Thiết kế bộ điều khiển cho robot song song hai cánh tay

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế điều khiển cho robot song song hai cánh tay em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Trọng Hiếu Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Đặng Trần Bình MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU .6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hệ cánh tay robot song song toán điều khiển 1.2 Ứng dụng robot song song hai cánh tay 1.3 Mục đích phương án điều khiển 11 1.4 Đóng góp đồ án .12 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN .13 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học 13 2.1.1 Mơ hình cánh tay robot 13 2.1.2 Phương trình động lực học hệ 18 2.2 Động học ngược mơ hình hóa đối tượng 21 2.2.1 Động học ngược 21 2.2.2 Mơ hình hóa đối tượng .21 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 3.1 Cơ sở lý thuyết .24 3.2 Thiết kế điều khiển cho đối tượng 26 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 30 4.1 Mô kiểm chứng 30 4.2 Kết mô 33 4.2.1 Khi khơng có nhiễu 33 4.2.2 Khi có nhiễu hình sin 36 KẾT LUẬN .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤ LỤC 40 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình cánh tay robot song song bốn bậc tự [1] Hình 1.2 Robot hai cánh tay phịng nghiệm Hình 1.3 Robot hai cánh tay ứng dụng công nghiệp 10 Hình 1.4 Robot hai cánh tay vận chuyển tải khơng cứng 10 Hình 1.5 Mơ tả chuyển động cánh tay 11 Hình 2.1 Mơ hình robot song song hai cánh tay [2] 13 Hình 2.2 Phân tích lực tác động lên vật [1] .14 Hình 2.3 Lực tác động lên vật xoay vật (5 �0) 15 Hình 4.1 Quĩ đạo mô 30 Hình 4.2 Góc quay khớp .33 Hình 4.3 Sai lệch góc quay khớp 33 Hình 4.4 Góc lệch vật so với trục x 34 Hình 4.5 Chênh lệch góc lệch vật so với trục x 34 Hình 4.6 Moment cấp đến cho khớp 35 Hình 4.7 Lực tác động vào vật hai điều khiển 35 Hình 4.8 Lực tác động vào vật điều khiển trượt với luật tiếp cận hàm mũ 36 Hình 4.9 Chênh lệch góc quay khớp có nhiễu 36 Hình 4.10 Chênh lệch góc lệch vật so với trục x có nhiễu 37 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DAR Dual Arm Robot Robot song song hai cánh tay Lời nói đầu LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay,trong bùng nổ cách mạng công nghiệp 4.0, xu hướng nghiên cứu phát triển robot nhận nhiều quan tâm trường đại học viện nghiên cứu Các robot thiết kế ngày tối ưu, tiết kiệm chi phí ứng dụng rộng rãi đời sống người, công nghiệp nhiều lĩnh vực khác xã hội Robot dần thay người để làm môi trường nguy hiểm hầm mỏ, mơi trường hóa chất độc hại, mơi trường phóng xạ, khơng có ngạc nhiên robot dùng việc vận chuyển uranium nhà máy nhiệt điện, hay xử lý vật liệu nổ… Với hiệu suất tính xác vượt trội so với người, phủ nhận rằng, robot yếu tố quan trọng việc cơng nghiệp hóa, đại hóa nâng cao suất lao động Khơng thế, với phát triển trí tuệ nhân tạo, robot ngày thiết kế có hình dạng, thao tác giống người, đáp ứng cầu cao xã hội Cũng giống người, thao tác robot thực nhờ cánh tay robot Do đó, hầu hết nghiên cứu phát triển robot thường tập trung vào phát triển cánh tay robot Robot song song hai cánh tay (Dual Arm Robot –DAR) có nhiều ưu điểm vượt trội so với dịng robot có cánh tay, ví dụ tải khơng cứng tuyệt đối, robot cánh tay thực vật biến dạng, robot hai cánh tay bảo đảm giữ ngun hình dáng ban đầu vật Tuy nhiên robot hai cánh tay đặt toán phức tạp cần phân tích hệ thống học, tính tốn quỹ đạo cho cánh tay, từ việc xây dựng điều khiển gặp nhiều khó khăn Việc khó khăn điều khiển robot hai cánh tay chủ yếu xuất phát từ điều khiển phân tích lực tương tác hai cánh tay robot với vật qua trình gắp vật di chuyển vật Do vậy, việc điều khiển DAR đặt yêu cầu cao phức tạp Xuất phát từ tốn thực tiễn sống tính phù hợp với chuyên ngành, em định lựa chọn đề tài “Thiết kế điều khiển cho robot song song hai cánh tay” cho đồ án tốt nghiệp Mục đích lựa chọn đề Lời nói đầu tài để em vận dụng tối kiến thức, kỹ có suốt quãng thời gian học tập Mục tiêu thực đồ án xây dựng hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho hệ robot song song bốn bậc tự Đồ án từ khâu mơ hình hóa đối tượng, sau thiết kệ điều khiển mô kiểm chứng kết điều khiển Các nội dung thực thể chương đồ án Chương 1: Khái quát hệ DAR, đưa toán phương án điều khiển Chương 2: Thực mơ hình hóa đối tượng xác định tham số mơ hình Chương 3: Thiết kế điều khiển phù hợp cho Robot Chương 4: Mô phỏng, kiểm chứng kết thực Trong suốt trình nghiên cứu, hồn thiện đồ án, em cịn gặp phải số khó khăn như: tài liệu ứng dụng phương pháp điều khiển trượt, chưa có hội tiếp xúc với hệ thống robot thực tế… Vì vậy, để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Trọng Hiếu TS Nguyễn Tùng Lâm đạo, hướng dẫn tận tình, sát ý kiến đóng góp quý báu bạn nhóm giúp em nhiều q trình nghiên cứu Ngồi em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cung cấp cho em kiến thức cốt lõi vô quý báu suốt năm học vừa qua, tạo điều kiện để em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Hà Nội,ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên Đặng Trần Bình Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong chương này, em trình bày cách tổng quan DAR Phần chương giới thiệu hệ cánh tay Robot song song bao gồm cấu tạo, hình dáng, chức năng, phân tích ưu, nhược điểm, ứng dụng thực tiễn robot Trong phần vào xây dựng phương án điều khiển robot, đóng góp đồ án việc phát triển điều khiển robot 1.1 Hệ cánh tay robot song song toán điều khiển Hệ cánh tay robot song song hệ gồm hai tay máy hoạt động độc lập với Sau trình bay hệ cánh tay robot song song bốn bậc tự do,theo tài liệu [1] Hình 1.1 Mơ hình cánh tay robot song song bốn bậc tự [1] Hệ có bốn cấu chấp hành động khớp tay, tác động momen vào khớp khiến cánh tay robot di chuyển, để di chuyển vật cần điều khiển khớp cánh tay cho chúng đến vị trí mong muốn.Vậy toán đặt phải điều khiển khớp để cho cánh tay mang vật từ vị trí đến vị trí theo quỹ đạo xác định, đồng thời hoạt động tải có khối lượng kích thước khác nhau, momen ngoại lực tác động Như tóm tắt tốn mà cần phải xử lý điều khiển bốn cấu chấp hành cho hai cánh tay bám Chương 1: Tổng quan theo quỹ đạo đặt trước, thuật toán điều khiển phải đáp ứng yêu cầu điều khiển hệ tải hệ thay đổi hệ chịu tác động ngoại lực 1.2 Ứng dụng robot song song hai cánh tay Robot song song hai cánh tay sử dụng rộng rãi nhiêu lĩnh vực, từ nghiên cứu đến cơng nghiệp Do có hai cánh tay làm việc song song độc lập với nên DAR có tính linh hoạt cao nhiều so với robot có cánh tay Thứ vật có kích thước lớn, khối lượng nặng, DAR cần moment robot cánh tay Thứ hai DAR thực thao tác lắp ghép đặc biệt hình 1.2, hình 1.3 Thứ ba DAR vận chuyển chi tiết không cứng mà giữ nguyên hình dáng vật hình 1.4, robot cánh tay khó giữ nguyên hình dáng vật vận chuyển Hình 1.2 Robot hai cánh tay phịng nghiệm Hình 1.3 Robot hai cánh tay ứng dụng công nghiệp Chương 1: Tổng quan Hình 1.4 Robot hai cánh tay vận chuyển tải không cứng Chương 3: Thiết kế điều khiển (3.9) Từ điều kiện (3.6) cho mặt trượt (3.3) Tín hiệu (3.10) Như ta cần chọn cho thỏa mãn điều khiện (3.6) xác định tín hiệu điều khiển cho hệ (3.11) Trong ma trận hắng số dương Như ta có: Như ta xác định : (3.12) 3.2 Thiết kế điều khiển cho đối tượng Để thiết kế điều khiển trượt cho đối tượng, trước hết ta phải xây dựng phương trình hệ dạng : (3.13) Trong đó: vector biến trạng thái hệ mô men điều khiển, mô men điều khiển cho khớp thứ Từ phương trình (2.36) ta biến đổi phương trình tốn học mơ tả đối tượng dạng: Chương 3: Thiết kế điều khiển Đồng tốn học ta có: (3.14) (3.15) Để đơn giản điều khiển sau điều kiện cho phép, ta cần sử dụng mặt trượt dừng (có cấu trúc khơng biến đổi theo thời gian): (3.16) Áp dụng cho điều khiển ta chọn mặt trượt có dạng (3.17) Trong đó: (3.18) Là sai lệch giá trị đặt giá trị hệ Và: (3.19) => si = ei* + i (3.20) Với hệ số mặt trượt dừng s i(x) = Nhiệm vụ điều khiển trượt phải xác định tín hiệu điều khiển để đưa hệ (3.13) tiến mặt trượt (3.16) giữ lại Ta ký hiệu tín hiệu điều khiển cần tìm là: (3.21) Tính theo (3.8) (3.9) ta có: (3.22) Chương 3: Thiết kế điều khiển Thay (3.13) vào (3.22) ta có : (3.23) (3.24) Tín hiệu có tác dụng mặt trượt, cần có tín hiệu kéo mặt trượt Với thiết kế điều khiển trượt (3.12) ta có : (3.25) (3.26) Trong (3.27) Luật điều khiển cho thấy thành phần điều khiển có thành phần khơng liên tục Điều tạo tượng rung hệ Có thể thấy độ rung hệ phụ thuộc vào hệ số [K] Để gian ổn định nhanh hơn, độ ổn định bền vững, bám giá trị đặt giá trị [K] cần tăng lên Tuy nhiên, việc tăng [K] ảnh hưởng trực tiếp đến độ rung Để giải vấn đề phải xóa bỏ phụ thuộc lẫn thời gian ổn định độ rung Theo [6] điều khiển điều khiển trượt với luật tiếp cận theo hàm mũ giải vấn đề Theo [6] ta chọn: (3.28) Trong Ni(s)= (3.29) giá trị xác định dương nhỏ 1, p giá trị nguyên dương α giá trị dương Ta thấy công thức (3.28) không ảnh hưởng đến ổn định hệ N(s) ln dương Từ (3.29) ta thấy tăng, N(s) tiến tới , tiến tới , giá trị lớn [K] Điều có ý nghĩa tăng trình tiến mặt trượt Chương 3: Thiết kế điều khiển hay hệ tiến mặt trượt nhanh Và ngược lại giảm, N(s) tiến tới 1, tiến tới [K] Điều có ý nghĩa hệ mặt trượt giảm đồng nghĩa độ rung giảm Việc chọn s thay sign(s) (3.28) nhằm giảm độ rung hệ Từ ta tính : (3.30) (3.31) Chương 4: Mơ kiểm chứng CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG Trong chương này, mơ hình robot song song hai cánh tay kết hợp điều khiển mô kiểm chứng phần mềm Matlab/Simulink 4.1 Mô kiểm chứng Quĩ đạo mô mô tả theo hình 4.1 sau Quá trình bao gồm ba giai đoạn Giai đoạn di chuyển tay robot để gắp vật, giai đoạn di chuyển vật giữ nguyên hướng giai đoạn cuối di chuyển vật kết hợp xoay vật Hình 4.9 Quĩ đạo mơ Giá trị ban đầu góc: T Tọa độ ban đầu cánh tay: T T Chương 4: Mô kiểm chứng Tọa độ để gắp vật cánh tay: T T Tọa độ cánh tay di chuyển ví trí thứ nhất: T T Tọa độ cánh tay di chuyển ví trí thứ hai kết hợp xoay vật: T T Qua tọa độ vị trí cần di chuyển ta xây dựng quĩ đạo chuyển động cho cánh tay robot Từ giây đến giây 2, robot di chuyển cánh tay để gắp vật với quỹ đạo là: (4.1) Từ giây đến giây 4, Robot gắp vật từ vị trí ban đầu đến vị trí thứ với quỹ đạo là: (4.2) Từ giây đến giây 6, Robot gắp vật từ vị trí thứ đến vị trí thứ hai kết hợp xoay vật với quỹ đạo là: (4.3) Chương 4: Mô kiểm chứng (4.4) (4.5) Chương 4: Mô kiểm chứng 4.2 Kết mơ Mơ hình mơ sử dụng điều khiển trượt điều khiển trượt với luật tiếp cận theo hàm mũ 4.2.1 Khi khơng có nhiễu Khi hệ khơng có nhiễu = ta thu kết mô sau: Hình 4.10 Góc quay khớp Hình 4.11 Sai lệch góc quay khớp Hình 4.12 Góc lệch vật so với trục x Chương 4: Mô kiểm chứng Hình 4.13 Chênh lệch góc lệch vật so với trục x Qua kết mô ta thấy, giá trị góc quay bám giá trị góc đặt Vì tọa độ thực cánh tay bám tọa độ đặt Còn qua hình 4.3 hình 4.5 ta thấy điều khiển trượt điều trượt với luật tiếp cận hàm mũ đưa vật quĩ đạo với sai lệch nhỏ điều khiển trượt giảm rung hệ thống đồng thời lại có sai lệch thấp Qua chứng tỏ ưu điểm điều khiển trượt với luật tiếp cận hàm mũ Hình 4.14 Moment cấp đến cho khớp Chương 4: Mơ kiểm chứng Hình 4.15 Lực tác động vào vật hai điều khiển Ta thấy moment tính từ điều khiển trượt lớn dao động với tần số cao Điều kéo theo lực tác động vào vật lớn dao động Việc lực đặt vào vật lớn gây biến dạng vật, cịn lực tác động dao động làm rung vật khiến vật rời Ngược lại điều khiển trượt với luật tiếp cận hàm mũ có moment nhỏ dao động với tần số thấp nhiều Lực tác động vào vật phù hợp yêu cầu di chuyển vật Qua hình 4.8 ta thấy, từ giây đến giây 4, lực F2 lớn F1 sau nhỏ để di chuyển vật từ trái sang phải, lực ma sát Fsxy1, Fsxy2 bảo đảm để vật không bị xoay theo trục z trượt khỏi cánh tay Từ giây đến giây lực F chủ yếu lớn F1 để đẩy vật di chuyển kết hợp ấn chặt vật trình xoay Lực ma sát F sxy1, Fsxy2 khơng cịn vật xoay theo trục z Hình 4.16 Lực tác động vào vật điều khiển trượt với luật tiếp cận hàm mũ Chương 4: Mô kiểm chứng 4.2.2 Khi có nhiễu hình sin Khi hệ có nhiễu =ta thu kết mơ sau: Hình 4.17 Chênh lệch góc quay khớp có nhiễu Ta thấy dù xuất nhiễu hai điều khiển đảm bảo sai lệch góc quay khớp Vì ảnh hưởng nhiễu nên góc có bị rung với tần số nhiễu nhiên biên độ dao động không đáng kể Chương 4: Mơ kiểm chứng Hình 4.18 Chênh lệch góc lệch vật so với trục x có nhiễu Qua hình 4.5 4.10 ta cịn thấy điều khiển trượt cịn có khả chống nhiễu tốt điều khiển trượt Khi mà chênh lệch điều khiển với luật tiếp cận hàm mũ gần không thay đổi trước ảnh hưởng nhiễu chênh lệch điều khiển lại tăng lên dao động với tần số nhiễu Từ kết mô ta rút kết luận sau: Các điều khiển thiết kế có khả điều khiển robot xác mặt quỹ đạo Tuy nhiên để điều khiển mặt lực cần có điều khiển trượt với luật tiếp cận hàm mũ điều khiển không gây rung, khử nhiễu tốt Bộ điều khiển trượt chiếm ưu lớn với điều khiển trượt lại thiết kế khó khăn việc lập trình nhúng Kết luận KẾT LUẬN Đồ án tốt nghiệp đạt mục tiêu đề thiết kế điều khiển mô kiểm chứng cho hệ robot song song hai cánh tay Những đồ án trình bày: Tìm hiểu tổng quan robot song song hai cánh tay Xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng Thiết kế thành công điều khiển trượt với luật tiếp cận theo hàm mũ Mô hệ thống, so sánh kết đánh giá hiệu điều khiển thiết kế Bên cạnh đó, đồ án tốt nghiệp có số vấn đề chưa giải được: Chưa đo xác lực tương tác vật robot Lực tính dựa theo gia tốc gia tốc góc Lựa chọn thông số cho điều khiển dựa kinh nghiệm người thiết kế, chưa có phương pháp cụ thể Khối lượng tải biết trước, robot chưa có khả cân tải Thuật tốn chưa nhúng vào Robot thực tế Vì vậy, định hướng nghiên cứu đồ án là: Xây dựng điều khiển lực kết hợp ví trị cho Robot Xây dựng phương pháp lựa chọn thông số cho điều khiển Xây dựng phản hồi lực từ xác định khối lượng tải Nhúng thuật toán vào Robot thực tế Do hạn chế kiến thức thời gian thực hiện, đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận nhiều lời đóng góp ý kiến thầy cô bạn cho đồ án em Và mong đề tài em tương lai tiếp tục phát triển để hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Đặng Trần Bình Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nurkan Yagiz, Yuksel Hacioglu and Yunus Ziya Arslan, Load transportation by dual arm robot using sliding mode control, Journal of Mechanical Science and Technology 24 (5) (2010) 1177~1184 [2] Yuksel Hacioglu, Yunus Ziy Arslan, Nurkan Yagiz, MIMO fuzzy sliding mode controlled dual arm robot in load transportation, Journal of Franklin Institute 384 (2011) [3] Le Anh Tuan, Young Hoon Joo*, Le Quoc Tien, Pham Xuan Duong , and Sung Kwan Kim, Adaptive neural network second-order sliding mode control of dual arm robots, International Journal of Control, Automation and Systems VV(N) (YYYY) 1-3, ISSN:1598-6446 eISSN:2005-4092 [4] Nguyễn Mạnh Tiến: Điều khiển robot công nghiệp, NXB Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội, 2007 [5] Nguyễn Doãn Phước, Điều khiển trượt điều khiển trượt bậc cao, Seminar 21.2.2014 [6] Charles Fallaha, Maarouf Saad, Sliding Mode Robot Control with Exponential Reaching Law, IEEE Transactions on industrial electronics March 2010 Phụ lục PHỤ LỤC P.1 Thông số dùng mô Thông số Robot m1= 5kg ; m2= 4kg ; m3= 5kg ; m4= 4kg L1= 0.5m ; L2= 0.4m ; L3= 0.5m ; L4= 0.4m k1= 0.25m ; k2= 0.2m ; k3= 0.25m ; k4= 0.2m I1= 0.1kgm2 ; I2= 0.08kgm2 ; I3= 0.1kgm2 ; I4= 0.08kgm2 b1= 100Nms ; b2= 100Nms ; b3= 100Nms ; b4= 100Nms mload=5 kg d1= 0.2m d2= 0.4m g= 9.8 m/s2 Thông số điều khiển trượt bản: Thông số điều khiển trượt với luật tiếp cận theo hàm mũ: N1(s)= N2(s)= N3(s)= N4(s)= ... phát triển điều khiển robot 1.1 Hệ cánh tay robot song song toán điều khiển Hệ cánh tay robot song song hệ gồm hai tay máy hoạt động độc lập với Sau trình bay hệ cánh tay robot song song bốn bậc... ngoại lực 1.2 Ứng dụng robot song song hai cánh tay Robot song song hai cánh tay sử dụng rộng rãi nhiêu lĩnh vực, từ nghiên cứu đến cơng nghiệp Do có hai cánh tay làm việc song song độc lập với nên... vào phát triển cánh tay robot Robot song song hai cánh tay (Dual Arm Robot –DAR) có nhiều ưu điểm vượt trội so với dòng robot có cánh tay, ví dụ tải không cứng tuyệt đối, robot cánh tay thực vật