Điều khiển đồng bộ robot song song truyền động bằng cáp trong không gian cáp

Mô hình hóa Robot song song truyền động bằng cáp

N : Ma trận đường chéo dương thể hiện tỷ số truyền giữa góc xoay của cơ cấu chấp hành và chiều dài cáp. Si: Vecto đơn vị dọc theo cáp thứ i với gốc là điểm nối giữa cáp và đế cố định. Trong không gian tác vụ vị trí của đế di động được đo bằng cách sử dụng camera hoặc laser.

Ngoài ra việc sử dụng camera thường có tốc độ chụp thấp làm giảm băng thông điều khiển. Chính vì vậy để giảm thiểu chi phí và tăng băng thông điều khiển, phương pháp điều khiển trong không gian cáp được thực hiện. Do gốc tọa độ O-xyz được đặt trên đế định, chiều dương của trục z hướng xuống, điều này cho thấy z luôn có giá trị dương.

IP: Mô-men quán tính theo các trục của khối rắn (Ten-xơ quán tính). Động học của tời kéo bao gồm trục xoay và các cơ cấu xoay khác [12].

Phương pháp điều khiển đồng bộ

Dựa vào nghiên cứu [12] , sai số đồng bộ được dùng trong CDPRs định nghĩa mối quan chuyển động đồng bộ giữa các sợi cáp nằm liền kề nhau. Sai số đồng bộ của mỗi sợi cáp không chỉ mang thông tin về chính nó mà còn mang thông tin về các sợi cáp liền kề. Nếu toàn bộ sai số đồng bộ về 0, tất cả các sợi cáp có thể chuyển động đồng bộ với nhau mà không xảy ra hiện tượng đụng độ.

Sai số liên kết thể hiện mối quan hệ giữa sai số bám và sai số đồng bộ. Khi sai số liên kết tiến về 0, sai số đồng bộ và sai số cũng cùng tiến về 0. Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng thực tế (SC-RTC).

Bộ điều khiển SC-RTC [12] có thể thay thế cho bộ điều khiển SC-DTC bằng cách thay thế lực căng thực tế T đo được bằng cảm biến cho lực căng được tính từ mô hình động học (2.22).

Cấu trúc phần cứng

Trong sơ đồ Hình 4.1 Vi điều khiển STM32F407 đóng vai trò tính toán xung điều khiển động cơ, đo tín hiệu encoder trả về từ CDPR đồng thời tiếp nhận và xử lý thông tin được gửi từ máy tính. Tời kéo được thiết kế với các thành phần sau: trục xoay, vít me, động cơ, dây đai và pu-li. Trong quá trình này, trục xoay thực hiện nhiệm vụ thu xả dây, trong khi vít me di chuyển ngang giúp duy trì sự phân tách giữa các sợi dây và tránh việc chồng lấn.

Chiều dài cáp tối đa khi làm viêc trong không gian 0.5mx0.5mx0.5m là đường chéo của hình lập phương. Vì lmax Lmaxcáp được quấn vào trục sẽ không bị chồng lấn lên nhau do đó chiều dài cáp có thể đo chính xác bằng encoder thông qua tính số vòng xoay. Phương pháp điều khiển đồng bộ được triển khai trong không gian cáp do đó việc xem xét tính co dãn để đo đạc chính xác chiều dài của cáp là cần thiết.

Kit STM32F407 Discovery có chức năng thực hiện thuật toán điều khiển đồng bộ, thu thập tín hiệu từ cảm biến dòng điện, cảm biến lực căng, xung encoder từ đó xuất xung PWM để điều khiển CDPRs. Ngoài ra, việc khởi chạy, tạm dừng và khởi động lại CDPRs cũng có thể thực hiện thông qua giao diện này. Phần mềm Stm32Monitor và Matlab được sử dụng để thu thập dữ liệu và tạo biểu đồ (xem thêm code ở phần phụ lục).

Các tham sốImt (mô-men quán tính), F (hệ số ma sát nhớt), vt F (hệ số ma sát ct coulomb) được sử dụng trong bộ điều khiển đồng bộ. Chính vì vậy các tham số này cần được ước lượng bằng cách sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính [12]. Dữ liệu được đo lường, thu thập và xử lý bởi vi điều khiển, sau đó được truy suất bởi phần mềm Stm32 Studio, cuối cùng C# được sử dụng với mục đích thực hiện phương pháp bình phương tối thiểu để ước lượng lượng vectorφ.

Lực căng được đo bởi cảm biến lực căng ZNLBS sau đó được khuyết đại tín hiệu sử dụng bộ biến đổi điện áp JY-S60. Bằng cách cấp điện áp cho động cơ và giữ cho động cơ đứng im (q= 0) sau đó đo cường độ dòng điện phần ứng ta sẽ tính được điện trở R. Dữ liệu được thu thập bởi cảm biến luôn luôn bị tác động bởi nhiễu do đó để cải thiện chất lượng của dữ liệu bộ lọc Kalman được sử dụng để lọc nhiễu.

Lập trình vi điều khiển

Lưu đồ giải thuật của phương pháp điều khiển đồng bộ được trình bày như Hình 4.18 và Hình 4.19 (xem thêm code ở phần phụ lục).

Kết quả thực nghiệm

Phân tích quỹ đạo bám, sai số bám cũng cũng như sai số đồng bộ cho thấy phương pháp điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng mong muốn cho kết quả tốt sai số nhỏ nằm trong khoảng +-3mm đồng thời lực căng luôn được duy trì ở mức dương đảm bảo được tính đồng bộ giữa các sợi cáp. Phân tích quỹ đạo bám, sai số bám cũng cũng như sai số đồng bộ cho thấy phương pháp điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng thực tế cho kết quả tốt sai. Ngoài ra lực căng được đo lường trực tiếp từ cảm biến do đó có tính chính xác cao hơn khi lực căng được tính từ mô hình do đó chất lượng điều khiển nhìn chung tốt hơn so với phương pháp bù lực căng mong muốn.