Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng, 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 62.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ TIẾN DŨNG ĐÀ NẴNG, 2020 ii NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP Học viên: Mai Tiến Sỹ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Khóa: K36.TĐH Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Ngày với vận tốc phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ, người ngày nghiên cứu chế tạo nhiều hệ thống có độ phức tạp xác cao Các tay máy robot đóng vai trị quan trọng hệ thống tự động hóa cơng nghiệp Đặc biệt, chúng phù hợp để làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm nơi mà người khơng thể có mặt để thực cơng việc mang tính lặp lặp lại cách nhàm chán, căng thẳng Nhưng đem lại hiệu suất lao động cao Vấn đề nghiên cứu thuật tốn điều khiển tay máy robot cơng nghiệp nhà nghiên cứu, trường đại học, viện nghiên cứu công ty đầu tư thực nhiều thập kỷ qua Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode control) nhận nhiều ý phương pháp điều khiển hữu ích, mạnh mẽ hiệu để khắc phục thành phần bất định, nhiễu loạn bên ngồi biến thiên tham số khơng thể đốn trước tay máy robot cơng nghiệp Chính vậy, ngày biến thể cải tiến phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp tiếp tục nghiên cứu để nâng cao chất lượng, hiệu hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp Đề xuất thuật toán điều khiển bậc cao cho tay máy robot cơng nghiệp nhằm tính tốn xác tín hiệu điều khiển (mô-men) cần đưa vào khớp, đồng thời đạt chất lượng điều khiển cao: bám theo quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ, bền vững với nhiễu loạn thay đổi tham số, giảm thiểu tượng rung tín hiệu điều khiển Mục đích nhằm có tính ổn định cao Robot công nghiệp hoạt động RESEARCH DESIGN KIT SLIDER CONTROLLER FOR TWO HAND ROBOT INDUSTRIAL Today, with the rapid development speed of science and technology, people are increasingly researching and manufacturing many systems with high complexity and precision Robotic hands play a very important role in industrial automation systems In particular, they are suitable for working in hazardous and hazardous environments where people cannot be present or to perform repetitive, boring and stressful tasks But bring efficiency and high labor productivity The study of industrial robot control algorithms has been carried out by researchers, universities, research institutes and investment companies for decades In particular, the sliding control method has received a lot of attention as a useful, powerful and effective control method to overcome uncertain components, external disturbances and other problems variable unpredictable parameter of industrial robot arms Therefore, today the variations and improvements of the sliding control method applied to industrial robot arms are still being further studied to further improve the quality and efficiency of controlling robot arms industry Proposing a high-level control algorithm for industrial robot arms to more accurately calculate the control signal (torque) to be inserted into the joints, and at the same time achieve high control quality: following the desired trajectory Want to make small errors, sustain the disturbances as well as change the parameters, minimize the vibration of the control signal The purpose is to obtain high stability of Industrial Robot in operation iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG v DANH MỤC CÁC H NH vi MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu .1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn Tổng quan tài liệu nghiên cứu CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu lịch sử phát triển Robot công nghiệp 1.2 Giới thiệu tay máy robot công nghiệp 1.3 Phân loại Robot công nghiệp .6 1.4 Ứng dụng robot công nghiệp 1.5 Một số phương pháp điều khiển tay máy Robot công nghiệp 1.5.1 Điều khiển tính momen 1.5.2 Điều khiển thích nghi 12 1.5.3 Điều khiển trượt .13 1.6 Tổng quan đề tài 14 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ H NH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT 15 2.1 Động học thuận, động học ngược tay máy Robot hai bậc tự 15 2.1.1 Động học thuận tay máy robot 15 2.1.2 Động học ngược tay máy robot bậc tự 23 2.2 Mơ hình động lực học tay máy Robot n bậc tự 25 2.2.1 Giới thiệu động lực học robot 25 2.2.2 Động lực học Lagrange tay máy robot n bậc tự 25 2.2.3 Xây dựng động lực học Robot khâu 26 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC CAO CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP .29 3.1 Thuật toán điều khiển trượt truyền thống áp dụng cho tay máy robot 29 3.2 Lý thuyết thuật toán điều khiển trượt bậc cao 33 iv 3.3 Thuật toán điều khiển trượt bậc cho tay máy robot công nghiệp 35 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 39 4.1 Mô hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp bậc tự hoạt động với thuật toán điều khiển trượt truyền thống theo phương pháp lớp biên (BLM) 39 4.2 Mô hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp bậc tự hoạt động với thuật toán điều khiển trượt bậc (SOSMC – Second order Sliding Mode Control) 52 4.3 So sánh kết hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp bậc tự trường hợp sử dụng thuật toán BLM SOSMC: .59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Bộ thông số DH tay máy robot bậc tự 22 4.1 Các thông số kỹ thuật tay máy robot bậc tự 39 vi DANH MỤC CÁC H NH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Phân loại thiết bị tay máy 1.2 Robot hàn cơng nghệ sản xuất khí 1.3 Robot xếp gạch, Robot gắp lựu đạn 1.4 Robot gắp thuốc nổ, Robot làm việc nhà máy điện hạt nhân, Robot phun sơn 1.5 Sơ đồ khối điều khiển tính mơ men 10 1.6 Sơ đồ khối điều khiển giống tính mơ men 11 2.1 Hệ tọa độ gắn khâu chấp hành cuối 17 2.2 Các vector định vị định hướng bàn tay máy 18 2.3 Chiều dài góc xoắn khâu 19 2.4 Các thông số khâu (q, d, l α) 19 2.5 Định vị định hướng tay máy robot trường hợp tổng quát 20 2.6 Toán đồ chuyển vị tay máy robot trường hợp tổng quát 21 2.7 Tay máy robot bậc tự 22 3.1 Điểm trạng thái nằm yên mặt trượt tiến gốc tọa độ, khơng có tượng chattering 31 3.2 Trong q trình điểm trạng thái tiến gốc tọa độ, xảy tượng chattering 31 3.3 Mặt trượt có lớp biên 32 4.1 Cánh tay máy bậc tự 39 4.2 Mơ hình mơ tồn hệ thống Matlab, Simulink SimMechanics 40 4.3 Mơ phần khí tay máy robot SimMechanics 40 4.4 Khối mô Robot 40 4.5 Khối mơ thuật tốn điều khiển trượt truyền thống 41 4.6 Đồ thị góc quay khớp 41 4.7 Đồ thị góc quay khớp 42 4.8 Tín hiệu điều khiển khớp 42 4.9 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 43 4.10 Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 43 4.11 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 44 vii Số hiệu hình 4.12 4.13 4.14 4.15 Tên hình Mặt trượt s1 Zoom mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering Mặt trượt s2 Zoom mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering Trang 44 45 45 46 4.16 Đồ thị góc quay khớp 46 4.17 Đồ thị góc quay khớp 47 4.18 Tín hiệu điều khiển khớp 47 4.19 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 48 4.20 Tín hiệu điều khiển khớp 48 4.21 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 49 4.22 Mặt trượt s1 49 4.23 4.24 4.25 Zoom mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering Mặt trượt s2 Zoom mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering 50 50 51 4.26 Tín hiệu điều khiển khớp 52 4.27 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 52 4.28 Tín hiệu điều khiển khớp 53 4.29 Zoom tín hiệu điều khiển khớp 53 4.30 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp 54 4.31 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp 54 4.32 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp 55 4.33 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp 55 4.34 Sai số góc quay mong góc quay thực tế khớp 56 4.35 Sai số góc quay mong góc quay thực tế khớp 56 4.36 Mặt trượt S1_SOSMC 57 4.37 Zoom mặt trượt S1_SOSMC 57 4.38 Mặt trượt S2_SOSMC 58 4.39 Zoom mặt trượt S2_SOSMC 58 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 4.40 Sai số momen góc quay khớp 59 4.41 Zoom Sai số momen góc quay khớp 59 4.42 Sai số momen góc quay khớp 60 4.43 Zoom Sai số momen góc quay khớp 60 4.44 So sánh momen khớp 61 4.45 Zoom So sánh momen khớp 61 4.46 So sánh momen khớp 62 4.47 Zoom so sánh momen khớp 62 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận : - Luận văn giải nhiệm vụ đặt đề tài - Luận văn hoàn thành nội dung quan trọng + Xây dựng thuật tốn điều khiển trượt bậc hai + Đã mơ kiểm nghiệm phân tích so sánh hai kết thuật toán điều khiển trượt truyền thống điều khiển trượt bậc hai tay máy Robot hai bậc tự + Kết chất lượng điều khiển Qua nghiên cứu thiết kế thành công việc thiết kế điều khiển trượt bậc cho tay máy Robot công nghiệp hai bậc tự - Ưu điểm: Thuật toán điều khiển trượt bậc cho ta tín hiệu tốt nhiều so với thuật tốn điều khiển trượt bậc - Nhược điểm: Thuật toán điều khiển trượt bậc hai khó d ng thuật toán điều khiển bậc Chỉ nên sử dụng cho thiết bị chất lượng cao + Ta nên nghiên cứu thêm để áp dụng điều khiển trượt bậc vào thực tế cho tay máy robot công nghiệp Việt Nam Hƣớng phát triển : - Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để bổ sung vào thuật tốn điều khiển bậc nhằm bù thành phần bất định Kiểm nghiệm Robot thật DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa Học Kỹ Thuật [2] Nguyễn Doãn Phước (2012), Phân tích điều khiển hệ phi tuyến, NXB Bách Khoa - Hà Nội [3] Phạm Đăng Phước, Giáo trình Robot Cơng Nghiệp Tiếng Anh [4] Claudio Urrea and John Kern (2011), “A New Model for Analog Servo Motors Simulation and Experimental Results”, Canadian Journal on Automation, Control and Intelligent Systems, Vol 2, No 2, March 2011 [5] Kamal, S.; Moreno, J.A.; Chalanga, A.; Bandyopadhyay, B.; Fridman, L.M (2016), “Continuous terminal sliding-mode controller”, Automatica 2016, doi:10.1016/j.automatica.2016.02.001 [6] C Min-Shin, H Yean-Ren, and M Tomizuka (2002), "A state-dependent boundary layer design for sliding mode control," Automatic Control, IEEE Transactions on, vol 47, pp 1677-1681 [7] N Sadati and R Ghadami (2008) "Adaptive multi-model sliding mode control of robotic manipulators using soft computing," Neurocomputing, vol 71, pp 27022710 [8] J.-J E Slotine and W Li (1991), Applied nonlinear control.: New Jersey: Prentice hall [9] J.J E Slotine and W Li (1991), Applied Nonlinear Control, Prentice Hall [10] Tien Dung Le, K Hee-Jun., and S Young-Soo (2012), "A Tracking Controller Using RBFNs for Closed-Chain Robotic Manipulators", Emerging Intelligent Computing Technology and Applications, vol 304, D.-S Huang, P Gupta, X Zhang, and P Premaratne, Eds., ed: Springer Berlin Heidelberg, pp 428-434 [11] Tien Dung Le, Hee-Jun Kang, and Y.-S Suh (2013), "Chattering-Free NeuroSliding Mode Control of 2-DOF Planar Parallel Manipulators," International journal of advanced robotic systems, vol 10 [12] Utkin, V (2016), “Discussion aspects of high-order sliding mode control”, IEEE Transactions on automatic control 2016, 61, 829–833 [13] Van, M.; Mavrovouniotis, M.; Ge, S.S (2018), “An Adaptive Backstepping Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode Control for Robust Fault Tolerant Control of Robot Manipulators”, IEEE Transactions on Systems, Man, and [14] [15] [16] [17] [18] Cybernetics: Systems Vo, A.T.; Kang, H.-J (2018), “An Adaptive Neural Non-Singular Fast-Terminal Sliding-Mode Control for Industrial Robotic Manipulators”, Applied Sciences 2018, 8, 2562 Vo, A.T.; Kang, H (2018), “An Adaptive Terminal Sliding Mode Control for Robot Manipulators with Non-singular Terminal Sliding Surface Variables”, IEEE Access 2018, 1, doi:10.1109/ACCESS.2018.2886222 K D Young, V I Utkin, and U Ozguner (1999), "A control engineer's guide to sliding mode control"m Control Systems Technology, IEEE Transactions on, vol 7, pp 328-342 G Yuzheng and W Peng-Yung (2003), "An adaptive fuzzy sliding mode controller for robotic manipulators," Systems, Man and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, IEEE Transactions on, vol 33, pp 149-159 Zhang, M.; Ma, X.; Song, R.; Rong, X.; Tian, G.; Tian, X.; Li, Y (2018), “Adaptive proportional-derivative sliding mode control law with improved transient performance for underactuated overhead crane systems”, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, 5, 683–690 ... loại điều khiển điều khiển tính momen, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt Vấn đề nghiên cứu thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp nhà nghiên cứu, trường đại học, viện nghiên cứu công. .. pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp tiếp tục nghiên cứu để nâng cao chất lượng, hiệu hoạt động điều khiển tay máy robot cơng nghiệp Đề xuất thuật tốn điều khiển bậc cao cho. .. động điều khiển tay máy robot công nghiệp Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot