Nghiên cứu động học động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho robot hai khâu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS NGUYỄN NHƢ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tự làm nghiên cứu, luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nhƣ nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Nguyễn Thế Phương Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .7 MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: .12 TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 12 1.1 Các khái niệm phân loại robot: 12 1.1.1 Robot robotic: .12 1.1.2 Robot công nghiệp: 13 1.1.3 Các cấu trúc robot công nghiệp: 14 1.1.3.1 Cấu trúc chung: 14 1.1.3.2 Kết cấu tay máy: .15 1.1.4.Truyền động điều khiển Robot .16 1.1.4.1.Hệ truyền động robot .16 1.1.4.2.Truyền động điện .17 1.1.4.3.Truyền động khí nén thuỷ lực 17 1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 18 1.1.6 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 18 1.1.6.1 Khái quát 18 1.1.6.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .19 1.2.Động học tay máy robot khâu chuyển động mặt phẳng .22 1.2.1.Bài toán động học thuận: 22 1.2.2.Bài toán động học ngược 23 1.2.3.Động học robot di chuyển nhỏ 25 1.2.3.1 Giới thiệu 25 1.2.3.2.Thuộc tính ma trận Jacobian 27 1.2.3.3.Động học ngược chuyển động nhỏ 27 1.3.Động lực học tay máy robot khâu 28 1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot .31 1.4.1.Thuật tốn điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ điều khiển PD 32 1.4.2 Thuật tốn điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 33 1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 33 1.4.4 Nhận xét chung 34 CHƢƠNG 2: .35 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT KHÂU 35 2.1 Khái quát 35 2.2 Tổng hợp điều chỉnh vị trí PID cho động điện chiều 36 2.2.1 Các thông số ban đầu 36 2.2.1.1 Động điện chiều 36 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.1.1.1 Động điện chiều 36 2.2.1.1.2 Các phương trình mơ tả động điện chiều 38 2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 39 2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu .39 2.2.1.3 Biến dòng: 40 2.2.1.4 Máy phát tốc: .40 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 41 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 41 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): 44 2.2.4 Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí ( R ) .47 2.3 Mơ hình simulink điều khiển Robot sử dụng điều chỉnh PID 51 2.3.1 Mơ hình simulink 51 2.3.2 Kết mơ điều khiển vị trí cánh tay Robot dùng PID 53 2.4 Xây dựng điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot khâu 56 2.4.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 56 2.4.2 Sự cần thiết dụng điều khiển mờ 57 2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 59 2.4.3.1 Mơ hình điều khiển mờ 60 2.4.3.2 Biến ngôn ngữ miền giá trị 62 2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 63 2.4.3.4 Xây dựng luật điều khiển .65 2.4.3.5 Luật hợp thành 68 2.4.4 Sơ đồ mô kết .69 2.4.4.1 Mơ hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 69 2.4.4.2 Kết mô điều khiển vị trí Robot dùng chỉnh định mờ 70 2.5 Kết luận Chƣơng 72 CHƢƠNG 3: .73 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 73 3.1 Mô hình khối chức 73 3.1.1 Bộ điều khiển 73 3.1.2 Động 74 3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng chỉnh định mờ điều khiển PID 74 3.3 So sánh quỹ đạo PID chỉnh định mờ tham số PID 75 3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg .75 3.3.1.1 Qũy đạo sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 75 3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 77 3.3.1.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 78 3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 79 3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 79 3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 79 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 81 3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 81 3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 81 3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot 82 3.3.3.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu 83 3.4 Nhận xét chƣơng 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 Kết luận 85 Kiến nghị 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng robot .13 Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo cánh tay robot 20 Bảng 1.3: Thông số vật lý cánh tay robot khâu 22 Bảng 2.1: Các thông số động điện chiều .38 Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp 66 Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd 67 Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc robot cơng nghiệp .14 Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc hệ thống điều khiển 15 Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu tay máy 16 Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu .19 Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot khâu .21 Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot khâu .23 Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot khâu .26 Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot khâu 28 Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vịng kín 31 Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 32 Hình 1.11: Điều khiển PD 32 Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng .33 Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 33 Hình 1.14: Cấu trúc robot + hệ dẫn động 34 Hình 2.1: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 36 Hình 2.2: Cấu trúc động điện chiều từ thông không đổi 39 Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển 39 Hình 2.4 sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 41 Hình 2.5: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dòng điện rút gọn .42 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 44 Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 45 Hình 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí 47 Hình 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 50 Hình 2.11: Mơ hình hệ thống sử dụng điều khiển PID .51 Hình 2.12 : Mơ hình khối điều khiển dịng điện tốc độ động 51 Hình 2.13: Mơ hình khối điều khiển dòng điện tốc độ động .52 Hình 2.14: Mơ hình khối subsystem1 52 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.15: Mơ hình khối subsystem2 52 Hình 2.16: Mơ hình khâu phản hồi vị trí .52 Hình 2.17: Mơ hình khâu phản hồi vị trí .52 Hình 2.18: Mơ hình Robot khâu 53 Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID .54 Hình 2.21: Đồ thị góc quay 54 Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc 55 Hình 2.23: Dịng điện động 1,2 .55 Hình 2.24: Tốc độ động 1,2 56 Hình 2.25 Quan hệ   .57 Hình 226: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID .59 Hình 2.27: Cấu trúc chỉnh định mờ KP .61 Hình 2.28: Cấu trúc chỉnh định mờ KD 61 Hình 2.29: Cấu trúc chỉnh định mờ KI 62 Hình 2.30: Mơ hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf biến et, det 64 Hình 2.31: Mơ hình hàm liên thuộc biến Hesokp , Hesokd Hesoki .64 Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et 64 Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det 65 Hình 2.35: Đặc tính q độ thƣờng gặp hệ điều khiển dùng PID 65 Hình 2.36: Mơ hình hệ thống sử dụng chỉnh định tham số điều khiển 69 Hình 2.37: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PI+D 69 Hình 2.38: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PD 70 Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt quỹ đạo Robot dùng Fuzzy 70 Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy .70 Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy 71 Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy .71 Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy 71 Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động dùng Fuzzy 72 Hình 2.45: Đồ thị dòng điện động dùng Fuzzy 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.1: Các khối chức 73 Hình 3.2: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PI+D 73 Hình 3.3: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PD 73 Hình 3.4: Mơ hình điều khiển động DC 74 Hình 3.5: Mơ hình hệ thống sử dụng chỉnh định mờ 74 Hình 3.6: Mơ hình hệ thống sử dụng điều khiển PID 75 Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động robot khâu 76 Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 76 Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 77 Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 77 Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 77 Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 78 Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 79 Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 79 Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 80 Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 80 Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 80 Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 81 Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 81 Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 82 Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 82 Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy 82 Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 83 Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy ………… 84 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Điều khiển tự động từ lâu quan tâm nhiều nhà khoa học Từ ngƣời biết sáng tạo cơng cụ lao động ý tƣởng điều khiển tự động đƣợc đặt lên hàng đầu Con ngƣời phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày cao Đỉnh cao công nghệ điều khiển tự động công nghệ chế tạo robot Ngày Robot đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, đem lại hiệu to lớn sản xuất cơng nghiệp, quốc phịng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ nhƣ sản xuất đời sống… thiết bị khơng thể thiếu hệ thống sản xuất đại, đặc biệt hệ thống sản xuất tự động Robot ngày thơng minh linh hoạt, robot đƣợc xem sản phẩm điển hình khoa học kỹ thuật Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ ban hành định số: 82/2001/QĐTTg vào ngày 24 tháng năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot nhiệm vụ khoa học cơng nghệ Vì việc nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển đại áp dụng vào công nghệ robot đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm đƣợc áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác công nghiệp, đặc biệt hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống Với lý trên, chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu Nội dung luận văn đƣợc chia thành chƣơng: Chương : Tổng quan mô tả động học động lực học robot Chương 2: Thiết kế điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot khâu Chương 3: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình khối chức Hình 3.1: Các khối chức 3.1.1 Bộ điều khiển Hình 3.2: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PI+D Hình 3.3: Mơ hình điều khiển khâu thứ dùng PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.2 Động Hình 3.4: Mơ hình điều khiển động DC 3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng chỉnh định mờ điều khiển PID Hình 3.5: Mơ hình hệ thống sử dụng chỉnh định mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.6: Mơ hình hệ thống sử dụng điều khiển PID 3.3 So sánh quỹ đạo PID chỉnh định mờ tham số PID Cho hai Robot khâu sử dụng điều khiển dùng chỉnh định mờ PID chuyển động theo quỹ đạo thẳng cho trƣớc Bằng cách đo thông số điều khiển để so sánh chất lƣợng để thấy đƣợc ƣu điểm chỉnh định mờ so với điều khiển PID Để so sánh quỹ đạo điều khiển PID điều khiển mờ chỉnh định tham số PID, cách thay đổi tải ba trƣờng hợp 1kg, 1.5kg 2kg Lúc này, momen quán tính tải thay đổi theo Cơng thức để xác định momen qn tính tải là: Jt  m(l12  l22  2l1l2 cos(   )) 3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 3.3.1.1 Qũy đạo sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 http://www.lrc-tnu.edu.vn 0.2 Toa Y 0.15 0.1 0.05 -0.05 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Toa X Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động robot khâu Do thi sai lech quy dao Robot 0.04 Sai lech quy dao PID Sai lech quy dao FUZZY sai lech quy dao[m] 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy Dựa vào đồ thị so sánh hai sai lệch quỹ đạo dùng PID dùng chỉnh định mờ tham số điều khiển PID, ta thấy độ vọt lố chỉnh định mờ giảm so với điều khiển PID kinh điển 10s trả đầu quỹ đạo (lúc không cần thiết phải có sai số nhỏ) chỉnh định mờ sai số nhiều nhƣng có độ ổn định cao 10s sau bắt đầu quỹ đạo chỉnh định mờ có độ sai lệch PID Do đó, việc sử dụng chỉnh định mờ có ƣu điểm so với điều khiển PID Các đồ thị dƣới thể ƣu điểm chỉnh định mờ so với điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot Do thi goc quay khau 0.2 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy goc quay [rad] -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Do thi goc quay khau 2.5 goc quay [rad] 1.5 0.5 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy -0.5 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Do thi sai lech goc quay khau 0.04 Sai lech q1 PID Sai lech q1 FUZZY 0.03 goc sai lech [rad] 0.02 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thi sai lech goc quay khau 0.08 Sai lech q2 PID Sai lech q2 FUZZY goc sai lech [rad] 0.06 0.04 0.02 -0.02 -0.04 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 3.3.1.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu Do thi sai lech toc goc quay khau 0.4 Sai lech toc q1 PID Sai lech toc q1 FUZZY toc sai lech [rad] 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy Do thi sai lech toc goc quay khau 0.5 Sai lech toc q2 PID Sai lech toc q2 FUZZY toc sai lech [rad] 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong hai đồ thị trên, ta thấy tốc độ sai lệch góc dùng chỉnh định mờ gần thời gian xác lập, dùng PID có sai lệch lớn tốc độ góc Điều có nghĩa tốc độ bám quỹ đạo dùng chỉnh định mờ tốt dùng PID 3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot Do thi sai lech quy dao Robot 0.045 Sai lech quy dao PID Sai lech quy dao FUZZY 0.04 sai lech quy dao[m] 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot Do thi goc quay khau 0.2 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy goc quay [rad] -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thi goc quay khau 2.5 goc quay [rad] 1.5 0.5 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy -0.5 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Do thi sai lech goc quay khau 0.06 Sai lech q1 PID Sai lech q1 FUZZY goc sai lech [rad] 0.04 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy Do thi sai lech goc quay khau 0.08 Sai lech q2 PID Sai lech q2 FUZZY goc sai lech [rad] 0.06 0.04 0.02 -0.02 -0.04 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu Do thi sai lech toc goc quay khau 0.5 Sai lech toc q1 PID Sai lech toc q1 FUZZY 0.4 toc sai lech [rad] 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy Do thi sai lech toc goc quay khau 0.5 Sai lech toc q2 PID Sai lech toc q2 FUZZY toc sai lech [rad] 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thi sai lech quy dao Robot 0.045 Sai lech quy dao PID Sai lech quy dao FUZZY 0.04 sai lech quy dao[m] 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu cánh tay Robot Do thi goc quay khau 0.2 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy goc quay [rad] -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Do thi goc quay khau 2.5 goc quay [rad] 1.5 0.5 Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc PID Tin hieu goc quay thuc Fuzzy -0.5 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu giá trị đặt, PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thi sai lech goc quay khau 0.06 Sai lech q1 PID Sai lech q1 FUZZY goc sai lech [rad] 0.04 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy Do thi sai lech goc quay khau 0.08 Sai lech q2 PID Sai lech q2 FUZZY goc sai lech [rad] 0.06 0.04 0.02 -0.02 -0.04 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu PID Fuzzy 3.3.3.3 Sai lệch tốc độ góc quay hai khâu Do thi sai lech toc goc quay khau 0.6 Sai lech toc q1 PID Sai lech toc q1 FUZZY toc sai lech [rad] 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn Do thi sai lech toc goc quay khau 0.6 Sai lech toc q2 PID Sai lech toc q2 FUZZY 0.5 toc sai lech [rad] 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 10 12 14 16 18 20 Thoi gian [s] Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu PID Fuzzy 3.4 Nhận xét chƣơng Từ kết mơ trên, ta có nhận xét nhƣ sau: - Sử dụng điều khiển chỉnh định mờ tốc độ đạt đến giá trị đặt nhanh so với dùng PID Biên độ dao động thời điểm độ sai lệch quỹ đạo đƣợc giảm - Bộ điều khiển chỉnh định mờ có khả điều chỉnh xác đến vị trí mong muốn cao so với hệ sử dụng điều khiển PID - Hệ thống mô đƣợc xét trƣờng hợp cánh tay Robot mang tải khác nhau, tƣơng ứng với momen quán tính tải thay đổi liên tục theo quỹ đạo chuyển động, điều chứng tỏ tính bền vững cao hệ điều khiển Nhƣ hệ thống làm việc chế độ khơng tải có tải, điều khiển mờ chỉnh định tham số PID đảm bảo đƣợc chất lƣợng tốt dùng điều khiển PID kinh điển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 http://www.lrc-tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Trong luận văn nghiên cứu khảo sát cho số kết nhƣ sau: + Khảo sát động học động lực học Robot, từ xác định vị trí hƣớng chuyển động Robot, tìm đƣợc tham số động lực học để từ xây dựng điều khiển Robot đƣợc xác + Với phạm vi nghiên cứu đƣợc xác định, luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế điều khiển động học ngƣợc ứng dụng điều khiển mờ vào điều khiển robot khâu Qúa trình thực hiện, tác giả thấy rằng, việc sử dụng điều khiển mờ vào hệ thống tự động có nhiều thuận lợi nhƣ: đơn giản, dễ thay đổi hiệu chỉnh thông qua việc thay đổi biến đầu vào đầu ra, thay đổi luật điều khiển… + Để nâng cao chất lƣợng cánh tay Robot chuyển động bám theo quỹ đạo mặt phẳng, luận văn nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID, với hệ thống điều khiển chất lƣợng bám theo quỹ đạo cánh tay Robot đƣợc nâng lên nhiều so với hệ điều khiển PID kinh điển: Làm giảm biên độ dao động, giảm sai lệch quỹ đạo thực so với quỹ đạo đặt, giảm sai lệch tốc độ chuyển động gần + Tuy nhiên, tình chuyển động cánh tay Robot, chịu ảnh hƣởng momen quán tính, momen cản cấu cánh tay Robot hệ truyền động nên đáp ứng hệ điều khiển thƣờng dao động, trễ hệ thống Trong luận văn, tác giả ứng dụng điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID nhằm giảm bớt dao động, trễ hệ thống giảm sai lệch quỹ đạo nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống Kiến nghị Để giảm bớt sai lệch quỹ đạo, dao động trễ hệ thống cấu cánh tay Robot giải pháp sử dụng kết hợp điều khiển PID kết hợp với điều khiển đại nhƣ: Mờ trƣợt, mờ lai, mờ thích nghi, nơ ron Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 http://www.lrc-tnu.edu.vn Kết hợp Logic mờ mạng Neuron nhân tạo vào điều khiển robot cho độ xác cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 86 http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền: Truyền Động Điện, NXB Khoa Học Kỹ Thuật [2] Nguyễn Nhƣ Hiển, Bùi Chính Minh, [2007] “Thiết kế điều khiển phi tuyến bền vững cho hệ truyền động nối khớp mềm”, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 4 Nguyễn Nhƣ Hiển, Lại Khắc Lãi : Hệ mờ Nơ ron kỹ thuật điều khiển 5 Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003): Lý thuyết điều khiển phi tuyến, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Thiện Phúc: Robot Công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật [8] Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Khoa học Kỹ thuật [9] Phạm Đăng Phƣớc, Giáo trình Robot Cơng nghiệp (phần I), trƣờng Đại học Bách khoa Đà nẵng [10] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot Công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [11] Scott Schaut (2006) Robots of Westinghouse: 1924-Today Mansfield Memorial Museum ISBN 0978584414 [12] R Clarke "Asimov's Laws of Robotics - Implications for Information Technology" Australian National University/IEEE Retrieved 2008-09-25 [13] Ho, C C.; MacDorman, K F.; Pramono, Z A D (2008) "Human emotion and the uncanny valley: A GLM, MDS, and ISOMAP analysis of robot video ratings" Proceedings of the Third ACM/IEEE International Conference on HumanRobot Interaction March 11-14 Amsterdam Retrieved 2008-09-24 [14] Graham, Stephen (2006-06-12) "America's robot army" New Statesman Retrieved 2007-09-24 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng hệ thống Với lý trên, chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu. .. mô tả động học động lực học robot Chương 2: Thiết kế điều khiển động học ngược điều khiển chuyển động robot khâu Chương 3: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3 .Động lực học tay máy robot khâu Động lực học tay máy nghiên cứu mối quan hệ lực, mômen, lƣợng… với thông số chuyển động Nghiên cứu động lực học tay máy nhằm mục đích sau: - Mơ hoạt động