Đang tải... (xem toàn văn)
Thông qua luận văn này, tôi cũng hy vọng sẽ cung cấp một mô hình thực nghiệm hệ robot SCARA với bộ điều khiển PID trượt và một số kiến thức hữu ích cho các kỹ sư, sinh [r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
NGUYỄN THÀNH NHẪN
ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14
TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014
(2)Mẫu nhãn đĩa CD-ROM:
Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn MSHV: 1241840009
Ngành: Cơ Điện Tử
Mã ngành: 60 52 01 14 khóa 2011
(3)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM -
NGUYỄN THÀNH NHẪN
ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT PHƢƠNG PHÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Mã số ngành: 60 52 01 14
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC
(4)CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC
Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM Ngày 10 tháng năm 2014
Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2:
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch Hội đồng TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện TS Nguyễn Hùng Ủy viên
TS Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký Hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có)
(5)TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH - ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc
TP HCM, ngày 29 tháng năm 2014
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981 Nơi sinh: TP HCM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018 I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt
- Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot SCARA - Mô kết điều khiển đối tượng Matlab-Simulink
- Kiểm chứng kết mô thực nghiệm điều khiển đối tượng thực III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC
Cán hướng dẫn khoa học Quản lý chuyên ngành
(6)i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn TS Nguyễn Viễn Quốc
Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn
được cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa từng công bố cơng trình khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014
Học viên thực luận văn
(7)ii
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn Viễn Quốc, người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi định hướng cho trình thực luận án
Tơi xin bày tỏ long biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phịng quản lý khóa học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập Trường
Tôi xin chân thành cảm ơn, bạn học viên lớp 12SCĐ11 Trường Đại học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm giúp hoàn thành luận án
TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014 Học viên thực luận văn
(8)iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện Robot ứng dụng phổ biến sản xuất công nghiệp Robot SCARA nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng số lĩnh vực Luận án giới thiệu Robot SCARA với điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp điều khiển có cấu trúc thay đổi mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay tay máy SCARA bám theo góc đặt Điều kiện tồn mặt trượt tính ổn định tiệm cận toàn cục hệ thống thiết lập dạng tồn phương hàm Lyapunov Tính khả thi điều khiển kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab, hoạt động mơ hình thực nghiệm
Luận văn tập trung chủ yếu tính tốn điều khiển xây dựng mơ hình thực nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng bao gồm : Cơ cấu truyền động tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển động Bộ điều khiển phần mềm MATLAP dịch phần mềm CCS_v4 nạp trực tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông qua Card giao tiếp DSP C2000, điều khiển chuyển động tay máy bám theo quỹ đạo đặt robot
(9)iv
ABSTRACTS
Currently the robot has been popular applications in industrial production SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some fields This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines structural changes between the controller and the changing structure PID sliding surface to control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle Conditions existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global system is set up in the form of a quadratic Lyapunov function The feasibility of the controller is verified through simulation results on Matlab software, and operation of experimental models
(10)v
MỤC LỤC
Tên đề mục Trang
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
Tóm tắt luận văn iii
Mục lục iv
Danh mục bảng biểu vii
Danh mục sơ đồ, hình ảnh viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cấu trúc tổng quan Robot
2.2 Các Hệ Thống Điều Khiển Robot
2.3 Các Phương Thức Điều Khiển Robot
2.3.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt
2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi điểm giới hạn
2.3.1.2 Điều khiển lặp lại (playback)
2.4 1.3 Điều khiển kiểu robot thông minh
2.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính
2.3.3 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến
2.4 Phương Pháp Điều Khiển Robot
(11)vi
2.4.2 Thiết kế điều khiển kiểu trượt 10
2.4.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến hệ Robot 12
2.5 Tiêu Chuẩn Lyapunov 13
2.6 Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho Robot N Bậc Tự Do 13
2.6.1 Cơ sở toán học: 14
2.6.1.1 Các giả thuyết 14
2.6.1.2 Các bước xây dựng điều khiển trượt 15
2.7 Nhận xét 18
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY SCARA 20
3.1 Giới Thiệu Về Robot Scara 20
3.2 Mơ Hình Động Học Của Tay Máy 21
3.2.1 Mơ hình động học thuận 21
3.2.2.Mơ hình động học ngược 21
3.3 Mơ Hình Động Lực Học Của Tay Máy 22
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 26
4.1 Bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi với mặt trượt PID 26
4.2 Điều kiện trượt 28
4.3 Ổn định tiệm cận toàn cục hệ thống 31
4.4 Sơ đồ khối hệ thống 39
CHƯƠNG : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 40
(12)vii
5.2 Kết mô 43
CHƯƠNG : MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 48
6.1 Bộ điều khiển 48
6.2 Mơ hình tay máy 48
6.3 Kết thực nghiệm 49
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 51
7.1 Kết luận 51
7.2 Hướng phát triển đề tài 51
(13)viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Trang
Bảng 2.1: Các dạng khớp Robot
(14)ix
DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1: SCARA robot hãng EPSON
Hình 2.1: Phân loại robot
Hình 2.2: Khơng gian làm việc robot
Hình 2.3: Sơ đồ khối Robot
Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý điều khiển kiểu trượt 12
Hình 2.6: Minh hoạ khái niệm ổn định Lyapunov 13
Hình 3.1: Mơ hình tay máy Scara 20
Hình 3.2: Tay máy SCARA hệ tọa độ 0xy 21
Hình 3.3: Tay máy SCARA hệ tọa độ 0xy 22
Hình 4.1:Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy 39
Hình 5.1 Mơ hình simulink tay máy 41
Hình 5.2 Chương trình mơ tay máy 42
Hình 5.3 Góc đặt góc quay khớp 43
Hình 5.4: Sai số góc đặt góc quay khớp 44
Hình 5.5: Góc đặt/goc quay khớp 44
Hình 5.6 Sai số góc đặt góc quay khớp 45
Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển 45
Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển 45
Hình 5.9: Mặt trượt 46
Hình 5.10: Mặt trượt 47
Hình 5.11 Quỹ đạo mong muốn quỹ đạo quay 47
Hình 6.1 sơ đồ khối điều khiển mơ hình Scara 48
(15)x
(16)1
Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan
Trong q trình cơng nghiệp hóa đại hóa nước ta, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt giai đoạn hội nhập kinh tế Việc tự động hố q trình sản xuất với có mặt robot làm tăng khả mềm dẻo hệ thống sản xuất, tăng chất lượng sản phẩm đặc biệt làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh Ngồi Robot cơng nghiệp cịn có tính quan trọng khác làm việc mơi trường khắc nghiệt mà người tham gia vào như: mơi trường nhiều khói bụi, mơi trường độc hại hố chất, mơi trường nhiệt độ cao
(17)2
Hình 1.1: SCARA robot hang EPSON
Việc nghiên cứu điều khiển để nâng cao độ xác robot nhà khoa học nước quan tâm nhiều
1.2 Cơ sở chọn đề tài
Tay máy đối tượng có độ phi tuyến cao việc thiết kế điều khiển cho đối tượng phức tạp Như biết, điều khiển với cấu trúc thay đổi (sliding mode control) phương pháp hữu hiệu để điều khiển cho đối tượng phi tuyến luật điều khiển hồi tiếp phi tuyến [1] – [4] Điều khiển với cấu trúc thay đổi kỹ thuật điều khiển mạnh, bền vững Trong năm gần đây, hệ thống điều khiển với cấu trúc thay đổi ứng dụng rộng rãi để ổn định hố cho chuyển động robot Có nhiều nghiên cứu điều khiển có cấu trúc thay đổi, kể đến như: Bộ điều khiển trượt hệ liên tục trình bày [8,9], điều khiển trượt đưa [10] để điều khiển cho tay máy, …
(18)3
phi tuyến-hệ tay máy SCARA 02 bậc tự Điều kiện tồn mặt trượt tính ổn định tiệm cận toàn cục hệ thống thiết lập dạng tồn phương hàm Lyapunov Tính khả thi điều khiển kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab mô hình thực nghiệm
Luận án chia làm 07 chương với nội dung sau: + Chương 1: Tổng quan
Nội dung chương trình bày lý chọn đề tài tổng quan hệ thống tay máy ứng dụng cơng nghiệp đồng thời giới thiệu sơ lược điều khiển thiết kế luận án
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương trình bày tổng quát sở lý thuyết Robot, hệ thống phương thức điều khiển 01 Robot
+ Chương 3: Mơ hình tốn tay máy SCARA
Nội dung chương giới thiệu mơ hình động học thuận, ngược mơ hình động lực học tay máy
+ Chương 4: Thiết kế điều khiển
Nội dung chương trình bày điều khiển PID trượt kết hợp với mặt trượt PID, điều kiện tồn mặt trượt điều kiện ổn định hệ thống
+ Chương 5: Kết mơ
Nội dung chương trình bày kết mô hệ thống tay máy SCARA phần mềm Matlap với điều khiển trượt PID thiết kế luận án
+ Chương 6: Xây dựng mơ hình thực nghiệm
Nội dung chương xây dựng mơ hình thực nghiệm tay máy Scara với điều khiển PID trượt
(19)4
Chương
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cấu trúc tổng quan Robot :
Các Robot công nghiệp ngày thường cấu thành hệ thống sau: Tay máy cấu khí gồm khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, gồm:
Bệ (thân) - Base
Khớp - nối: joint- link
Cổ tay – wrist: tạo nên khéo léo, linh hoạt
Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng
Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động
Hệ thống cảm biến gồm sensor thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các Rơbốt cần hệ thống sensor để nhận biết trạng thái thân cấu Rôbốt
Hệ thống điều khiển thường máy tính để giám sát điều khiển hoạt động Rơbốt, chia thành hệ thống:
Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo) Hệ thống điều khiển lực
Cấu trúc vật lý robot bao gồm thân, cánh tay cổ tay Thân nối với đế tổ hợp cánh tay nối với thân Cuối cánh tay cổ tay chuyển động tự
Về mặt khí, Rơbốt có đặc điểm chung kết cấu gồm nhiều khâu, nối với khớp để hình thành chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần cơng tác Tuỳ theo số lượng cách bố trí khớp mà tạo tay máy kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trị, tọa độ cầu…
Trong robot thân cánh tay có tác dụng định vị trí cịn cổ tay có tác dụng định hướng cho end effector Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho linh động xoay theo hướng khác cho phép Rôbốt định vị đa dạng vị trí Quan hệ chuyển động phần tử khác tay máy như: cổ tay, cánh tay thực qua chuỗi khớp nối Các chuyển động bao gồm chuyển động quay, chuyển động tịnh tiến…
(20)5
Dựa vào hình dáng vật lý khoảng không gian mà cổ tay di chuyển tới mà người ta chia robot thành bốn hình dạng sau :
Robot cực (H 1.1.a) Robot Decac (H 1.1.b) Robot trụ (H 1.1.c) Robot tay khớp (H 1.1.d)
a b c d
Hình 2.1: Phân loại robot
Các khớp sử dụng robot khớp L, R, T, V (khớp tuyến tính, khớp quay, khớp cổ tay quay khớp vng) Cổ tay có đến bậc tự
Bảng 2.1: Các dạng khớp Robot
Input link
Output link
Input link
Output link
Output link Input link
Input link
Output link
Loại Tên Minh họa
Tuyến tính Quay
Cổ tay quay Vuông V