Giáo trình Tay máy robot công nghiệp: Phần 2 - Trường ĐH Công nghiệp TP.HCM

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Tay máy robot công nghiệp: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Ngôn ngữ lập trình robot; Mô phỏng robot trên máy tính (robot simulation); Động lực học robot; Thiết kế quỹ đạo robot (trajactory planning); Truyền động và điều khiển robot.

86 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT Sau học xong này, học viên có thể:  Khảo sát phương pháp điều khiển robot công nghiệp;  Khảo sát cơng cụ lập trình robot cơng nghiệp;  Lập trình điều khiển robot TERGAN-45 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT Lập trình điều khiển robot thể mối quan hệ người điều khiển robot cơng nghiệp Tính phức tạp việc lập trình ngày tăng ứng dụng cơng nghiệp địi hỏi sử dụng đồng thời nhiều robot với mát tự động khả lập trình khác tạo nên hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Robot khác với máy tự động cố định tính “linh hoạt”, nghĩa lập trình (Programmable : khả lập trình) Khơng có chuyển động robot mà việc sử dụng cảm biến thông tin quan hệ với máy tự động khác phân xưởng lập trình.Robot dễ dàng thích nghi với thay đổi nhiệm vụ sản xuất cách thay đổi chương trình điều khiển Khi xem xét vấn đề lập trình cho robot, nên nhớ robot thành phần trình tự động hóa Thuật ngữ, workcell dùng để mô tả tập hợp thiết bị mà bao gồm nhiều robot, hệ thống băn chuyền, cấu cấp phôi đồ gá.Ở mức cao hơn, Workcell liên kết mạng lưới phân xưởng máy tính điều khiển trung tâm điều khiển tồn hoạt động phân xưởng Vì vậy, việc lập trình điều khiển robot thực sản xuất cần phải xem xét mối quan hệ rộng Để bước đầu làm quen với việc lập trình điều khiển robot, giới thiệu tóm tắt phương pháp lập trình điều khiển robot TERGAN-45 thơng qua ngơn ngữ ASPECT phần mềm Procomm Plus for Window BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT 87 5.2 CÁC MỨC LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT Người sử dụng có nhiều kiểu giao diện lập trình điều khiển robot Trước phát triển nhanh chóng loại máy vi tính dùng cơng nghiệp ngơn ngữ lập trình ngàu có nhiều tiện ích cao, việc lập trình điều khiển robot ngày dễ dàng thuận tiện - Lập trình kiểu “huấn luyện – thực thi” Các robot hệ lập trình phương pháp mà gọi : dạy dẫn (Teach by showing), robot điều khiển để di chuyển đến điểm mông muốn vị trí ghi lại nhớ máy tính, sau liệu đọc robot thực lại động tác học Để dạy robot, người sử dụng hướng dẫn robot tay thơng qua thiết bị dạy học gọi Teach pendant Thiết bi dạy học gồm hộp nhỏ cầm tay (teach box) có nút bấm card điều khiển mà cho phép điều khiển khớp robot đạt giá trị mong muốn - Dùng ngơn ngữ lập trình Cùng với q trình phát triển ngày rẻ mạnh máy tính, chương trình điều khiển robot phát triển theo hướng viết chương trình ngơn ngữ lập trình máy tính Thường ngơn ngữ lập trình có đặc điểm mà ứng dụng để viết phần mềm hay chương trình điều khiển robot, chúng gọi “ngôn ngữ lập trình robot” Hầu hết hệ thống điều khiển dùng ngơn ngữ lập trình robot trì kiểu giao diện Teach pendant(dạy-học) Ngơn ngữ lập trình robot có nhiều dạng khác Chúng ta phân chúng thành ba loại sau : a) Ngôn ngữ robot chuyên dùng: ngơn ngữ lập trình robot xây dựng cách tạo ngơn ngữ hồn tồn Cú pháp (Syntax) ngữ nghĩa (Semantics) ngôn ngữ cần phải đơn giản người lập trình cho ứng dụng công nghiệp chun gia lập trình.Ví dụ ngơn ngữ VAL (VAL 2) dùng để điều khiển robot công nghiệp hãng Unimation ( Hoa kỳ); ngôn ngữ robot chuyen dùng khác gọi AL xây dựng Đại học Stanford (hoa kỳ) 88 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT b) Tạo thư viện robot cho ngơn ngữ lập trình cấp cao có sẵn: Những ngơn ngữ lập trình robot xây dựng cách dựa ngơn ngữ lập trình cấp cao thơng dụng (ví dụ Pascal) thêm vào thư vieecnj thủ tục hàm đặc biệt dùng cho robot Khi viết chương trình Pascal để điều khiển robot, người sử dụng gọi hàm thủ tục định nghĩa trước thư viện để xử lý nội dung có liên quan đến việc tính tồn điều khiển robot Ví dụ PASRO (Pascal for Robot) thư viện dùng cho lập trình robot, cung cấp nhieuf thủ tục hàm đặc biệt để tính tốn điều khiển robot dùng môi trường ngôn ngữ Turbo Pascal PASRO/C phát triển PASRO, viết sở ngôn ngữ Turbo C c) Tạo thư viện robot cho ngôn ngữ phần mềm đa dụng (Robot library for a new general – purpose language) : Những ngơn ngữ lập trình robot xây dựng cách sử dụng ngôn ngữ phần mềm dùng chung cho nhiều mục đích chương trình bản, sau cung cấp thêm thư việc chứa thủ tục đặc biệt dùng cho robot Ví dụ ngơn ngữ lập trình robot AML hãng IBM RISe hãng Silma, ngôn ngữ Aspect phần mềm Procomm Plus… - Ngơn ngữ lập trình theo programming language) nhiệm vụ (Task – level Mức thử ba phương pháp lập trình robot tạo ngơn ngữ lập trình theo nhiệm vụ Những ngôn ngữ cho phép nguowcsf sử dụng lệnh để robot thực công việc mong muốn cách trục tiếp mà không cần xác định chi tiết hoạt động robot ngơn ngữ lập trình thơng thường Một hệ thống lập trình robot theo nhiệm vụ phải có khả thể nhiều cơng việc cách tự động Chẳng hạn, thị “Grasp the bolt”(cầm lấy bulong) tạo ra, hệ thống phải vạch quĩ đạo tay máy mà tránh va chạm với chướng ngại vật chung quanh, chọn vị trí tốt để cầm lấy bulong cách tự động Ngược lại, ngơn ngữ lập trình robot thơng thường tất lựa chọn phải thực người lập trình Trong thực tế, ngơn ngữ lập trình theo nhiệm vụ chưa dùng sản xuất, lĩnh vực nghiên cứu BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT 89 Sau ta nghiên cứu phần mềm đa dụng dùng truyền liệu điều khiển thiết bị dùng để điều khiển robot 5.3 GIỚI THIỆU TÓM TẮT PHẦN MỀM PROCCOMM PLUS FOR WINDOWS Procomm Plus phần mềm dùng để truyền liệu điều khiển trực tiếp thiết bị qua cổng COM máy tính cá nhân Với Procomm Plus ta sử dụng máy tính Terminal thực Scrip files viết ngơn ngữ lập trình Aspect Để chạy phần mềm Procomm Plus chế độ Terminal ta dùng số cách sau : a) Sử dụng Desktop Windows : Ấn đúp chuột biểu tượng Procomm Plus terminal Windows b) Từ mục Run Start Windows, gõ lệnh : pw3, chọn OK c) Vào Start Windows, chọn Programs, chọn Procomm Plus 3, chọn Data Terminal… Menu Procomm Plus có nhiều tiện ích, thuận tiện điều khiển thiết bị giao diện với máy tính kiểu RS232 Cửa sổ phần mềm Procomm Plus chết độ Terminal hình 5.1 90 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT Menu : Cung cấp tiện ích cần thiết q trình sử dụng, menu có menu kéo xuống (Pulldown) tương tự nhiều phần mềm thông dụng khác Nội dung Menu thay đổi theo mục đích sử dụng Một số nội dung menu dùng q trình điều khiển robot sau : Menu Setup : Dùng để xác định cấu hình Terminal Windows chế độ giao diện máy tính với thiết bị Trong menu cịn sử dụng Action Bars để chọn file chứa nội dung công cụ cho thể hình Menu Data : Trong menu ta dùng menu sau : - Clear screen (Alt +C): Xóa hình nhập xuất liệu; - Reset terminal (Alt+U): Xóa hình đẹm (buffer) Procomm Menu Scripts: Trong menu ta dùng menu sau : BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT - 91 Start scrips (Alt+.) : Thực Aspect scrips file, có tên thể cơng cụ - Run…(Alt+F5): Mở hộp hội thoại Run ASPECT file, chọn tên file, thực việc dịch file nguồn trước chạy chương trình - Compile/Edit…(Alt+F3): Mở hộp hội thoại soạn thảo dịch file nguồn - Start recorder…: bắt đầu tự động tạo scrips file cách ghi lại tất lệnh thể hình (nhập từ bàn phím) Khi chọn mục xuất mục Stop recorder, dùng muốn kết thúc việc ghi tự động scrips file Có thể chọn mục công cụ cách ấn chuột vào biểu tượng Menu Tools : Trong menu ta dùng menu sau : - Action bar Edition : Dùng để soạn thảo hay thay đổi nội dung công cụ cho phù hợp với mục đích sử dụng - Aspect Editor : Mở cửa sổ để soạn thảo script files ngôn ngữ Aspect, tạo mới, xem sửa đổi nội dung file (dạng Text) - Dialog Editor : Mở cửa sổ soạn thảo hộp hội thoại, cho phép ta tạo hộp hội thoại phương pháp trực quan (Visual) Thanh công cụ (Tool bar) : có nhiều Icon (biểu tượng) giúp người sử dụng thực nhanh cơng việc cách bấm chuột biểu tượng tương ứng, thay phải vào Menu Nội dung cơng cụ thay đổi dễ dàng phù hợp với mục đích sử dụng ( mụcAction bar Edition) Cửa sổ nhập – xuất liệu : phần hình để người sử dụng nhập vào liệu, lệnh điều khiển thể thông báo trả từ thiết bị điều khiển Meta Keys : Dùng để cài đặt sẵn ứng dụng thường hay thực Nội dung Meta Keys thay đổi để phù hợp với mục đích sử dụng Khi 92 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT muốn thực cơng việc gán cho Meta Key cần ấn chuột vào Meta key Muốn soạn thao hay thay đổi nhiệm vụ Meta Keys ta thực sau : Cách : Ấn phím ALT+M Cách : Chọn mục Meta Keys Editor từ Tool menu Dòng chọn nhanh kiểu giao diện: Cho phép người sử dụng chọn nhanh kiểu thông số giao diện thiết bị điều khiển máy tính như: cổng giao diện, tốc độ truyền thơng tin, kiểu xử lý liệu… cách ấn nút chuột trái lên mục 5.4 NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ASPECT TRONG PROCOMM - Giới thiệu Một ASPECT script file file dạng text tạo để chứa lệnh thực Procomm Plus Giống nhiều ngơn ngữ lập trình khác, ASPECT u cầu phải dịch chương trình soạn thảo Một script file chưa dịch, hay cịn gọi file nguồn, có was (Windows Aspect Source); cịn script file dịch có wax ( WindowsAspect eXecutable) Khi script file dịch, liệu cậu lệnh chứa file nguồn chuyển sang mã mà Procomm đọc xử lý cách nhanh chóng Sau dịch file dịch (.wax) có kích thước nhỏ so với file nguồn Tóm lại : script file phải dịch trước thực Một file dịch dịch ngược trở lại thành file nguồn Chúng ta tạo soạn thao file nguồn (.was) trình ASPECT Editor hay trình soạn thảo dạng text khác, phải đặt tên tệp có was Để tạo file nguồn thay đổi bổ sung nội dung file có, từ menu Procomm, chọn Scripts|Compile/Edit… ấn chuột vào biểu tượng công cụ Hộp hội thoại dùng để soạn thảo dịch script files hình 5.3 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT 93 Muốn tạo file ta chọn nút lệnh New; muốn sửa đổi nọi dung file có tên ( tên file chọn trước mục File name) ta chọn nút lệnh Edit; muốn thoát khỏi cửa sổ soạn thảo ta chọn nút lệnh Exit Khi chọn nút lệnh New Edit, hình xuất cửa sổ soạn thảo để ta viết sửa đổi chương trình Sau soạn thảo xong, muốn ghi vào đĩa ta chọn File | Save File | Save as… Ta chọn biểu tượng “Ghi dịch” (Save and Compile) công cụ để ghi vào đĩa đồng thời dịch thành file wax Để chạy Aspect script file thực nhiều cách : + Chọn mục Script Menu chính, chọn mục Run… Lúc xuất hộp hội thoại để chọn file muốn thực + Ấn chuột mục Script file công cụ, sau chọn tên file muốn thực Nếu muột file chạy, tên mục Script file, muốn chạy lại ấn chuột vào biểu tượng cơng cụ + Có thể chạy script file từ cửa sổ Compile/edit ASPECT file(Chọn mục RUN) (hình 5.3) 94 BÀI 5: NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT - Kiểu liệu khai báo biến ASPECT a) Kiểu liệu : ASPECT cung cấp kiểu liệu sau : Integer (kiểu nguyên) : Có giá trị từ -32768 đến 32767 Float (kiểu số thực) : Có giá trị từ 2.22507385072014e-308 đến 1.797693134862315e+308 Long (kiểu nguyên dài): Có giá trị từ -2147483648 đến 2147483647 String (kiểu chuỗi) : Có thể chứa từ đến 256 ký tự Tất tên phần tử ASPECT, tên từ lệnh, tên hàm thủ tục, tên nhãn (label) biến… có chiều dài k 30 ký tự b) Các loại biến: Trong ASPECT có loại biến sau : + Biến hệ thống: Biến hệ thống biến “chỉ đọc” (read-only) mà ASPECT Procomm Plus vó thể ấn định giá trị đặc biệt Ví dụ: khơng thể thay đổi giá trị biết hệ thống $ROW mà ln ln vị trí dịng trỏ hình, ta đọc giá trị nơi chương trình xử lý cần thiết Biến hệ thống lng có dấu $ đầu + Biến người dùng định nghĩa, có hai loại: - Biến toàn cục (Global variables): Biến toàn cục định nghĩa nơi chương trình phải bên ngồi khối thủ tục Hàm Phổ biến, biến toàn cục thường khai báo đầu chương trình Biến tồn cục tham chiếu đến từ hàm hay thủ tục chương trình Nếu thủ tục hàm làm thay đổi giá trị biến tồn cục giá trị trì có lệnh khác làm thay đổi giá trị - Biến địa phương (Local variables): Khơng giống biến tồn cục, biến địa phương tham khảo đến phạm vi thủ tục hàm mà định nghĩa Giá trị bị xóa khỏi thủ tục hàm Ta đặt tên biến địa phương giống thủ tục hàm khác chương trình, điều khơng có nghĩa giá trị biến ghi nhớ thủ tục hàm khác + Tham biến (Parameter variables) : BÀI 5: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT 95 Bất thủ tục nào, ngoại trừ chương trình (Proc main) khai báo (định nghĩa) đến 12 tham biến Các tham biến tương tự biến địa phương, nghiawx tham chiếu đến phạm vi thủ tục hàm mà định nghĩa, nhiên khác với biến địa phương, tham biến nhận giá trị ban đầu cách tự động thủ tục hàm gọi, giá trị sử dụng cung cấp câu lệnh gọi Các tham biến phải khai báo đầu thủ tục hàm, trước lệnh biến địa phương.Một tham biến khai báo giống biến địa phương.Thứ tự mà tham biến định nghĩa xác định thứ tự mà chúng gọi thủ tục hàm c) Khai báo ( định nghĩa) biến : Tất loại biến dùng chương trình phải khai báo ( định nghĩa) trước Nếu biến có kiểu liệu, ta khai báo dòng cách dấu phảy (,) Ví dụ: Integer sokhop, Tong, i= Float Goc Integer A[4][4] Trong ví dụ ta khai báo biến : sokhop, Tong, i biến nguyên, biến I gán giá trị ban đầu Goc biến thực.A biến mảng (array) có kích thước 4x4, phần tử mảng kiểu nguyên Cách khai báo tham biến thủ tục hàm sau : Param (kiểu liệu) (tên),[tên]… Ví dụ: param Integer X,Y,Z Chương trình ví dụ : ; Vi du ve khai bao bien Proc main số ; Chương trình Integer A,B,C ; Khai báo biến ngun Integer Tong ; Tổng số(biến nguyên) A=2, B=4,C=8 ; Gán giá trị cho biến Tong = Sum(A,B,C) ; Gọi hàm Sum để cộng BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 14 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT Sau học xong này, học viên có thể:  Hiểu khái quát kiểu truyền động robot;  Hiểu khái quát phương pháp điều khiển Robot 9.1 TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRONG ROBOT Truyền động điện dùng nhiều kỹ thuật robot, có nhiều ưu điểm điều khiển đơn giản dùng biển đổi phụ, không gây bẩn môi trường, loại động học điện đại lắp trực tiếp khớp quay… Tuy nhiên so với truyền động thủy lực khí truyền động điện có cơng suất thấp thơng thường phải cần thêm hộp giảm tốc thường khâu robot chuyển động với tốc độ thấp Trong kỹ thuật robot nguyên tắc dùng động cô điện loại khác nhau, thực tế có hai loại dùng nhiều Đó động điện chiều động bước Ngày nay, thành tựu nghiên cứu điều khiển động điện xoay chiều, nên có xu hướng chuyển sang sử dụng động điện xoay chiều để tránh phải trang bị thêm nguồn điện chiều Ngoài ra, loại động điện chiều không chổi than (DC brushless motor) bắt đầu ứng dụng vào kỹ thuật robot - Động điện chiều Động điện chiều gồm có hai phần: + Stator cố định với cuộn dây dòng điện cảm dùng nam châm vĩnh cữu Phần gọi phần cảm Phần cảm tạo nên từ thơng khe hở khơng khí 150 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT + Robot với dẫn Khi có dịng điện chiều chạy qua tơi dịng từ thơng xác định, robot quay Phần gọi phần ứng Tùy cách đấu dây phần cảm so với phần ứng ta có loại động điện chiều khác nhau: + Động kích từ nối tiếp (Hình 9.1a); + Động kích từ song song (Hình 9.1b); + Động kích từ hỗn hợp (Hình 9.1c) Hình 9.1 Các loại động điện chiều Các thông số chủ yếu định tính làm việc động điện chiều là: U: Điện áp cung cấp cho phần ứng; I : Cường độ dòng điện phần ứng; r: Điện trở phần ứng; Φ: Từ thông E: Sức phản điện động phần ứng Các quan hệ động điện chiều là: E= U – rI=kn Φ (9.1) k phụ thuộc vào đặc tính dây số dẫn phần ứng Số vòng quay động điện chiều: n  U  Ir k (9.2) Momen động C xác định từ phương trình cân cơng suất: EI = 2πnC (9.3) BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT Hay: C2 15 k I  (9.4) Muốn điều chỉnh tốc độ động điện chiều thực cách: - Thay đổi từ thơng Φ, thơng qua việc điều chỉnh điện áp dịng kích từ Trong trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ đến tốc độ định mức, cơng suất khơng đổi cịn momen giảm theo tốc độ - Điều chỉnh điện áp phần ứng Trong trường hợp từ thông không đổi, tăng tốc độ từ đến tốc độ định mức, momem khơng đổi cịn cơng suất tăng theo tốc độ Muốn đảo chiều quay động điện chiều cần thay đổi chiều từ thông (tức chiều dịng điện kích từ) thay đổi chiều dịng điện phần ứng - Động bước Nguyên tắc hoạt động: Trên hình 9.2 sơ đồ động bước loại đơn giản dùng nam châm vĩnh cửu gồm stato có cực roto có cực Hình 9.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động đông bước Nếu cấp điện cho cuộn dây αα’ robot dừng vị trí mà dịng từ qua cuộn dây lớn Nếu cấp điện cho cuộn dây ββ’ robot quay ± 900 (Phụ thuộc chiều dòng điện cấp vào) Khi đồng thời cấp điện cho cuộn dây α β robot dừng vị trí 00 va 900, dịng điện vào cuộn dây hồn tồn robot dừng vị trí 450 152 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT Như vị trí robot phụ thuộc vào số cực cấp điện stato chiều dòng điện cấp vào Trên sơ đồ nguyên lý hoạt động bước loại cực dùng nam châm vĩnh cửu Trên sở ta co thể tìm hiểu loại động có nhiều cực dùng nam châm điện có từ tính thay đổi Như tùy theo cách cấp điện cho cuộn dây stato ta điều khiển vị trí dừng roto Việc cấp điện cho cuộn dây số hóa, nói động bước loại động điện chuyển tín hiệu số đầu vào thành chuyển động học nấc đầu Ưu, nhược điểm: + Khi vị trí tốc độ dùng động bước không cần mạch phản hồi + Thích hợp thiết bị điều khiển số Với khả điều khiển số trực tiếp, động bước trở thành thông dụng thiết bị điện tử đại Tuy nhiên phạm vi ứng dụng động bước vùng công suất nhỏ trung bình Việc nghiên cứu nâng cao cơng suất động bước vấn đề quan tâm Ngồi ra, nói chung hiệu suất động bước thấp loại động khác Các thơng số chủ yếu động bước: Góc quay: Động bước quay góc xác định ứng với xung kích thích Góc bước θ nhỏ độ phân giải vị trí cao Số bước s thông số quan trọng: s 360  (9.5) Tốc độ quay tần số xung: Tốc độ quay động bước phụ thuộc vào số bước giây Đối với hầu hết động bước, số xung cấp cho động số bước ( tính theo phút) nên tốc độ tính theo tần số xung f Tốc độ quay động bước tính theo cơng thức sau: n 60 f s (f [bước/phút])/(s [bước/vịng]) Trong đó: n – tốc độ quay (vòng/ phút) (9.6) BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 15 f – tần số quay (Hz) s – số bước vịng quay Ngồi cịn thơng số quan trọng khác độ xác vị trí, momen quán tính động cơ… Các loại động bước: Tùy theo kiểu robot, động bước chia thành loại sau: + Động bước kiểu từ trở biến đổi (VR: Variable Resistance) + Động bước nam châm vĩnh cửu (PM: Permanent Magnet) + Động bước kiểu lai (Hybird) Tùy theo số cuộn dây độc lập stato động bước chia thành loại: pha, pha pha Robot động bước có nhiều cực ( gọi răng) Số cực robot phối hợp với số cực stato định góc bước θ Góc bước lớn 900 ứng với động có số bước s = bước/vịng Phần lớn động bước có số bước s = 200, nên θ = 1,80 Số bước lớn độ phân giải cao định vị xác Nhưng thực tế, tăng số bước lên q cao Tuy nhiên dùng cơng nghệ tạo bước nhỏ để chia bước thành bước ( hình b/9.2) từ 10 đến 125 bước nhỏ Cơng nghệ tạo bước nhỏ cịn gọi tạo vi bước, đơn giản mở rộng phương pháp nói cho nhiều vị trí trung gian cách cung cấp giá trị dòng khác cho cuộn dây Đơng tạo bước nhỏ có độ phân giải tinh nhiều Ví dụ, phân 125 bước nhỏ bước đầy, với 200bước/vịng độ phân giải động 125 x 200 = 25.000 bước nhỏ/ vịng 9.2 TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN VÀ THỦY LỰC Ngoài truyền động điện, kỹ thuật robot cịn thường dùng loại truyền động khí nén thủy lực 154 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT - Truyền dẫn động khí nén Dùng khí nén hệ truyền động học robot nhiều thuận lợi như: Do phân xưởng cơng nghiệp thường có mạng lưới khí nén chung, nên đơn giản hóa phần thiết bị nguồn động lực cho robot Hệ truyền dẫn khí nén tương đối gọn nhẹ, dễ sủ dụng, dễ đảo chiều,… Tuy nhiên hệ truyền dẫn khí nén có nhiều nhược điểm như: tính nén chất khí nên chuyển động thường kèm theo dao động, dừng khơng xác, ngồi cịn cần trang bị thêm thiết bị phun dầu bôi trơn, lọc bụi giảm tiếng ồn… - Truyền dẫn động thủy lực Hệ truyền đơng dẫn thủy lực có ưu điểm như: tải trọng lớn quán tính bé, dễ thay đổi chuyển động, dễ điều khiển tự động Tuy nhiên chúng có nhược điểm như: hệ thủy lực ln địi hỏi nguồn bao gồm thùng dầu, bơm thủy lực, thiết bị lọc, bình tích đâu, loại van điều chỉnh, đường ống… làm hệ truyền động cho robot cồng kềnh so với truyền động khí nén truyền động điện Nhìn chung, hệ truyền dẫn thủy lực sử dụng phổ biến robot, trường hợp tải nặng Các phần tử hệ truyền động khí nén thủy lực tiêu chuẩn hóa Các tính tốn thiết kế hệ truyền dẫn khí nén thủy lực nghiên cứu giáo trình riêng 9.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT Nhiệm vụ quan trọng việc điều khiển robot bảo đảm cho điểm tác động cuối (End–effector) tay máy dịch chuyển bám theo quỹ đạo định trước Không thế, hệ tọa độ gắn khâu chấp hành cuối phải đảm bảo hướng q trình di chuyển Giải tốn ngược phương trình động học ta giải mặt động học yêu cầu Đó nội dung để xây dựng chương trình điều khiển vị trí cho robot Tuy nhiên việc giải tốn chưa xét tới điều kiện thực tế robot làm việc, tác động momen lực, ma sát… Tùy theo yêu cầu nâng cao BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 15 chất lượng điều khiển (độ chuẩn xác) mà ta tính đến ảnh hưởng yếu tố trên, theo phương pháp điều khiển trở nên đa dạng phong phú - Điều khiển tỷ lệ sai lệch (Pe: proportional error) Nguyên tắc phương pháp dễ hiểu; làm cho hệ thống thay đổi theo chiều hướng có sai lệch nhỏ Hàm sai lệch θd- θ(t), θd góc quay mong muốn θ(t) giá trị quay thực tế biến khớp, ta gọi θd là”góc đặt” Khi ε = khớp đạt vị trí mong muốn Nếu ε < 0, khớp chuyển qua mức cần chuyển động ngược lại Như vậy, kiểu điều khiển chuyển động ln có chiều hướng làm sai lệch ε xấp xỉ zero Bên cạnh đó, cần quan tâm đến phần độ lớn, nghĩa là, cần biết “ làm cho động chuyển động cách nào?” mà cần biết “ cần cung cấp cho động lượng (momen động) bao nhiêu?” Để trả lời câu hỏi lần nữa, dùng tính hiệu sai số ε = θd- θ Chúng ta áp dụng tín hiệu điều khiển mà tỉ lệ với ε F = Kp(θd- θ(t)) (9.5) Qui luật xác định hệ điều khiển phản hồi gọi hệ điều khiển tỉ lệ sai lệch - Điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (PD: Propotional Derivative) Phương pháp điều khiển tỉ lệ sai lệch nhiều nhược điểm như: Hệ dao động lớn ma sát nhỏ ( tình trạng vượt quá) trạng thái tĩnh, ε→ momen gần khơng, nên khơng giữ vị trí tác dụng tải Để khắc phục điều trên, chọn phuwonh pháp điều khiển tỉ lệ - đạo hàm (PD), với lực tổng quát: F  K p  Kd(t ) Trong :ε –Sai số vị trí khớp động ε = θd – θ(t)  (t)– Thành phần đạo hàm – vận tốc góc Ke- Hệ số tỉ lệ sai lệch vị trí Kd – Hệ số tỉ lệ vận tốc (9.6) 156 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT - Điều khiển tỷ lệ - tích phân - đạo hàm (pid: propotional integral derivative) Hệ thống với cấu trúc luật điều khiển PD số nhược điểm, không phù hợp với số loai robot Một hệ thống điều khiển khác có bổ sung thêm tín hiệu tốc độ đặt  sai lệch tốc độ   d  (t ) tác động vào khâu khuyếch đại Kd Phương trình lực tác động lên khớp động có dạng: t F  K e  K d   K i   (t )dt (9.7) Với  - sai số tốc độ   d  (t ) Như vậy, tùy theo cấu trúc lựa chọn điều khiển, ta đem đối chiếu phương trình (9.5) (9.7)với phương trình Lagrange – Euler Từ nhận phương trình hệ điều khiển tương ứng Từ phương trình hệ điều khiển, cần xác định hệ số tỉ lệ Ke, Kd, Ki để hoạt động ổn định - Hàm truyền động khớp động Nội dung phần trình bày phương pháp xây dựng hàm truyền truyền trường hợp chuyển động bậc tự do, khớp thường điều khiển hệ truyền động riêng Phổ biến động điện chiều Xét sơ đồ truyền động động điện chiều với tín hiệu vào điện áp Ua đặt vào phần ứng, tín hiệu góc quay θm trục động cơ; động kiểu từ độc lập Hình 9.3 Sơ đồ động điện chiều BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 15 Trong thực tế, trục động nối với hộp giảm tốc tới trục phụ tải hình 9.4 Gọi n tỉ số truyền, θL góc quay trục phụ tải, ta có:  L  nm (t )   nm (t ) (9.8)   nm (t ) Hình 9.4 Sơ đồ động điện phụ tải Momen trục động tổng momen cần để động quay, cộng với momen phụ tải quy trục động M(t) = Mm(t)+ ML*(t) Ký hiệu: (9.9) Jm: Momen quán tính động JL: Momen qn tính phụ tải Ta có: M m (t )  J mm (t )  f m(t ) M L (t )  J L(t )  f L(t ) (9.10) (9.11) Trong fm fL hệ số cản động phụ tải Theo đinh luật bả tồn lượng, công phụ tải sinh ra, tính trục phụ tải MLθL phải công quy trục động M*Lθm Từ ta có: M L* (t )  M L (t ) L (t )  nM L (t ) m (t ) Thay đổi (9.5) (9.9) vào công thức trên: (9.12) 158 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT M L (t )  n [ J Lm (t )  f Lm (t )] (9.13) Thay (9.7) ( 9.10) vào (9.6) ta có: M (t )  ( J m  n J L )m (t )  f m n f L )m (t ) Hay: M (t )  J m (t )  f m (t ) (9.14) Với J = Jm + n2JL: momen quán tính tổng hiệu dung f = fm + n2fL: hệ số ma sát tổng hiệu dụng Momen trục động phụ thuộc tuyến tính với cường độ dịng điện phần ứng khơng phụ thuộc vào góc quay vận tốc góc, ta có: M(t) = Kaia(t) (9.15) Với ia: Cường độ dòng điện phần ứng Ka : Hệ số tỉ lệ momen Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch điện cảm ứng: U a (t )  Ra ia (t )  La Với dia  eb (t ) dt (9.16) Ra, La: điện trở điện cảm phần ứng eb: sức phản điện động động eb (t )  Kbm (t ) (9.17) Kb: hệ số tỉ lệ sức phản điện động Sử dụng phép biến đổi Laplace, từ (9.12) ta có: I a ( s)  U a (s)  sKbm (s) Ra  sLa (9.18) Từ (9.14) (9.15) ta có: M (s)  s 2m (s)  sf m (s)  Ka I a (s)   m ( s)  K a I a ( s) s J  sf (9.19) BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 15 Thay (9.18) vào (9.19):  U a ( s )  sKb m ( s )    ( s J  sf )( Ra  sLa )   m ( s)  K a   U a ( s )  sKb m ( s ) m ( s J  sf )( Ra  sLa )  Ka U a ( s ) ( s J  sf )( Ra  sLa )  sK a Kb   m ( s) Ka  m ( s) Hay: U a ( s)  Ka s[(sJ+f)(R a  sLa )  Ka Kb ] (9.20) Đây hàm truyền cần xác định, tỉ số tính hiệu ( góc quay θm) tín hiệu vào hệ thống (điện áp Ua) Vì hệ thống gồm có động phụ tải nên tín hiệu thực tế góc quay trục phụ tải θm, hàm truyền chuyển động bậc tự tay máy là:  L ( s) U a (s)  nKa s[( Ra  sLa )(sJ  f )  Ka Kb ] (9.21) Và ta có sơ đồ khối tương ứng với hàm truyền là: Hình 9.5 Sơ đồ khối hàm truyền chuyển động bậc tự Trong công thức (9.17) bỏ qua thành phần điện cảm phần ứng La , thường q nhỏ so với nhân tố ảnh hưởng khí khác Nên:  L ( s) U a ( s)  nKa s(sR a J  Ra f  Ka Kb ) (9.22) 160 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT - Điều khiển vị trí khớp động Mục đích điều khiển vị trí cho động chuyển dịch khớp động góc góc quay tính tốn để đảm bảo quỹ đạo chọn trước (bài 8) Việc điều khiển thực sau: Theo tín hiệu sai lệch giá trị thực tế giá trị tính tốn vị trí góc mà điều chỉnh điện áp Ua(t) đặt vào động Nói cách khác, để điều khiển động theo quỹ đạo mong muốn phải đặt vào động điện áp tỉ lệ thuận với độ sai lệch góc quay khớp động U a (t )  K p e(t ) n  K p (L (t )   L (t )) n (9.23) Trong đó: Kp hệ số truyền tín hiệu phản hồi vị trí e(t )  L (t )  L (t ) : độ sai lệch góc quay Giá trị góc quay tức thời: L (t ) đo cảm biến quang học chiết áp Biển đổi Laplace phương trình (9.22): U a (s)  K p (L ( s)   L ( s)) n  K p E ( s) n (9.24) Thay (9.24) vào phương trình (9.22):  L ( s) E ( s)  K a Kb  G(s) s(sR a J  Ra f  K a Kb ) (9.25) Sau biến đổi đại số ta có hàm truyền: Ka K p  L ( s) G (s)    L ( s)  G ( s) s Ra J  s( Ra f  K a K p )  K a Kb K a K p / Ra J ( R f  K a Kb ) K a Kb s2  a  Ra J Ra J (9.26) Phương trình (9.26) cho thấy hệ điều khiển tỉ lệ khớp động hệ bậc hai, ln ổn định hệ số phương trình bậc hai số dương Để nâng cao đặc tính động lực học giảm sai số trạng thái ổn định hệ người ta tăng hệ số phản hồi vị trí Kp kết hợp làm giảm dao động hệ cách thêm vào thành phần đạo hàm sai số vị trí Với việc BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 16 thêm phản hồi này, điện áp đặt lên động tỉ lệ tuyến tính với sai số vị trí đạo hàm  K p (L (t )   L (t ))  K v (L (t )  L (t )) U a (t )  n  K p e(t )  K v e(t ) n (9.27) Trong Kv hệ số phản hồi sai số vận tốc Với phản hồi nêu trên, hệ thống trở thành khép kín có hàm truyền thể sơ đồ khối hình ( 9.10) Đây phương pháp điểu khiển tỉ lệ - Đạo hàm Hình 9.6: Sơ đồ khối điều khiển chuyển dịch khớp động có liên hệ phản hồi Biến đổi Laplace phương trình (9.27) thay vào (9.25) ta Ua(s)có: L E ( s)  K a ( K p  sK v ) s ( sR a J  Ra f  K a Kb )  Ka Kv s  Ka K p s ( sR a J  Ra f  K a Kb )  G(s) (9.28) Từ ta có: L L ( s )  K a ( K p s  sK v ) G ( s)   G ( s ) s Ra J  s (R a J  K a K b  K a K v )  K a K p (9.29) 162 BÀI 9: TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT TĨM TẮT Học xong có khái quát thiết bị truyền động robot khả ứng dụng chúng, việc điều khiển robot đòi hỏi kết hợp điều khiển thiết bị truyền động động học (và động lực học) robot theo mục tiêu làm việc robot Điều khiển robot phạm trù phức tạp đòi hỏi nhiều kỹ thuật phương pháp điều khiển khác nhau, giới hạn môn học khảo sát khái niệm điều điều khiển phương pháp điều khiển Các phương pháp điều khiển nghiên cứu học phần khác CÂU HỎI ÔN TẬP Thực câu b tập nêu TÀI LIỆU THAM KHẢO 163 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đăng Phước (chủ biên) (2010) Robot công nghiệp NXB Khoa học kỹ thuật Đào Văn Hiệp (chủ biên) (2010) Kỹ thuật Robot NXB Khoa học kỹ thuật Phillip Jonh Mckerrow (2004) Introduction to Robotics Adison – Wesley ... lại biểu thức F1, F2 sau: F1  D111  D 12? ??? ?2  D111 12  D 122 ? ?22  D1 12? ??1? ?2  D 121 1? ?2  D1 F2  D 12? ??1  D 22? ??? ?2  D211 12  D 222 ? ?22  D2 12? ??1? ?2  D 221 1? ?2  D2 Hiệu ứng quán tính... ? ?2 ) dt d y2  d1cos(1 )1  d cos(1   )(1  ? ?2 ) dt v 22  [d 12? ?? 12  d 22 ( 12  2? ??1? ?2  ? ?22 )  2d1d cos( )( 12  1? ?2 )] Động là: 1 K2  m2v 22  m2[d 12? ?? 12  d 22 ( 12  2? ??1? ?2. .. L  m2 d 22 1  m2 d 22 ? ?2  m2 d1d cos 2? ??1  d L  m2 d 22 1  m2 d 22 ? ?2  m2 d1d cos 2? ??1  m2 d1d sin  2? ??1? ?2  dt  L  m2 d1d sin( )1? ?2  m2 d1d sin( ) 12  m2 gd