Điều khiển đa biến robot scara

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VŨ QUANG HUY ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ NGÀNH : 2.05.01 LUẬN ÁN THẠC SĨ Tp HCM, tháng năm 2003 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA LỜI GIỚI THIỆU Kể từ xuất lần thuật ngữ “Robot” tiếng Anh, năm 1921, phát triển rộng rãi ngày ứng dụng robot, ngành công nghiệp robot đạt thành tựu đáng kể với phong phú chủng loại đa dạng ứng dụng thực tiễn Trong trình phát triển đó, nhà khoa học không ngừng sáng tạo nỗ lực để hoàn thiện kỹ thuật chế tạo kỹ thuật điều khiển robot Kết kỹ thuật ngày tinh vi phức tạp hơn, đáp ứng đòi hỏi ngày cao công nghiệp robot: robot phải làm việc ngày nhanh hơn, xác hơn, với công việc có tính phức tạp mà đảm bảo tính ổn định an toàn Song song với phát triển không ngừng ngành công nghiệp robot phát triển lónh vực điều khiển với lý thuyết phương pháp điều khiển đại không ngừng khám phá xây dựng nhà khoa học ưu tú giới Một phương pháp phương pháp điều khiển mô hình nội đề xuất Garcia Morari vào năm 1985 Đến năm 1987, Morari với Zafiriou hoàn thiện nguyên lý mô hình nội áp dụng cho đối tượng ổn định mở rộng cho đối tượng không ổn định Nhờ vào tính đơn giản hóa trình thiết kế tính hiệu phương pháp mang lại xây dựng điều khiển bền vững mà giành quan tâm nhiều nhà khoa học giới Trang i LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Xuất phát từ ưu điểm trên, tác giả sử dụng phương pháp điều khiển mô hình nội để đề hướng tiếp cận việc thiết kếø robot Scara Bộ điều khiển mô hình nội xây dựng phù hợp với đối tượng điều khiển Sau đó, hệ thống điều khiển dùng mô hình nội khảo sát so sánh tính ổn định bền vững với hệ thống điều khiển thiết kế dựa phương pháp moment tính, phương pháp kiểm chứng thực tiễn áp dụng rộng rãi công nghiệp robot Trang ii LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA ABSTRACT The aim of this thesis is to apply the internal model control approach to a nonlinear plant : a selective compliance assembly robot arm (SCARA) We introduce a control system with two loops The inner loop is based on the manipulator dynamic model The outer loop, which is a linear internal model controller, operates on the tracking error The function of the inner loop is to obtain a linear and decoupled input/output relationship, whereas the task of the outer loop is to track the setpoint and to stabilize the overall system Simulations show that the proposed controller has good performance and robust against variations of the load as well as the friction coefficients Comparison between the proposed method and the computed torque approach was also carried out It is remarkable that the output of the internal model controller is much weaker than the one of the computed torque approach Trang iii LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA MỤC LỤC Lời giới thiệu i Abstract iii Muïc luïc .iv Danh mục hình ix Thuaät ngữ xiv ROBOT 1.1 1.1 Tổng quan robot 1.1 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1 1.1.2 Định nghóa robot 1.2 1.1.3 Phân loại robot 1.3 1.2 Động học tay máy 1.7 1.2.1 Cấu trúc tay máy 1.7 1.2.2 Các toán động học 1.8 1.3 Hệ thống chấp hành 1.9 1.3.1 Cấu trúc hệ thống chấp hành 1.9 1.3.2 Cơ cấu truyền động khí 1.10 1.3.3 Bộ khuyếch đại công suất 1.11 1.3.4 Nguồn cung cấp 1.11 1.3.5 Servomotor 1.12 1.4 Ứng dụng robot công nghieäp 1.14 Trang iv LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO 2.1 2.1 Giới thiệu .2.1 2.2 Hoạch định quỹ đạo không gian khớp nối 2.2 2.2.1 Chuyển động điểm –điểm ( point to point motion) 2.3 2.2.2 Chuyển động theo đường dẫn (path motion) 2.8 2.3 Hoạch định quỹ đạo không gian hoạt động 2.13 2.4 Phạm vi động học quỹ đạo 2.13 ĐIỀU KHIỂN DÙNG MOMENT TÍNH 3.1 3.1 Khái niệm 3.1 3.2 Bài toán chuyển ñoäng 3.2 3.2.1 Động học thuận động học ngược 3.3 3.2.2 Điều khiển không gian hoạt động 3.3 3.2.3 Điều khiển không gian khớp 3.4 3.3 Điều khiển không gian khớp 3.5 3.3.1 Điều khiển phân tán điều khiển tập trung 3.5 3.3.2 Điều khiển PD bù trọng lực 3.6 3.3.3 Điều khiển dùng moment tính 3.7 3.3.4 Bền vững hóa điều khiển dùng moment tính 3.10 3.4 Điều khiển không gian hoạt động 3.14 3.4.1 Các dạng sơ đồ chung 3.14 3.4.2 Điều khiển PD bù trọng lực 3.16 3.4.3 Điều khiển động lực học ngược 3.17 ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH NỘI 4.1 Trang v LUAÄN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA A HEÄ SISO 4.1 4.1 Giới thiệu 4.1 4.2 Cơ sở lý thuyết 4.2 4.2.1 Định nghóa 4.2 4.2.2 Cơ sở toán điều khiển 4.3 4.2.3 Ổn định nội 4.5 4.2.4 Chất lượng danh định 4.6 4.2.5 Ổn định bền vững 4.7 4.2.6 Chất lượng bền vững 4.7 4.3 Caáu trúc hệ thống điều khiển IMC 4.10 4.3.1 Cấu trúc IMC 4.10 4.3.2 Điều kiện ổn định nội 4.11 4.3.3 Chất lượng điều khieån 4.14 4.4 Thiết kế điều khiển IMC 4.15 4.4.1 Chất lượng danh định 4.15 4.4.2 Bộ lọc IMC 4.16 4.4.3 Ổn định bền vững 4.18 4.4.4 Chất lượng bền vững 4.19 B HEÄ MIMO 4.20 4.5 Cơ sở lý thuyết hệ MIMO 4.20 4.5.1 Định nghóa lý thuyết 4.20 4.5.2 Hồi tiếp kinh điển 4.23 4.6 Bền vững ổn định bền vững vềchất lượng 4.27 Trang vi LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA 4.6.1 Ổn định bền vững 4.27 4.6.2 Chất lượng bền vững 4.31 4.7 Thiết kế điều khiển IMC 4.32 4.7.1 Cấu trúc IMC 4.32 4.7.2 Điều kiện ổn định IMC 4.33 4.7.3 Quy trình thiết kế điều khiển IMC 4.34 MÔ PHỎNG 5.1 5.1 Đối tượng điều khiển 5.1 5.1.1 Robot Scara 5.1 5.1.2 Mô hình động học robot 5.2 5.1.3 Hệ phương trình biến trạng thái mô taû robot 5.3 5.1.4 Quỹ đạo đầu mút cánh tay robot 5.4 5.1.5 Đặc điểm robot 5.6 5.1.6 Sơ đồ robot mô 5.7 5.2 Bộ điều khiển Moment tính 5.8 5.2.1 Cấu trúc điều khiển moment tính 5.8 5.2.2 Sơ đồ điều khiển moment tính mô 5.10 5.3 Bộ điều khiển Mô hình nội 5.12 5.3.1 Cấu trúc điều khiển mô hình nội 5.12 5.3.2 Điều kiện ổn định bền vững 5.15 5.3.3 Sơ đồ điều khiển mô hình nội mô 5.17 5.4 Liên hệ moment điện áp động 5.19 5.5 Quỹ đạo điều khiển 5.22 Trang vii LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA 5.5.1 Tối ưu hóa quỹ đạo dịch chuyển 5.22 5.5.2 Quỹ đạo dịch chuyển điểm –điểm (Point to Point) 5.23 5.5.3 Quỹ đạo hoa văn 5.23 5.6 Kết mô 5.26 5.6.1 Đáp ứng hệ thống danh định 5.26 5.6.2 Tính bền vững thay đổi tải trọng 5.35 5.6.3 Tính bền vững thay đổi ma sát 5.44 5.6.4 Ả nh hưởng nhiễu 5.50 Kết Luận 5.52 Tài liệu tham khảo -1Phuï luïc Phụ lục A Ảnh hưởng thay đổi thời gian đáp ứng A.1 Phụ lục B Ảnh hưởng thay đổi thời lọc B.1 Phụ lục C Ảnh hưởng thay đổi giới hạn moment C.1 Phụ lục D Ảnh hưởng tín hiệu điều khiển điện áp D.1 Trang viii LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phân loại robot 1.4 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot 1.9 Hình 1.3 DC - Driver 1.12 Hình 1.4 Một số loại động 1.14 Hình 1.5 Robot hãng FANUC 1.15 Hình 1.6 Robot nhà máy sản xuất 1.15 Hình 1.7 Robot Scara hãng MASSUSHITA 1.16 Hình 1.8 Robot đa 1.17 Hình 1.9 Một số robot dùng thám hiểm không gian 1.18 Hình 1.10 Robot Asimo P3 hãng Honda 1.19 Hình 2.1 Quỹ đạo với quy luật hình thang 2.5 Hình 2.2 Quỹ đạo với điểm chốt đa thức nội suy 2.9 Hình 2.3 Vị trí, vận tốc gia tốc với luật điều khiển tuyến tính kết hợp đa thức bậc hai 2.12 Hình 2.4 Phạm vi động học số robot 2.14 Hình 2.5 Không gian làm việc robot Scara (hãng Masshushita) 2.15 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển theo không gian hoạt động robot 3.4 Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển theo không gian khớp nối robot 3.4 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển PD bù trọng lực 3.9 Trang ix LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Thời gian đáp ứng =24 s Thời gian đáp ứng =48 s Thời gian đáp ứng =72 s Thời gian đáp ứng =96 s PHỤ LỤC A Trang A.2 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Hình A.1 Quỹ đạo hoa ¾ Khi thời gian đáp ứng tăng, chất lượng tín hiệu tăng quãng đường dịch chuyển không đổi thời gian đáp ứng tăng dẫn đến tốc độ đáp ứng giảm dẫn đến tín hiệu theo kịp tín hiệu đặt Quỹ đạo hoa Thời gian đáp ứng =24 s PHỤ LỤC A Thời gian đáp ứng =48 s Trang A.3 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Thời gian đáp ứng =72 s Thời gian đáp ứng =96 s Thời gian đáp ứng =24 s Thời gian đáp ứng =48 s Thời gian đáp ứng =72 s Thời gian đáp ứng =96 s PHỤ LỤC A Trang A.4 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Hình A.2 Quỹ đạo hoa ¾ Số cánh hoa tăng lên nhiều so với quỹ đạo hoa Với thời gian đáp ứng nhỏ tín hiệu bị biến dạng so với tín hiệu đặt ¾ Tín hiệu vào (moment) giảm thời gian đáp ứng tăng PHỤ LỤC A Trang A.5 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA PHỤ LỤC B Ảnh hưởng thay đổi thời lọc Thời lọc thay đổi giá trị sau λ1 = 0.1 λ = 0.1 λ1 = 0.2 λ2 = 0.2 λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 để khảo sát ảnh hưởng lọc thông thấp điều khiển mô hình nội ảnh hưởng đến tín hiệu vào hệ thống điều khiển Đáp ứng bước: λ1 = 0.1 λ = 0.1 PHỤ LUÏC B λ1 = 0.2 λ2 = 0.2 Trang B.1 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 Hình B.1 Đáp ứng bước ¾ Khi thời lọc tăng đáp ứng hệ thống chậm lại Tuy nhiên, tăng thời lọc để tăng đáp ứng dẫn đến phải tăng moment tín hiệu vào Chuyển động điểm-điểm λ1 = 0.1 λ = 0.1 λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 Hình B.2 Chuyển động điểm -điểm PHỤ LỤC B Trang B.2 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa λ1 = 0.1 λ = 0.1 λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 Hình B.3 Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa λ1 = 0.1 λ = 0.1 λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 Hình B.4 Quỹ đạo hoa PHỤ LỤC B Trang B.3 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Quỹ đạo hoa λ1 = 0.1 λ = 0.1 λ1 = 0.4 λ2 = 0.4 λ1 = 0.6 λ2 = 0.6 Hình B.5 Quỹ đạo hoa ¾ Từ kết mô phỏng, thời lọc nhỏ, đáp ứng tín hiệu tốt Tuy nhiên, điều dẫn đến tăng tín hiệu vào (moment) ¾ Việc chọn lựa thời lọc cách hợp lý phụ thuộc vào đáp ứng hệ thống khí, tuỳ theo yêu cầu thiết kế PHỤ LỤC B Trang B.4 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA PHỤ LỤC C Ảnh hưởng thay đổi giới hạn moment Quá trình khảo sát dựa thay đổi giới hạn (bão hòa) tín hiệu vào (moment) để xem xét mức độ ảnh hưởng giới hạn moment đến đáp ứng tín hiệu Đáp ứng bước T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N Hình C.1 Đáp ứng bước ¾ Khi thay đổi giới hạn moment (tín hiệu vào): T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m vaø T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m , đáp ứng hệ thống mô hình nội với giới hạn moment nhỏ có tín hiệu vào bị bão hòa phần nên đáp ứng chậm so với trường hợp có giới hạn moment lớn PHỤ LỤC C Trang C.1 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Chuyển động điểm – điểm Tín hiệu đặt tín hiệu dịch chuyển đầu mút cánh tay robot từ điểm A đến điểm B ngược lại theo quy tắc gia tốc hình thang T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m Hình C.2 Chuyển động điểm-điểm ¾ Trong hai trường hợp , tín hiệu vào cánh tay thứ không bị bão hòa nên tín hiệu giống bám theo tín hiệu đặt với sai số nhỏ Trong PHỤ LỤC C Trang C.2 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA với cánh tay thứ hai tín hiệu vào trường hợp giới hạn moment nhỏ hơn, bị bão hòa nên tín hiệu có sai số lớn so với trường hợp tín hiệu vào có giới hạn moment lớn Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m Quỹ đạo hoa T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m PHUÏ LUÏC C T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m Trang C.3 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Quỹ đạo hoa T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m Hình C.3 Quỹ đạo hoa ¾ Từ kết mô với tín hiệu đặt cánh hoa với độ phức tạp tăng dần, Ứng với trường hợp có giới hạn moment nhỏ (T1ma x= 10 N.m , T2max = N.m) chất lượng tín hiệu nhiều so với trường hợp có giới hạn moment lớn (T1ma x= 20 N.m , T2max = 15 N.m) ¾ Độ bão hòa lớn chứng tỏ khả đáp ứng tín hiệu bám theo tín hiệu đặt thấp PHỤ LỤC C Trang C.4 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA PHỤ LỤC D Ảnh hưởng tín hiệu điều khiển điện áp Chuyển động điểm-điểm Hình D.1 Chuyển động điểm-điểm PHỤ LỤC D Trang D.1 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa Quỹ đạo hoa PHỤ LỤC D Trang D.2 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA Hình D.2 Quỹ đạo hoa ¾ Chất lượng tín hiệu với tín hiệu điều khiển điện áp có chất lượng tương đương điều khiển moment (dòng điện ) PHỤ LỤC D Trang D.3 ... ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA • Robot khớp lề: Ba bậc chuyển động gồm ba trục quay Hình 1.1 Phân loại robot + Phân loại theo điều khiển : có hai kiểu điều khiển • Điều khiển hở :... thấp • Điều khiển kín (điều khiển servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm điều khiển theo đường Đối với điều khiển. .. CHƯƠNG : Robot SCARA - Một nhiều tay máy điều khiển đồng Trang 1.5 LUẬN ÁN CAO HỌC ĐIỀU KHIỂN ĐA BIẾN ROBOT SCARA thời: + Có nguồn dẫn động điều khiển riêng + Có nguồn dẫn động chung điều khiển