Trong luận văn này vấn đề phân tích động học động lực học và thiết kế thuật toán điều khiển đồng bộ cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3 RRR Revolute – Revolute – Revolute được trình bày Trước hết mô hình động học ngược và động học thuận của tay máy robot 3 RRR được xây dựng dựa vào phương pháp hình học Đó là mô hình thể hiện mối quan hệ giữa khớp chủ động và vị trí trên hệ tọa độ Descartes góc xoay của khâu chấp hành cuối Các ma trận suy ra từ động học chính là các ma trận Jacobian và sau đó ứng dụng các ma trận này vào tìm các cấu hình kỳ dị đồng thời phục vụ cho việc tính toán động lực học Mô hình động lực học này sẽ được sử dụng trong thuật toán điều khiển tính toán lực Luận văn đưa ra hai phương pháp điều khiển đó là điều khiển tính mô men truyền thống và điều khiển tính mô men đồng bộ Trong thuật toán điều khiển tính mô men truyền thống hệ thống sẽ có sai số nhiều do các sai số của mô hình và nhiễu ngoại lực tác động trong khi các tham số của bộ điều khiển không thể thay đổi tự động Thuật toán điều khiển đồng bộ sẽ sử dụng các sai số đồng bộ sai số đồng bộ chéo ứng dụng vào thuật toán điều khiển tính toán lực để nâng cao chất lượng điều khiển Các kết quả được kiểm chứng trên Matlab Simulink kết hợp SolidWorks nhằm phục vụ cho việc thiết kế kích thước quỹ đạo chuyển động phân tích không gian làm việc loại trừ các cấu hình kỳ dị tính mô hình động lực học và điều khiển của tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG TẤN QUỐC THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG TẤN QUỐC THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ TIẾN DŨNG Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Dương Tấn Quốc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, KHƠNG GIAN LÀM VIỆC VÀ CÁC CẤU HÌNH KỲ DỊ CỦA TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG 3-RRR 1.1 MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC 1.1.1 Động học thuận 1.1.2 Động học ngƣợc 1.2 CÁC MA TRẬN JACOBIAN 1.3 CÁC CẤU HÌNH KỲ DỊ 1.3.1 Cấu hình kỳ dị loại 10 1.3.2 Cấu hình kỳ dị loại 10 1.3.3 Cấu hình kỳ dị loại 11 1.4 KHÔNG GIAN LÀM VIỆC LOẠI TRỪ ĐIỂM KỲ DỊ .12 CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC 16 2.1 PHƢƠNG TRÌNH LAGRANGE 16 2.2 MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC .19 CHƯƠNG THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ 22 3.1 ĐIỀU KHIỂN PID TRUYỀN THỐNG 22 3.2 ĐIỀU KHIỂN TÍNH MƠ MEN TRUYỀN THỐNG .22 3.2.1 Điều khiển tính mơ men truyền thống 22 3.2.2 Kết hợp Matlab SolidWorks mô 24 3.2.3 Mô với quỹ đạo đƣờng thẳng 26 3.2.4 Mơ với quỹ đạo hình trịn 29 3.3 ĐIỀU KHIỂN TÍNH MƠ MEN ĐỒNG BỘ 31 3.3.1 Sai số đồng 32 3.3.2 Sai số đồng chéo 32 3.3.3 Kỹ thuật thiết kế điều khiển đồng 33 3.3.4 Mô với quỹ đạo đƣờng thẳng 34 3.3.5 Mơ với quỹ đạo hình trịn 36 3.4 MÔ PHỎNG SO SÁNH KẾT QUẢ 37 3.4.1 Mô so sánh kết với quỹ đạo đƣờng thẳng 37 3.4.2 Mô so sánh kết với quỹ đạo hình trịn .40 3.5 SAI SỐ RMSE 42 3.6 NHẬN XÉT 43 KẾT LUẬN 45 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO Học viên: Dƣơng Tấn Quốc Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 Khóa: K31TĐH Trƣờng Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong luận văn này, vấn đề phân tích động học, động lực học thiết kế thuật toán điều khiển đồng cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự 3-RRR (Revolute – Revolute – Revolute) đƣợc trình bày Trƣớc hết, mơ hình động học ngƣợc động học thuận tay máy robot 3RRR đƣợc xây dựng dựa vào phƣơng pháp hình học Đó mơ hình thể mối quan hệ khớp chủ động vị trí hệ tọa độ Descartes, góc xoay khâu chấp hành cuối Các ma trận suy từ động học ma trận Jacobian, sau ứng dụng ma trận vào tìm cấu hình kỳ dị đồng thời phục vụ cho việc tính tốn động lực học Mơ hình động lực học đƣợc sử dụng thuật tốn điều khiển tính tốn lực Luận văn đƣa hai phƣơng pháp điều khiển điều khiển tính mơ men truyền thống điều khiển tính mơ men đồng Trong thuật tốn điều khiển tính mơ men truyền thống, hệ thống có sai số nhiều sai số mơ hình nhiễu ngoại lực tác động tham số điều khiển thay đổi tự động Thuật toán điều khiển đồng sử dụng sai số đồng bộ, sai số đồng chéo, ứng dụng vào thuật tốn điều khiển tính tốn lực để nâng cao chất lƣợng điều khiển Các kết đƣợc kiểm chứng Matlab/Simulink kết hợp SolidWorks nhằm phục vụ cho việc thiết kế kích thƣớc, quỹ đạo chuyển động, phân tích khơng gian làm việc loại trừ cấu hình kỳ dị, tính mơ hình động lực học điều khiển tay máy robot song song phẳng ba bậc tự Từ khóa - Tay máy robot song song phẳng; Cấu hình kỳ dị; Động học thuận; Động học ngƣợc; Điều khiển đồng DESIGN SYNCHRONIZED CONTROLLER FOR DEGREE-OF-FREEDOM PLANAR PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS Abstract – In this thesis, the problems of kinematics, dynamic model and synchronous control of degree-of-freedom planar parallel robotic manipulators 3-RRR (Revolute – Revolute – Revolute) are presented Firstly, the inverse kinematics and forward kinematics of the robot 3-RRR are analyzed based on geometric method These models demonstrate the relationship of the active joint coordinates and end-effector Cartesian coordinates, and the angle of the end-effector The matrices which derived from kinematic models are called Jacobian matrices which are applied to find out singularity configurations and to calculate the dynamic model of the robot This dynamic model is used in computed torque control algorithm The thesis also introduces two control methods for the robot, they are conventional computed torque control algorithm and synchronized control algorithm The conventional computed torque control algorithm has bigger error because of the modeling errors, uncertainties, and the parameters variation of the robot On the contrary, the synchronized control algorithm which uses the synchronized error and cross-coupling error, bring about the better control performance in comparison to the traditional control method The results of this thesis are verified by simulation using Matlab/Simulink combined with SolidWorks, which are helpful for designing dimension, planning trajectory, analyzing of singularity avoidance, modeling and designing control algorithm for the robot manipulators Key words - Planar parallel robotic manipulators; Singularity; Forward kinematics; Inverse kinematics; Synchronized control DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Ma trận xác định dƣơng có kích thƣớc 3x3 Sai số đồng Véc tơ lực tác động lên tay máy robot 3-RRR Véc tơ lực tác động lên khớp chủ động Véc tơ lực tác động lên khớp bị động Véc tơ lực tác động lên khớp chủ động bị động Véc tơ lực tác động lên khâu chấp hành cuối Góc xoay khâu chấp hành cuối (0) Góc ban đầu thứ tay máy robot (rad) Ma trận Coriolis lực hƣớng tâm theo góc chủ động Ma trận Coriolis lực hƣớng tâm tổng quát Lực nhiễu Sai số giá trị góc mong muốn góc thực (m) Sai số đồng chéo (m) Sai số góc (0) Sai số theo trục x hệ tọa độ Descartes (m) Sai số theo trục y hệ tọa độ Descartes (m) Sai số RMSE theo tọa độ x y (m) Sai số RMSE góc (0 ) Véc tơ lực ma sát Ma trận đơn vị Động (J) Ma trận đƣờng chéo chứa giá trị điều khiển D Ma trận đƣờng chéo chứa giá trị điều khiển P Hàm Lagrange Chiều dài thứ (m) Khối lƣợng (kg) Khối lƣợng (kg) Khối lƣợng khâu chấp hành cuối (kg) Số lƣợng giá trị lấy mẫu Mô men qn tính (kg.m2) Mơ men qn tính (kg.m2) Mơ men qn tính khâu chấp hành cuối (kg.m2) Ma trận qn tính theo góc chủ động Ma trận quán tính tổng quát Thế (J) Véc tơ góc khớp khâu chấp hành cuối (rad) Góc chủ động (rad) Góc chủ động mong muốn (rad) Góc bị động (rad) Ma trận góc vận tốc góc chủ động Véc tơ tọa độ góc xoay khâu chấp hành cuối CÁC CHỮ VIẾT TẮT: CTC DH P PD PID R RMSE SISO Computed Torque Control Denavit & Hartenberg Prismatic Proportional-Derivative Proportional-Integral-Derivative Revolute Root Mean Square Error Single-Input/Single-Output DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 3.1 Tổng hợp kết sai số 3.2 Tổng hợp kết sai số Tên bảng Trang 43 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Tên hình vẽ Trang Các loại tay máy robot song song phẳng ba bậc tự Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự 3-RRR Cấu hình kỳ dị loại bị căng Cấu hình kỳ dị loại bị gập Cấu hình kỳ dị loại cắt điểm Cấu hình kỳ dị loại song song Cấu hình kỳ dị loại vừa bị căng vừa cắt điểm Cấu hình kỳ dị loại vừa bị căng vừa song song Không gian làm việc Không gian làm việc Không gian làm việc Không gian làm việc Tay máy robot song song phẳng 3-RRR Mơ hình tƣơng đƣơng 3-RRR Mơ hình điều khiển CTC Mơ hình tay máy robot 3-RRR vẽ SolidWorks Mơ hình động truyền động tay máy robot 3-RRR vẽ SolidWorks Mơ hình khâu chấp hành cuối tay máy robot 3-RRR vẽ SolidWorks Mơ hình Assembly SolidWorks nhìn từ xuống Mơ hình Assembly SolidWorks nhìn nghiêng Mơ hình Matlab/Simulink tay máy robot song song phẳng 3-RRR Không gian làm việc loại trừ điểm kỳ dị với quỹ đạo đƣờng thẳng Quỹ đạo điều khiển CTC với quỹ đạo đƣờng thẳng Sai số theo trục x trục y điều khiển CTC với quỹ đạo đƣờng thẳng Sai số góc điều khiển CTC với quỹ đạo đƣờng thẳng Không gian làm việc loại trừ điểm kỳ dị với quỹ đạo hình trịn 10 10 11 11 11 12 13 13 14 14 16 17 23 24 24 24 25 25 26 27 27 28 28 29 ... robot song song phẳng nói chung tay máy robot song song phẳng ba bậc tự nói riêng dựa phƣơng pháp điều khiển đồng - Góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển tay máy robot song song phẳng ba bậc tự. .. TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO Học viên: Dƣơng Tấn Quốc Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16... ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG TẤN QUỐC THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 60.52.02.16 LUẬN VĂN