” Bùi Thị Lương – CB101083 ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kĩ thuật chế tạo cảm biến, cơng nghệ lập trình phát triển trí khôn nhân tạo,… Trong gần đây, việc nâng cao tính hoạt động robot khơng ngừng phát triển Các hoạt động trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học – Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đặc biệt Số lượng robot ngày gia tăng, chủng loại robot không ngừng gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền sản xuất đại, đặc biệt hệ thống sản xuất tự động hóa 1.2 Định nghĩa robot số khái niệm 1.2.1 Các định nghĩa Robot công nghiệp Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot cơng nghiệp cấu thao tác đa chức với chương trình làm việc lập trình lại, 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 Robot cơng nghiệp phần tử tự động hóa khả trình, phận thiếu sản suất linh hoạt Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp cấu thao tác đa chức với nhiều chiều chuyển động điều khiển tự động với chương trình làm việc thay đổi cho cơng việc có mục đích khác Nó gắn cố định sàn di động Định nghĩa M.Bradky: Robot công nghiệp ghép nối thông minh từ nhận thức tới hành động Robot công nghiệp định nghĩa đơn giản thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người ... nhiều Với mong muốn nghi? ?n cứu mở rộng thêm điều khiển thông minh cho điều khiển Robot chọn đề tài ? ?Phát triển phương pháp Jacoby gần cho điều khiển thích nghi chuyển động Robot? ?? Nội dung luận... khóa 2010 - Ngành Điều khiển Tự Động Hóa - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan đề tài ? ?Phát triển phương pháp Jacoby gần cho điều khiển thích nghi chuyển động Robot? ?? Nguyễn Phạm... động lực học cho Robot Planar để từ xây dựng thuật tốn điều khiển cho Robot Chương 3: Phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ Nghi? ?n cứu phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ cho Robot, mô Matlab-Simulink