Đang tải... (xem toàn văn)
Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều khiển phi tuyến đơn giản được dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, nhưng chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học c[r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
THÂN VĂN THẾ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số ngành: 60520114
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-
THÂN VĂN THẾ
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG
(3)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
(Nhận xét CB hướng dẫn )
Họ tên học viên: THÂN VĂN THẾ Đề tài luận văn:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
Chuyên ngành: Cơ điện tử
Người nhận xét: Cơ quan công tác:
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1-Về nội dung đánh giá thực nhiệm vụ nghiên cứu đề tài:
2-Về phƣơng pháp nghiên cứu, độ tin cậy số liệu:
3-Về kết khoa học luận văn:
(4)
4-Về kết thực tiễn luận văn:
5-Những thiếu sót vấn đề cần làm rõ:
6-Ý kiến kết luận (mức độ đáp ứng yêu cầu LVThS):
Sau thời gian hướng dẫn học viên thực đề tài, nhận thấy nội dung luận văn học viên đáp ứng yêu cầu Luận văn Thạc sĩ Do đồng ý cho học viên………bảo vệ trước Hội đồng đánh giá Luận văn
TP HCM, ngày tháng năm 20… CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)
(5)CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN HÙNG
Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ tên Chức danh Hội đồng
1 PGS.TS Trần Thu Hà Chủ tịch TS Nguyễn Thanh Phuơng Phản biện TS Nguyễn Duy Anh Phản biện TS Võ Tường Quân Ủy viên TS Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên, Thư ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có)
(6)TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
TP HCM, ngày05 tháng 05. năm 2013
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: THÂN VĂN THẾ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1965 Nơi sinh: Bắc Giang Chuyên ngành: Cơ điện tử MSHV: 1241840016
I- Tên đề tài:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG II- Nhiệm vụ nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan robot hàn di động hai bánh xe
- Xây dựng mơ hình tốn cho robot hàn Mơ hình hình học robot hàn, mơ hình động học, mơ hình động lực học robot hàn
- Thiết kế điều khiển phi tuyến cho robot hàn
- Thiết kế, chế tạo robot hàn
- Chạy thực nghiệm robot hàn
III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng năm 2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2013 V- Cán hƣớng dẫn:TS NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(7)i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn với nội dung “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG” là công trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn TS Nguyễn Hùng
Các số liệu, kết mô thực nghiệm nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác
Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc
Học viên thực luận văn
(8)ii
LỜI CÁM ƠN
Trong q trình thực luận văn, tơi nhận giúp đỡ nhiều từ thầy cô bạn
Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành tới thầy giáo, TS Nguyễn Hùng – Phó Trưởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trường Đại Học Công
Nghệ Tp.HCM tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt trình nghiên cứu thực luận văn
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Kỹ thuật Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, q thầy, tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp suốt học trình cao học
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn bạn động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn
Tơi xin chân thành cảm ơn !
Học viên thực luận văn
(9)iii
TÓM TẮT
Trong năm qua, nhiều nghiên cứu thực cho robot hàn sử dụng nhiều điều khiển khác [1-3] Trong tài liệu tham khảo [1], điều khiển phi tuyến đơn giản dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, vào mơ hình động học mà bỏ qua phần động lực học hệ thống khí nhiễu từ bên Chung [2] đề xuất điều khiển trượt mà kết hợp phần động học động lực học với ràng buộc nhiễu từ bên ngồi, nhằm giải vấn đề dị theo đường hàn robot hàn Ngo [3] đề xuất điều khiển trượt thích nghi cho loại robot hàn trên, điều khiển trên, robot hàn khảo sát dựa vào mơ hình động học với thơng số cho trước nhiễu từ bên ngồi Tuy nhiên vận tốc tuyến tính điểm hàn khơng giữ cố định thiết kế ban đầu
Để giải vấn đề, luận thiết kế điều khiển trượt tích phân, tích hợp mơ hình động học mơ hình động lực học với ràng buộc nhiễu từ bên cho robot hàn để dị theo đường hàn cho trước Tính ổn định hệ thống chứng minh dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov Kết mô kết thực nghiệm trình bày nhằm minh họa tính hiệu điều khiển trượt tích phân
Nội dung luận văn gồm có:
- Nghiên cứu tổng quan robot hàn di động hai bánh xe
- Xây dựng mơ hình tốn cho robot hàn Mơ hình hình học robot hàn mơ hình động học, mơ hình động lực học robot hàn
- Thiết kế điều khiển phi tuyến cho robot hàn
- Thiết kế, chế tạo robot hàn
- Chạy thực nghiệm robot hàn
(10)iv
ABSTRACT
In the past years, there are many researches have been done for the welding mobile robot (WMR) using many kind of controller [1-3] In [1], the simple nonlinear controller of WMR was applied for tracking reference welding path but considered only the kinematic model which ignored the mechanical system dynamic and external disturbances Chung, et al [2] proposed the
sliding mode controller that integrates a kinematic controller and a dynamic controller with bounded external disturbances have been used to solve the path welding tracking problem for the WMR Ngo, et al [3] also proposed the adaptive sliding mode controller for the same WMR In the above controllers, the WMR is considered in terms of dynamic model with known parameters in the presence of external disturbances However, the linear velocity of welding point was not keep constant velocity smoothly as desired To solve the roblem, this research proposes a new nonlinear controller that makes the integration of a kinematic controller and a sliding mode dynamic controller with bounded external disturbances for the WMR to track a desired welding trajectory The system stability is proved using the Lyapunov stability theory The simulation results are shown to illustrate effectiveness of Integral sliding mode controller
The main contents of the thesis are:
- Research overview of the mobile welding robot two wheels
- Develop mathematical models for robot welding Geometric modeling of welding robot kinematic model, the dynamics model of the welding robot
- Design of nonlinear controllers for robot welding
- Design, fabrication welding robot
- Run welding robot experiments
(11)v
MỤC LỤC
Trang tựa trang
NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x
CHƢƠNG GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1 Tổng quan robot
1.2 Kỹ thuật điều hướng cho robot di động bánh xe 15
1.3 Tóm tắt số cơng trình nghiên cứu 17
1.4 Nhận xét chung hướng tiếp cận 23
1.5 Mục tiêu luận văn 25
1.6 Nhiệm vụ luận văn 25
1.7 Giới hạn luận văn 26
1.8 Điểm luận văn 26
1.9 Nội dung luận văn 26
CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27
2.1 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 27
2.2 Điều khiển trượt 28
2.2.1 Xuất phát điểm phương pháp điều khiển trượt 28
2.2.2 Nguyên lý điều khiển trượt 31
2.2.3 Các bước xây dựng điều khiển trượt 33
CHƢƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG HAI BÁNH XE 34
(12)vi
3.2 Mơ hình động học robot hàn di động hai bánh xe: 35
3.3 Mơ hình động lực học robot hàn di động hai bánh xe: 36
CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT TÍCH PHÂN 37
4.1 Đặt vấn đề 37
4.2 Thiết kế điều khiển trượt tích phân 37
4.3 Kết mô 40
4.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 40
4.3.2 Các kết mô 40
CHƢƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT HÀN 48
5.1 Thiết kế, chế tạo kết cấu khí robot hàn 48
5.1.1 Kích thước robot 48
5.1.2 Cấu tạo robot 50
5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn 53
5.3 Giới thiệu card DSP TMS320F28335 53
5.4 Bảng chân kết nối DSP 57
5.5 Các Module mạch cầu H 58
5.6 Module Arduino Pro Mini 61
CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 62
6.1 Giới thiệu 62
6.2 Kết thực nghiệm 64
6.2.1 Robot chạy bám theo đường hàn 64
6.2.2 Robot chạy có tải 65
CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 69
7.1 Những kết đạt 69
7.2 Hạn chế đề tài 70
7.3 Hướng phát triển đề tài 70
7.4 Lời kết 70
(13)vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
) ,
(x y m Tọa độ tâm rơ bốt rad Góc rô bốt
v m/s Vận tốc dài tâm rơ bốt
rad/s Vận tốc góc tâm rô bốt
lw rw
, rad/s Vận tốc góc bánh xe phải trái
) ,
(xw yw m Tọa độ điểm hàn
w
rad
Góc điểm hàn
w
v m/s Vận tốc dài điểm hàn
w
rad/s Vận tốc góc điểm hàn
r r y
x , m Tọa độ điểm tham chiếu
r
v m/s Vận tốc mong muốn
r
rad/s Vận tốc góc điểm tham chiếu
b m Khoảng cách bánh xe trục đối xứng
r m Bán kính bánh xe
l m Chiều dài cấu giữ mỏ hàn
c
m kg Khối lượng phần thân
w
m kg Khối lượng bánh lái
w
(14)viii
m
I kgm2 Mơ men qn tính bánh lái quanh
trục đường kính bánh xe c
I kgm2 Mơ men qn tính phần thân quanh trục đứng qua phần giao trục đối xứng với trục bánh lái
rw
,
lw
kgm2
Mô men xoắn động tác dụng lên bánh xe phải trái
KC Kinematic controller
ISMC Integral sliding mode controller WMR Welding mobile robot
(15)ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ký hiệu loại bánh xe 12
Bảng 4.1 Các giá trị thông số mô 41
Bảng 4.2 Các giá trị ban đầu 41
(16)x
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Máy hàn hồ quang điện
Hình 1.2 Máy hàn điểm
Hình 1.3 Máy hàn hồ quang điện ARC400
Hình 1.4 Máy hàn hồ quang điện HERO DC – 315
Hình 1.5 Máy hàn cơng nghệ Inverter
Hình 1.6 Máy Hàn Bán Tự Động MAG - VMAG350/500
Hình 1.7 Robot hàn OTC DAIHEN
Hình 1.8 Robot hàn ARC Mate1000B/2000B hang Fanuc
Hình 1.9 Máy hàn hang Panasonic
Hình 1.10 Rùa hàn tự động bám dầm Hit-8SS
Hình 1.11 Hàn hồ quang chìm tự động
Hình 1.12 ASLIB
Hình 1.13 Servo-Robot’s MWR-350 10
Hình 1.2 Các loại bánh xe 11
Hình 1.3.1 Chuyển động WMR a) di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm đích, b) di chuyển theo quỹ đạo 16
Hình 1.3.2 cấu trúc robot di chuyển bánh xe 17
Hình 1.3.3 Mơ hình Robot hàn MR-SL 18
Hình 1.3.4 Các sai số bám e1, e2, e3 có sai lệch 18
Hình 1.3.5 Vận tốc mỏ hàn WMR 19
Hình 1.3.6 Robot super MARIO 20
Hình 1.3.7 Các sai số bám robot super MARIO 20
Hình 1.3.8 Các sai số robot MICRO bám đường thẳng 21
Hình 1.3.9 Các sai lệch bám robot hàn 22
Hình 1.3.10 Vận tốc góc robot robot hàn 22
Hình 1.3.11 Robot bám theo đường thẳng 23
(17)xi
Hình 2.1 Minh họa hàm Lyapunov 28
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 28
Hình 2.3 Đồ thị quỹ đạo pha 29
Hình 2.4 Giải thích tượng trượt 30
Hình 2.5 Giải thích ngun lý trượt 32
Hình 3.1 Cấu trúc hình học robot hàn 34
Hình 4.3.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển 40
Hình 4.3.2.Quỹ đạo (đường hàn) mong muốn cho WMR 40
Hình 4.3.3 Chuyển động bám đường hàn mong muốn WMR 42
Hình 4.3.4 Sai lệch vị trí e1, e2, e3 43
Hình 4.3.5 Vận tốc góc bánh phải bánh trái 44
Hình 4.3.6 Mặt trượt S1 45
Hình 4.3.7 Mặt trượt S2 46
Hình 4.3.8 Momen bánh trái phải 47
Hình 5.1.1 Cấu tạo Robot hàn 48
Hình 5.1.2 Cấu tạo robot hàn (tiếp) 50
Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn 53
Hình 5.3.1 Đế kết nối dạng Dock Station Card DSP TMS320F28335 54
Hình 5.3.2 Card điều khiển sử dụng chip DSP TMS320F28335 54
5.5 Hình Module mạch cầu H 58
5.6 Hình Module Arduino Pro Mini 61
Hình 6.1 Vị trí đặt biến trở xoay 63
Hình 6.2 Robot hàn di động 65
Hình 6.3 Quỹ đạo đường hàn 66
Hình 6.4 Robot chạy hàn 66
Hình 6.5 Kết đường hàn 67
(18)1
CHƢƠNG
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. Tổng quan robot
Robot hay người máy loại máy thực cơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Là tác nhân khí, nhân tạo, ảo, thường hệ thống khí-điện tử Với xuất chuyển động mình, robot gây cho người ta cảm giác có giác quan giống người Từ "robot" (người máy) thường hiểu với hai nghĩa: robot khí phần mềm tự hoạt động
Ngày nay, ngành công nghiệp robot đạt thành tựu to lớn Những cánh tay robot đặt đế cố định, di chuyển với tốc độ nhanh xác để thực cơng việc có tính chất lặp lặp lại hàn sơn Trong công nghiệp điện tử, cánh tay robot sử dụng để lắp ráp linh kiện cho ti vi, máy tính, điện thoại di động với độ xác cao
Robot dần thay người làm công việc nơi có mơi trường độc hại cao, hầm mỏ, nghề đúc kim loại, ngành nghề sản xuất phải tiếp xúc với hóa chất độc hại, ngành hàn vv Ở người nghiên cứu đề cập đến robot ứng dụng ngành hàn
Công nghệ hàn hồ quang ứng dụng hồ quang điện để tạo nhiệt độ làm nóng chảy kim loại, ngắt hồ quang điện kim loại nóng chảy để nguội, kim loại đông đặc lại tạo liên kết vật hàn với
Bản chất hồ quang đời nó:
(19)2
kim loại cần hàn cực que hàn, nhiệt độ cao hai cực, que hàn nóng chảy lấp chỗ cần hàn kim loại
Hình 1.1 Máy hàn hồ quang điện - Máy hàn sử dụng que hàn có thuốc bọc
- Sử dụng dịng điện hàn AC DC Sự phát triển công nghệ hàn:
Khoảng năm 3200 năn trước Công Nguyên hàn hàn vảy cứng đồ trang sức
Khoảng 1500 năm trước công nguyên hàn ghép sơ khai đầu tiên, hàn qua lửa hàn rèn
Năm 1809 Davy nhà vật lý người Anh phát hồ quang điện Năm 1867 Eliku Thomsen phát hàn điện trở từ thép
Năm 1885 russen, Bernados Olszewsky thử nghiệm phương pháp hàn hồ quang Hồ quang được đốt cháy cực than chi tiết
Năm 1890 Russe Slavianoff phát triển phương pháp hàn hồ quang với điện cực kim loại nóng chảy phát Axêtylen- phát triển phương pháp hàn hóa lỏng khí
Năm 1896 Drager phát que hàn
Năm 1901 lần áp dụng axeton giải phóng axêtylen – Kjellbergw lần sử dụng que hàn có vỏ bọc để hàn thiết bị
(20)3
Năm 1940 bắt đầu hàn khí trơ volfram Mỹ khí trơ Heli – Hàn khí trơ Cộng Hịa Liên Bang Đức khí Argon , hàn khí bảo vệ khí CO2 ứng dụng nhiều cơng nghệ hàn tự động
Năm 1995 lần que hàn điện có sỉ UDSSR Năm 1956 phát minh hàn đắp dây hàn
Năm 1957 phát triển phương pháp hàn que hàn có xỉ Năm 1957 ứng dụng cắt plasma
Năm 1961 sử dụng phát minh hàn tia điện tử ứng dụng hàn plasma
Năm 1965 dây hàn rỗng chứa thuốc phát triển, phát triển lase khí lỏng
Cơng nghệ hàn ngày sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp chế tạo máy, xây lắp cơng trình cơng nghiệp dân dụng, giao thơng vận tải hóa chất, vv Với ứng dụng loại máy hàn sau:
Hình 1.2 Máy hàn điểm - Máy hàn điểm dùng để hàn đính điểm
- Sử dụng dịng điện làm nóng chảy kim loại lực ép tạo mối hàn
Máy hàn Hồ Quang Jasic ARC200
máy tự động điều khiển máy tính khí, hệ thống điện tử phần mềm Tải hướng dẫn sử dụngIn báo giá