Phát triển phương pháp jacoby gần đúng cho điều khiển thích nghi chuyển động của robot 255894
- 72 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
====o0o====
LUẬN VĂN
ĐỀ TÀI:
PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP JACOBY GẦN ĐÚNG CHO
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Phạm Thục Anh
Học viên : Bùi Thị Lương
Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa
Lớp : 10BĐKTĐ
MSHV : CB101083
Hà Nội, 11-2012
Bùi Thị Lương – CB101083
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 3
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP .................................. 8
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp ................................................... 8
1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm ....................................................... 9
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp ...................................................... 9
1.2.2. Một số khái niệm..................................................................................... 10
1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp .............................................. 11
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp ............................................ 11
1.3.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp .......................................................... 12
1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp ............................................. 13
1.4.1. Các thành phần chính của Robot công nghiệp ........................................ 13
1.4.2. Các dạng cơ cấu hình học của Robot ...................................................... 14
1.4.3. Robot công nghiệp trước những thách thức mới .................................... 15
1.5. Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp ......................................... 17
1.5.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 17
1.5.2. Các phương pháp điều khiển truyền thống ............................................. 19
1.5.3. Các phương pháp điều khiển thông minh ............................................... 27
1.5.4. Phương pháp điều khiển Jacobi xấp xỉ kết hợp điều khiển thích nghi .. 30
1.5.5. Kết luận ................................................................................................... 30
CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHO ROBOT PLANAR ........................ 32
2.1. Bài toán động học thuận cho Robot .............................................................. 32
2.2. Bài toán động học ngược cho Robot ............................................................. 34
2.3. Thiết lập mô hình động lực học cho Robot ................................................... 35
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN JACOBIAN XẤP XỈ................. 39
3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 39
1
Bùi Thị Lương – CB101083
3.2. Cơ sở lý thuyết của chuyển động trong không gian làm việc ....................... 39
3.2.1. Các chuyển động vi sai ........................................................................... 39
3.2.2. Biến đổi giữa các chuyển động vi sai giữa các khung trục tọa độ .......... 42
3.2.3. Ma trận Jacobi trong hệ trục tọa độ Đề Các............................................ 43
3.3. Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù lực trọng trường ........................ 45
3.3.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 45
3.3.2. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp ............................................................. 49
3.3.3. Mô phỏng bằng Matlab-Simulink: .......................................................... 50
3.3.4. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 50
3.4. Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù thích nghi lực trọng trường ....... 55
3.4.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 55
3.4.2. Sơ đồ cấu trúc.......................................................................................... 56
3.4.3. Mô phỏng bằng Matlab-Simulink: .......................................................... 57
3.4.4. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 58
3.5. Điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot ............................... 60
3.5.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 60
3.5.2. Mô phỏng ................................................................................................ 65
3.5.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 68
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71
2
Bùi Thị Lương – CB101083
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Bùi Thị Lương
Sinh ngày : 16/08/1987
Học viên lớp cao học khóa 2010 - Ngành Điều khiển và Tự Động Hóa - Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan đề tài “Phát triển phương pháp Jacoby gần đúng cho điều
khiển thích nghi chuyển động của Robot” do cô Nguyễn Phạm Thục Anh hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không
sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm
với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên
Bùi Thị Lương
3
Bùi Thị Lương – CB101083
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật thì các hệ
thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động
hóa linh hoạt và những Robot công nghiệp chính là những linh hồn trong các hệ
thống tự động hóa đó. Robot đem lại những thay đổi quan trọng trong chế tạo sản
phẩm và nâng cao năng xuất, chất lượng ở nhiều ngành công nghiệp. Chính vì vậy
việc điều khiển cho Robot công nghiệp đang là mối quan tâm hàng đầu của cơ điện
tử và điều khiển học.
Với các bộ điều khiển trước đây sử dụng các luật điều khiển đơn giản như PD,
PID…, cho độ chính xác không cao nhất là khi robot mang tải thay đổi và các khớp
có ma sát gây sai số nhiều. Với mong muốn nghiên cứu mở rộng thêm các bộ điều
khiển thông minh cho điều khiển Robot tôi đã chọn đề tài “Phát triển phương
pháp Jacoby gần đúng cho điều khiển thích nghi chuyển động của Robot”.
Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp
Trình bày tổng quát về lịch sử phát triển, khái niệm, ứng dụng của Robot công
nghiệp và các phương pháp điều khiển cở bản.
Chương 2: Thiết lập mô hình cho Robot Planar
Thiết lập mô hình động lực học cho Robot Planar để từ đó xây dựng các thuật
toán điều khiển cho Robot đó.
Chương 3: Phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ
Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ cho Robot, mô phỏng
trên Matlab-Simulink cho Robot Planar.
Do quỹ thời gian và điều kiện thực tế còn nhiều khó khăn nên bản luận văn
không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của các thầy cô và
các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Phạm Thục Anh đã trực
tiếp hướng dẫn hoàn thành luận văn và các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa -
4
Bùi Thị Lương – CB101083
Viên Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tác giả trong
quá trình thực hiện bản luận văn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012
Học viên
Bùi Thị Lương
5
Bùi Thị Lương – CB101083
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số động học của robot Planar ..................................................33
Bảng 3.1. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ ............................................................................................50
Bảng 3.2. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ chọn lại ..............................................................................53
Bảng 3.3. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường ...........................................58
Bảng 3.4. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot .............................................................67
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot vận chuyển hàng .............................................................................12
Hình 1.2. Robot hàn ..................................................................................................12
Hình 1.3. Robot lắp ráp ô tô ......................................................................................13
Hình 1.4. Các thành phần chính của Robot công nghiệp ..........................................14
Hình 1.5. Một số dạng cơ cấu hình học Robot..........................................................15
Hình 1.6. Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp ......................................18
Hình 1.7. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển ...................................................20
Hình 1.8. Đồ thị sai lệch góc khớp............................................................................22
Hình 1.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển ...................................................22
Hình 1.10. Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 ...................................................................25
Hình 1.11. Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 ..................................................................26
Hình 1.12. Mô hình luật điều khiển Li-Slotine .........................................................30
Hình 2.1. Robot Plannar có gắn các hệ trục tọa độ ..................................................32
Hình 3.1. Mối liên hệ giữa không gian khớp và không gian làm việc ......................44
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có
bù lực trọng trường....................................................................................................49
Hình 3.3. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển ......................50
6
Bùi Thị Lương – CB101083
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng với trường hợp biết rõ các tham số động lực học .......51
Hình 3.5. Trường hợp mô phỏng với các thông số động lực học không biết chính
xác .............................................................................................................................52
Hình 3.6. Trường hợp mô phỏng với các thông số động lực học không biết chính
xác, tham số bộ điều khiển lựa chọn thích hợp .........................................................54
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù
thích nghi lực trọng trường .......................................................................................56
Hình 3.8. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển setpoint
Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường ........................................................57
Hình 3.9. Mô hình bộ điều khiển control_in .............................................................57
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng với tham số động lực học trong thành phần lực trọng
trường được cập nhật liên tục ....................................................................................59
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng với tham số động lực học trong thành phần lực trọng
trường được cập nhật liên tục ....................................................................................60
Hình 3.12. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển bám thích
nghi ma trận Jacobian cho Robot ..............................................................................66
Hình 3.13. Mô hình bộ điều khiển control_in ..........................................................66
Hình 3.14. Mô hình ma trận 𝐽𝐽̂(𝑞𝑞, 𝜃𝜃�𝑘𝑘 ) ........................................................................66
Hình 3.15. Thành phần phản hồi ma trận Jacobian xấp xỉ và thành phần đầu vào
điều khiển ước lượng.................................................................................................67
Hình 3.16. Kết quả mô phỏng phương pháp điều khiển bám thích nghi ma trận
Jacobian cho Robot ...................................................................................................68
7
Bùi Thị Lương – CB101083
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp
“Robot” được ra đời từ những mong ước của con người là muốn có những cỗ
máy gần giống con người có thể làm những công việc thay thế con người. Năm
1921 trong vở kịch Rosum’s Universal Robot của Karel Capek thì Rossum và con
trai đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con người để phục vụ con người. Có
lẽ đây là những gợi ý đầu tiên cho các nhà sáng chế kĩ thuật về các cơ cấu máy móc
bắt chước hoạt động của con người.
Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn
năng gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công
nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay
người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi
là robot công nghiệp.
Về mặt kĩ thuật thì robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
đó là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Các cơ cấu điều
khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên
cứu các vật liệu phóng xạ. Còn các máy công cụ điều khiển số ra đời vào những
năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967,
Thụy Điển và Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, Ý- 1973, …
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận
biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Standford của Mỹ đã chế tạo ra
mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết và định
hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.
Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy
tính có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 kg. Có thể nói, Robot là sự tổ hợp
khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức”
8
Bùi Thị Lương – CB101083
ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kĩ
thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển trí khôn nhân
tạo,…
Trong những gần đây, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng được phát triển. Các hoạt động được trang bị thêm các loại cảm biến khác
nhau để nhận biết môi trường chung quanh cùng với những thành tựu to lớn trong
lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt.
Số lượng robot ngày càng gia tăng, chủng loại robot cũng không ngừng được gia
tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng
trong các dây truyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động
hóa.
1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp
Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot công nghiệp là một cơ cấu
thao tác đa chức năng với chương trình làm việc có thể được lập trình lại, được
dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc
đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích
hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Robot công nghiệp là phần tử tự động hóa khả
trình, là bộ phận không thể thiếu trong sản suất linh hoạt.
Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao
tác đa chức năng với nhiều chiều chuyển động và được điều khiển tự động với
chương trình làm việc có thể thay đổi cho các công việc có mục đích khác nhau. Nó
có thể được gắn cố định trên sàn hoặc di động.
Định nghĩa của M.Bradky: Robot công nghiệp là sự ghép nối thông minh từ
nhận thức tới hành động.
Robot công nghiệp cũng được định nghĩa đơn giản là những thiết bị tự động
linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.
9
Bùi Thị Lương – CB101083
Các định nghĩa về robot tuy khác nhau nhưng đều là các thiết bị tự động hóa
được điều khiển theo chương trình lập trình sẵn nhờ các bộ vi xử lý và các mạch
tích hợp chuyên dùng.
1.2.2. Một số khái niệm
a. Số bậc tự do
Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thhiết để biểu diễn vị
trí và hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn
chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác định vị trí đối
tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể.Số bậc tự do sẽ
tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot.
b. Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp tạo
thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với
khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ
tọa độ suy rộng. trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu
hình của robot bằng các dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh
tiến hoặc khớp quay.Các hệ tọa độ gắn lên các khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay
phải.
c. Vùng làm việc:
Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà tay robot có thể chạm tới. Là toàn
bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển
động có thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp.
d. Một số thông số đặc trưng của hệ thống robot
• Độ phân giải: đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn được trên
toàn bộ dải chuyển động của một khớp.
• Độ chính xác: đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay
máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó.
10
Bùi Thị Lương – CB101083
• Độ lặp lại: đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó
chạm vào một điểm theo chương trình định sẵn.
1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp
Ưu điểm quan trọng nhất của robot công nghiệp là tạo nên khả năng linh hoạt
hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương
trình đã cho phép tìm được những phương thức mới để tạo nên những dây chuyền
tự động sản xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và
máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot có
thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế
robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã,
kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
Đối với các nước phát triển có với giá nhân công cao thì việc sử dụng robot rất
hợp lý, tiết kiệm được sức lao động và tiền của đồng thời cũng nâng cao năng suất
lao động. Nếu tăng nhịp độ của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người
bằng robot thì người thợ sẽ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi. Robot công
nghiệp có thể cải thiện điều kiện lao động, đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta
cần phải lưu tâm. Robot có thể làm việc trong môi trường hóa chất độc hại hoặc
phóng xạ mà con người không làm được.
Ngày nay công nghệ Robot đã có những bước phát triển vượt bậc. Với sự trợ
giúp của máy tính, ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ
cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc
phức tạp. Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp
hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng
khi lập trình. Tăng cường khả năng nhận biết và xử lí tín hiệu từ môi trường làm
việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot. Robot tự hành cũng sẽ phát triển
mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình, ví dụ
11
Bùi Thị Lương – CB101083
như có thể tự leo bậc thang…Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí vừa bền vững,
nhẹ nhàng chính xác và linh hoạt như chân người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu.
Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo
và đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Việc cải tiến và bổ xung các modul cảm
biến và các modul phần mềm phù hợp có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều loại
robot. Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính xác.
1.3.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp
Từ những mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp trên mà ta có thể phân
chia ra các lĩnh vực ứng dụng như sau:
a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu
Robot có thể nhặt chi tiết ở một vị trí
và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot
có thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định
hoặc trên một băng tải đang chuyển động
và đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt
Hình 1.1. Robot vận chuyển hàng
lên băng tải khác đang chuyển động với
định hướng chi tiết khác.Trong dây chuyền sản xuất thì robot được sử dụng để đưa
chi tiết và lấy chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy
ép nhựa hoặc dây chuyền đúc.Trong công đoạn đóng gói thì robot xếp các vật liệu
lên một giá và đóng gói, xếp các sản phẩm vào hộp caton hoặc nhặt các chi tiết ra
khỏi hộp.
b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu
Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật
liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn,
gia công kim loại, … Sơn là một công việc
nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu
cầu kĩ thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được
đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi
Hình 1.2. Robot hàn
12
Bùi Thị Lương – CB101083
Robot có thể học được tất cả các kiếvn thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp
lại chính xác các động tác khó. Robot còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm
khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt
chúng vào các trạm chuyển trung gian.Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường,
vừa đạt năng suất cao và chịu được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm
biến gắn trên robot sẽ xác định vị trí đúng của đường hàn.
c. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm
Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một nhà
máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng
người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt
hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công,
lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong
nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào
máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động
Hình 1.3. Robot lắp ráp ô tô
thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và
động. Ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra: Robot cũng được sử dụng trong công đoạn
thử nghiệm, kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết
máy hoặc các bộ phận cơ khí.
1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp
1.4.1. Các thành phần chính của Robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay
robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều
khiển, thiết bị dạy học, máy tính,…các phần mềm lập trình cũng được coi là một
thành phần của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như
hình 1.4.
Trong đó:
- Cánh tay robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng khớp
động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
13
Bùi Thị Lương – CB101083
Các cảm
biến
Thiết bị Bộ điều khiển Hệ truyền Cánh tay
dạy học máy tính động robot
Các chương Dụng cụ
trình thao tác
Hình 1.4. Các thành phần chính của Robot công nghiệp
- Nguồn động lực là các động cơ điện là động cơ servo hoặc động cơ bước,
các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho máy hoạt động.
- Dụng cụ thao tác được gắn lên khâu tác động cuối của robot, các dụng cụ
này có thể có nhiều loại khác nhau như dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các
công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn,…
- Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu
của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc.
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt
trên máy tính dùng để điều khiển robot thông qua một card điều khiển, card được
kết nối với máy tính, và card điều khiển cũng được kết nối với các thiết bị khác như
cảm biến, …
- Các cảm biến giúp cho robot nhận biết được trạng thái của bản thân, xác định
vị trí của đối tượng làm việc, hoặc có nhiệm vụ dò tìm khác, điều khiển các băng tải
hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động với phối hợp với các robot khác.
1.4.2. Các dạng cơ cấu hình học của Robot
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay (R) và chuyển
động tịnh tiến (T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau. Các kết cấu thường gặp của
Robot là kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, robot kiểu Scara, hệ
tọa độ khớp nối…
14
Bùi Thị Lương – CB101083
Một số dạng cơ cấu hình học của Robot:
a) b) c)
e)
d)
Hình 1.5. Một số dạng cơ cấu hình học Robot
a – Cơ cấu dạng hệ tọa độ Đề các b – Cơ cấu dạng hệ tọa độ trụ
c – Cơ cấu dạng hệ tọa độ cầu d – Cơ cấu dạng khớp nối
e – Cơ cấu dạng SCARA
1.4.3. Robot công nghiệp trước những thách thức mới
Mặc dù phải chịu rất nhiều ảnh hưởng từ suy thoái kinh tế và nhận thức văn
hoá, nhưng robot vẫn là thành phần chủ chốt trong tự động hoá công nghiệp. Theo
ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50%
số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%, 32% ở
châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi.
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%,
ngành lắp ráp chiếm 25%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa
15
Bùi Thị Lương – CB101083
chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản
xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%.
Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; có khả năng
thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những
yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp. Trên thế giới
hiện nay, robot chuyên dụng và robot tự trị được sử dụng chủ yếu trong các ngành
chế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực
phẩm, sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí.
Trong sản xuất vật liệu xây dựng, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền
than tại các lò luyện cốc, một điển hình về môi trường độc hại, khói bụi và nhiệt độ
cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Trong dây chuyền sản xuất kính, robot
bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm. Trong công đoạn
đúc kim loại ở các nhà máy cơ khí và luyện kim, robot được sử dụng chủ yếu ở các
khâu rót kim loại và tháo dỡ khuôn - những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn. Trong
công nghiệp đóng tàu, robot chiếm tỷ trọng lớn, có ý nghĩa quyết định đến năng suất
và chất lượng sản phẩm trong công đoạn hàn và cắt vỏ tàu ở phần đuôi. Các robot tự
trị nhận dạng vết hàn phục vụ cho việc tự động hoá một số công đoạn hàn trên
boong và bên trong thân tàu thuỷ. Trong công đoạn sản xuất nhựa và phôi cho chai
nhựa, các tay máy được sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao trong khuôn
ra ngoài, rút ngắn chu kỳ ép của máy ép nhựa. Trong ngành công nghiệp điện tử,
robot sử dụng tay máy SCARA di chuyển các bộ phận vi điện tử từ khay và đặt
chúng vào bo mạch in PCBs với độ chính xác tuyệt đối và tốc độ lắp đặt lên tới
hàng trăm nghìn bộ phận trên một giờ. Còn trong vận chuyển hàng hoá, các xe tự
hành (AGVs) sử dụng thị giác, máy quét 3D hoặc laser điều khiển quá trình vận
chuyển hàng hoá quanh các cơ sở lớn như nhà kho, cảng container, hoặc bệnh viện
bằng cách nhận dạng không gian, loại bỏ các lỗi tích lũy trong các quá trình xác
định vị trí hiện hành AGV.
Theo Hiệp hội robot quốc tế VFR, sở dĩ robot được nhiều nhà máy đưa vào
sản xuất để hạ giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người lao động, nâng cao chất
16
Bùi Thị Lương – CB101083
lượng sản phẩm và tự động hoá dây chuyền sản xuất, là do hiệu suất làm việc và độ
ổn định lớn. Vì thế, trong những năm gần đây, mật độ robot phục vụ trong các
ngành công nghiệp trên thế giới tương đối cao. Năm 2006, số robot công nghiệp
phục vụ trong các lĩnh vực chỉ khoảng 950.000 đơn vị. Đến năm 2009, số robot này
đã đạt khoảng 1.031.000 đơn vị. Trong đó, robot phục vụ trong các ngành công
nghiệp tập trung nhiều nhất là Nhật Bản với số lượng lên tới 339.800 đơn vị. Đứng
thứ hai là ở Mỹ với số lượng khoảng 172.800 đơn vị. Đứng thứ ba là Đức với số
lượng khoảng 145.800 đơn vị và sau đó là các nước Hàn Quốc, Trung Quốc, Ý, các
quốc gia Đông Nam Á và các nước khác. Thế nhưng, robot công nghiệp được ứng
dụng trong ngành chế tạo ôtô đã không tăng như trước đây mà mà chúng đang tập
trung số lượng ứng dụng vào các ngành điện tử, thực phẩm và đồ uống, và các
ngành công nghiệp khác.
1.5. Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp
1.5.1. Đặt vấn đề
Bài toán điều khiển chuyển động của Robot công nghiệp để thực hiện được
các tác nghiệp cụ thể với độ chính xác cao là bài toán được yêu cầu. Chính vì vậy
các phương pháp điều khiển Robot không ngừng được nghiên cứu và phát triển. Các
phương pháp điều khiển cơ bản cho chuyển động của Robot được phân chia như
trên hình 1.6.
17
Bùi Thị Lương – CB101083
Điều khiển chuyển
động của Robot
Điều khiển Điều khiển
truyền thống thông minh
Đ/k trong không Đ/k trong không Đ/k trong không Đ/k trong không
gian khớp gian làm việc gian khớp gian làm việc
- PID - Jacobi đảo - Đ/k thích nghi - Jacobi xấp xỉ
- PD bù trọng trường - Jacobi chuyển vị - Đ/k bền vững - Jacobi xấp xỉ kết
- Đ/k phi tuyến trên - Đ/k Backstepping hợp đ/k thích nghi
cơ sở mô hình … -… -…
Hình 1.6. Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp
18
Bùi Thị Lương – CB101083
1.5.2. Các phương pháp điều khiển truyền thống
Các bộ điều khiển truyền thống trong không gian khớp như PID, PD bù trọng
trường, điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình là các bộ điều khiển kinh điển sử
dụng trong điều khiển Robot. 𝐽𝐽𝑇𝑇 và 𝐽𝐽−1 là các bộ điều khiển kinh điển trong điều
khiển trong không gian làm việc.
a. Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường:
• Nội dung phương pháp:
Phương trình động lực học của Robot:
1
𝜏𝜏 = 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.1)
2
Luật điều khiển theo phương pháp PD bù trọng trường:
𝜏𝜏đ𝑘𝑘 = 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 − 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.2)
Các thông số điều khiển:
𝐾𝐾𝑝𝑝 : là ma trận đường chéo xác định dương
𝐾𝐾𝑑𝑑 : là ma trận đường chéo xác định dương
𝑒𝑒: sai số vị trí 𝑒𝑒 = 𝑞𝑞𝑑𝑑 − 𝑞𝑞
Đây là phương pháp điều khiển truyền thống thường được áp dụng trong điều
khiển điểm-điểm với 𝑞𝑞𝑑𝑑 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐, 𝑞𝑞̇ 𝑑𝑑 = 𝑞𝑞̈ 𝑑𝑑 = 0
Thay phương trình (1.2) vào phương trình (1.1) ta có phương trình động lực học kín
của robot là:
1
𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺 (𝑞𝑞) = 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 − 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.3)
2
1
𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ ( 1.4)
2
1
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 �𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ � ( 1.5)
2
Do H(q) là ma trận đối xứng nên có:
1 1
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̇ = 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞)𝑞𝑞̇ ( 1.6)
2 2
Do Kp là ma trận đường chéo nên có:
1 𝑑𝑑
−𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = 𝑒𝑒 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 ( 1.7)
2 𝑑𝑑𝑑𝑑
Do S là ma trận nghiêng đối nên có:
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )𝑞𝑞̇ = 0 ( 1.8)
19
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
====o0o====
LUẬN VĂN
ĐỀ TÀI:
PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP JACOBY GẦN ĐÚNG CHO
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Phạm Thục Anh
Học viên : Bùi Thị Lương
Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa
Lớp : 10BĐKTĐ
MSHV : CB101083
Hà Nội, 11-2012
Bùi Thị Lương – CB101083
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 3
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP .................................. 8
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp ................................................... 8
1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm ....................................................... 9
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp ...................................................... 9
1.2.2. Một số khái niệm..................................................................................... 10
1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp .............................................. 11
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp ............................................ 11
1.3.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp .......................................................... 12
1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp ............................................. 13
1.4.1. Các thành phần chính của Robot công nghiệp ........................................ 13
1.4.2. Các dạng cơ cấu hình học của Robot ...................................................... 14
1.4.3. Robot công nghiệp trước những thách thức mới .................................... 15
1.5. Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp ......................................... 17
1.5.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 17
1.5.2. Các phương pháp điều khiển truyền thống ............................................. 19
1.5.3. Các phương pháp điều khiển thông minh ............................................... 27
1.5.4. Phương pháp điều khiển Jacobi xấp xỉ kết hợp điều khiển thích nghi .. 30
1.5.5. Kết luận ................................................................................................... 30
CHƯƠNG 2 THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHO ROBOT PLANAR ........................ 32
2.1. Bài toán động học thuận cho Robot .............................................................. 32
2.2. Bài toán động học ngược cho Robot ............................................................. 34
2.3. Thiết lập mô hình động lực học cho Robot ................................................... 35
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN JACOBIAN XẤP XỈ................. 39
3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 39
1
Bùi Thị Lương – CB101083
3.2. Cơ sở lý thuyết của chuyển động trong không gian làm việc ....................... 39
3.2.1. Các chuyển động vi sai ........................................................................... 39
3.2.2. Biến đổi giữa các chuyển động vi sai giữa các khung trục tọa độ .......... 42
3.2.3. Ma trận Jacobi trong hệ trục tọa độ Đề Các............................................ 43
3.3. Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù lực trọng trường ........................ 45
3.3.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 45
3.3.2. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp ............................................................. 49
3.3.3. Mô phỏng bằng Matlab-Simulink: .......................................................... 50
3.3.4. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 50
3.4. Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù thích nghi lực trọng trường ....... 55
3.4.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 55
3.4.2. Sơ đồ cấu trúc.......................................................................................... 56
3.4.3. Mô phỏng bằng Matlab-Simulink: .......................................................... 57
3.4.4. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 58
3.5. Điều khiển bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot ............................... 60
3.5.1. Nội dung phương pháp............................................................................ 60
3.5.2. Mô phỏng ................................................................................................ 65
3.5.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 68
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 71
2
Bùi Thị Lương – CB101083
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Bùi Thị Lương
Sinh ngày : 16/08/1987
Học viên lớp cao học khóa 2010 - Ngành Điều khiển và Tự Động Hóa - Trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan đề tài “Phát triển phương pháp Jacoby gần đúng cho điều
khiển thích nghi chuyển động của Robot” do cô Nguyễn Phạm Thục Anh hướng
dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận án, tôi đảm bảo rằng không
sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm
với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên
Bùi Thị Lương
3
Bùi Thị Lương – CB101083
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật thì các hệ
thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động
hóa linh hoạt và những Robot công nghiệp chính là những linh hồn trong các hệ
thống tự động hóa đó. Robot đem lại những thay đổi quan trọng trong chế tạo sản
phẩm và nâng cao năng xuất, chất lượng ở nhiều ngành công nghiệp. Chính vì vậy
việc điều khiển cho Robot công nghiệp đang là mối quan tâm hàng đầu của cơ điện
tử và điều khiển học.
Với các bộ điều khiển trước đây sử dụng các luật điều khiển đơn giản như PD,
PID…, cho độ chính xác không cao nhất là khi robot mang tải thay đổi và các khớp
có ma sát gây sai số nhiều. Với mong muốn nghiên cứu mở rộng thêm các bộ điều
khiển thông minh cho điều khiển Robot tôi đã chọn đề tài “Phát triển phương
pháp Jacoby gần đúng cho điều khiển thích nghi chuyển động của Robot”.
Nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp
Trình bày tổng quát về lịch sử phát triển, khái niệm, ứng dụng của Robot công
nghiệp và các phương pháp điều khiển cở bản.
Chương 2: Thiết lập mô hình cho Robot Planar
Thiết lập mô hình động lực học cho Robot Planar để từ đó xây dựng các thuật
toán điều khiển cho Robot đó.
Chương 3: Phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ
Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Jacobian xấp xỉ cho Robot, mô phỏng
trên Matlab-Simulink cho Robot Planar.
Do quỹ thời gian và điều kiện thực tế còn nhiều khó khăn nên bản luận văn
không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của các thầy cô và
các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo TS. Nguyễn Phạm Thục Anh đã trực
tiếp hướng dẫn hoàn thành luận văn và các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa -
4
Bùi Thị Lương – CB101083
Viên Điện - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tác giả trong
quá trình thực hiện bản luận văn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2012
Học viên
Bùi Thị Lương
5
Bùi Thị Lương – CB101083
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các thông số động học của robot Planar ..................................................33
Bảng 3.1. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ ............................................................................................50
Bảng 3.2. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ chọn lại ..............................................................................53
Bảng 3.3. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
setpoint Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường ...........................................58
Bảng 3.4. Tham số của bộ điều khiển và giá trị đặt của các góc khớp bộ điều khiển
bám thích nghi ma trận Jacobian cho Robot .............................................................67
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot vận chuyển hàng .............................................................................12
Hình 1.2. Robot hàn ..................................................................................................12
Hình 1.3. Robot lắp ráp ô tô ......................................................................................13
Hình 1.4. Các thành phần chính của Robot công nghiệp ..........................................14
Hình 1.5. Một số dạng cơ cấu hình học Robot..........................................................15
Hình 1.6. Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp ......................................18
Hình 1.7. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển ...................................................20
Hình 1.8. Đồ thị sai lệch góc khớp............................................................................22
Hình 1.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển ...................................................22
Hình 1.10. Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 ...................................................................25
Hình 1.11. Sơ đồ khối phương pháp 𝐽𝐽−1 ..................................................................26
Hình 1.12. Mô hình luật điều khiển Li-Slotine .........................................................30
Hình 2.1. Robot Plannar có gắn các hệ trục tọa độ ..................................................32
Hình 3.1. Mối liên hệ giữa không gian khớp và không gian làm việc ......................44
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc của phương pháp Điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có
bù lực trọng trường....................................................................................................49
Hình 3.3. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển ......................50
6
Bùi Thị Lương – CB101083
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng với trường hợp biết rõ các tham số động lực học .......51
Hình 3.5. Trường hợp mô phỏng với các thông số động lực học không biết chính
xác .............................................................................................................................52
Hình 3.6. Trường hợp mô phỏng với các thông số động lực học không biết chính
xác, tham số bộ điều khiển lựa chọn thích hợp .........................................................54
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển Setpoint Jacobian xấp xỉ có bù
thích nghi lực trọng trường .......................................................................................56
Hình 3.8. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển setpoint
Jacobian xấp xỉ bù thích nghi lực trọng trường ........................................................57
Hình 3.9. Mô hình bộ điều khiển control_in .............................................................57
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng với tham số động lực học trong thành phần lực trọng
trường được cập nhật liên tục ....................................................................................59
Hình 3.11. Kết quả mô phỏng với tham số động lực học trong thành phần lực trọng
trường được cập nhật liên tục ....................................................................................60
Hình 3.12. Mô hình cấu trúc Robot trong Simulink với bộ điều khiển bám thích
nghi ma trận Jacobian cho Robot ..............................................................................66
Hình 3.13. Mô hình bộ điều khiển control_in ..........................................................66
Hình 3.14. Mô hình ma trận 𝐽𝐽̂(𝑞𝑞, 𝜃𝜃�𝑘𝑘 ) ........................................................................66
Hình 3.15. Thành phần phản hồi ma trận Jacobian xấp xỉ và thành phần đầu vào
điều khiển ước lượng.................................................................................................67
Hình 3.16. Kết quả mô phỏng phương pháp điều khiển bám thích nghi ma trận
Jacobian cho Robot ...................................................................................................68
7
Bùi Thị Lương – CB101083
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp
“Robot” được ra đời từ những mong ước của con người là muốn có những cỗ
máy gần giống con người có thể làm những công việc thay thế con người. Năm
1921 trong vở kịch Rosum’s Universal Robot của Karel Capek thì Rossum và con
trai đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con người để phục vụ con người. Có
lẽ đây là những gợi ý đầu tiên cho các nhà sáng chế kĩ thuật về các cơ cấu máy móc
bắt chước hoạt động của con người.
Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn
năng gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công
nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay
người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi
là robot công nghiệp.
Về mặt kĩ thuật thì robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
đó là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Các cơ cấu điều
khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên
cứu các vật liệu phóng xạ. Còn các máy công cụ điều khiển số ra đời vào những
năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967,
Thụy Điển và Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, Ý- 1973, …
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận
biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Standford của Mỹ đã chế tạo ra
mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết và định
hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.
Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy
tính có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 kg. Có thể nói, Robot là sự tổ hợp
khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức”
8
Bùi Thị Lương – CB101083
ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kĩ
thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển trí khôn nhân
tạo,…
Trong những gần đây, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng được phát triển. Các hoạt động được trang bị thêm các loại cảm biến khác
nhau để nhận biết môi trường chung quanh cùng với những thành tựu to lớn trong
lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt.
Số lượng robot ngày càng gia tăng, chủng loại robot cũng không ngừng được gia
tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng
trong các dây truyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động
hóa.
1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp
Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot công nghiệp là một cơ cấu
thao tác đa chức năng với chương trình làm việc có thể được lập trình lại, được
dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc
đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích
hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Robot công nghiệp là phần tử tự động hóa khả
trình, là bộ phận không thể thiếu trong sản suất linh hoạt.
Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao
tác đa chức năng với nhiều chiều chuyển động và được điều khiển tự động với
chương trình làm việc có thể thay đổi cho các công việc có mục đích khác nhau. Nó
có thể được gắn cố định trên sàn hoặc di động.
Định nghĩa của M.Bradky: Robot công nghiệp là sự ghép nối thông minh từ
nhận thức tới hành động.
Robot công nghiệp cũng được định nghĩa đơn giản là những thiết bị tự động
linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.
9
Bùi Thị Lương – CB101083
Các định nghĩa về robot tuy khác nhau nhưng đều là các thiết bị tự động hóa
được điều khiển theo chương trình lập trình sẵn nhờ các bộ vi xử lý và các mạch
tích hợp chuyên dùng.
1.2.2. Một số khái niệm
a. Số bậc tự do
Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thhiết để biểu diễn vị
trí và hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn
chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác định vị trí đối
tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể.Số bậc tự do sẽ
tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot.
b. Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp tạo
thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với
khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ
tọa độ suy rộng. trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu
hình của robot bằng các dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh
tiến hoặc khớp quay.Các hệ tọa độ gắn lên các khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay
phải.
c. Vùng làm việc:
Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà tay robot có thể chạm tới. Là toàn
bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển
động có thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp.
d. Một số thông số đặc trưng của hệ thống robot
• Độ phân giải: đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn được trên
toàn bộ dải chuyển động của một khớp.
• Độ chính xác: đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay
máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó.
10
Bùi Thị Lương – CB101083
• Độ lặp lại: đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó
chạm vào một điểm theo chương trình định sẵn.
1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp
Ưu điểm quan trọng nhất của robot công nghiệp là tạo nên khả năng linh hoạt
hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương
trình đã cho phép tìm được những phương thức mới để tạo nên những dây chuyền
tự động sản xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và
máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot có
thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế
robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã,
kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
Đối với các nước phát triển có với giá nhân công cao thì việc sử dụng robot rất
hợp lý, tiết kiệm được sức lao động và tiền của đồng thời cũng nâng cao năng suất
lao động. Nếu tăng nhịp độ của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người
bằng robot thì người thợ sẽ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi. Robot công
nghiệp có thể cải thiện điều kiện lao động, đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta
cần phải lưu tâm. Robot có thể làm việc trong môi trường hóa chất độc hại hoặc
phóng xạ mà con người không làm được.
Ngày nay công nghệ Robot đã có những bước phát triển vượt bậc. Với sự trợ
giúp của máy tính, ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ
cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc
phức tạp. Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp
hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng
khi lập trình. Tăng cường khả năng nhận biết và xử lí tín hiệu từ môi trường làm
việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot. Robot tự hành cũng sẽ phát triển
mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng chân để thích hợp với mọi địa hình, ví dụ
11
Bùi Thị Lương – CB101083
như có thể tự leo bậc thang…Việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí vừa bền vững,
nhẹ nhàng chính xác và linh hoạt như chân người là đối tượng nghiên cứu chủ yếu.
Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo
và đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Việc cải tiến và bổ xung các modul cảm
biến và các modul phần mềm phù hợp có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều loại
robot. Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính xác.
1.3.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp
Từ những mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp trên mà ta có thể phân
chia ra các lĩnh vực ứng dụng như sau:
a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu
Robot có thể nhặt chi tiết ở một vị trí
và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot
có thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định
hoặc trên một băng tải đang chuyển động
và đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt
Hình 1.1. Robot vận chuyển hàng
lên băng tải khác đang chuyển động với
định hướng chi tiết khác.Trong dây chuyền sản xuất thì robot được sử dụng để đưa
chi tiết và lấy chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy
ép nhựa hoặc dây chuyền đúc.Trong công đoạn đóng gói thì robot xếp các vật liệu
lên một giá và đóng gói, xếp các sản phẩm vào hộp caton hoặc nhặt các chi tiết ra
khỏi hộp.
b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu
Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật
liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn,
gia công kim loại, … Sơn là một công việc
nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu
cầu kĩ thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được
đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi
Hình 1.2. Robot hàn
12
Bùi Thị Lương – CB101083
Robot có thể học được tất cả các kiếvn thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp
lại chính xác các động tác khó. Robot còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm
khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt
chúng vào các trạm chuyển trung gian.Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường,
vừa đạt năng suất cao và chịu được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm
biến gắn trên robot sẽ xác định vị trí đúng của đường hàn.
c. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm
Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một nhà
máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng
người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt
hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công,
lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong
nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào
máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động
Hình 1.3. Robot lắp ráp ô tô
thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và
động. Ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra: Robot cũng được sử dụng trong công đoạn
thử nghiệm, kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết
máy hoặc các bộ phận cơ khí.
1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp
1.4.1. Các thành phần chính của Robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay
robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều
khiển, thiết bị dạy học, máy tính,…các phần mềm lập trình cũng được coi là một
thành phần của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như
hình 1.4.
Trong đó:
- Cánh tay robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng khớp
động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
13
Bùi Thị Lương – CB101083
Các cảm
biến
Thiết bị Bộ điều khiển Hệ truyền Cánh tay
dạy học máy tính động robot
Các chương Dụng cụ
trình thao tác
Hình 1.4. Các thành phần chính của Robot công nghiệp
- Nguồn động lực là các động cơ điện là động cơ servo hoặc động cơ bước,
các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho máy hoạt động.
- Dụng cụ thao tác được gắn lên khâu tác động cuối của robot, các dụng cụ
này có thể có nhiều loại khác nhau như dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các
công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn,…
- Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu
của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc.
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt
trên máy tính dùng để điều khiển robot thông qua một card điều khiển, card được
kết nối với máy tính, và card điều khiển cũng được kết nối với các thiết bị khác như
cảm biến, …
- Các cảm biến giúp cho robot nhận biết được trạng thái của bản thân, xác định
vị trí của đối tượng làm việc, hoặc có nhiệm vụ dò tìm khác, điều khiển các băng tải
hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động với phối hợp với các robot khác.
1.4.2. Các dạng cơ cấu hình học của Robot
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay (R) và chuyển
động tịnh tiến (T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau. Các kết cấu thường gặp của
Robot là kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, robot kiểu Scara, hệ
tọa độ khớp nối…
14
Bùi Thị Lương – CB101083
Một số dạng cơ cấu hình học của Robot:
a) b) c)
e)
d)
Hình 1.5. Một số dạng cơ cấu hình học Robot
a – Cơ cấu dạng hệ tọa độ Đề các b – Cơ cấu dạng hệ tọa độ trụ
c – Cơ cấu dạng hệ tọa độ cầu d – Cơ cấu dạng khớp nối
e – Cơ cấu dạng SCARA
1.4.3. Robot công nghiệp trước những thách thức mới
Mặc dù phải chịu rất nhiều ảnh hưởng từ suy thoái kinh tế và nhận thức văn
hoá, nhưng robot vẫn là thành phần chủ chốt trong tự động hoá công nghiệp. Theo
ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 50%
số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%, 32% ở
châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi.
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%,
ngành lắp ráp chiếm 25%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa
15
Bùi Thị Lương – CB101083
chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản
xuất metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%.
Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; có khả năng
thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những
yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp. Trên thế giới
hiện nay, robot chuyên dụng và robot tự trị được sử dụng chủ yếu trong các ngành
chế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực
phẩm, sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí.
Trong sản xuất vật liệu xây dựng, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền
than tại các lò luyện cốc, một điển hình về môi trường độc hại, khói bụi và nhiệt độ
cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Trong dây chuyền sản xuất kính, robot
bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm. Trong công đoạn
đúc kim loại ở các nhà máy cơ khí và luyện kim, robot được sử dụng chủ yếu ở các
khâu rót kim loại và tháo dỡ khuôn - những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn. Trong
công nghiệp đóng tàu, robot chiếm tỷ trọng lớn, có ý nghĩa quyết định đến năng suất
và chất lượng sản phẩm trong công đoạn hàn và cắt vỏ tàu ở phần đuôi. Các robot tự
trị nhận dạng vết hàn phục vụ cho việc tự động hoá một số công đoạn hàn trên
boong và bên trong thân tàu thuỷ. Trong công đoạn sản xuất nhựa và phôi cho chai
nhựa, các tay máy được sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao trong khuôn
ra ngoài, rút ngắn chu kỳ ép của máy ép nhựa. Trong ngành công nghiệp điện tử,
robot sử dụng tay máy SCARA di chuyển các bộ phận vi điện tử từ khay và đặt
chúng vào bo mạch in PCBs với độ chính xác tuyệt đối và tốc độ lắp đặt lên tới
hàng trăm nghìn bộ phận trên một giờ. Còn trong vận chuyển hàng hoá, các xe tự
hành (AGVs) sử dụng thị giác, máy quét 3D hoặc laser điều khiển quá trình vận
chuyển hàng hoá quanh các cơ sở lớn như nhà kho, cảng container, hoặc bệnh viện
bằng cách nhận dạng không gian, loại bỏ các lỗi tích lũy trong các quá trình xác
định vị trí hiện hành AGV.
Theo Hiệp hội robot quốc tế VFR, sở dĩ robot được nhiều nhà máy đưa vào
sản xuất để hạ giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người lao động, nâng cao chất
16
Bùi Thị Lương – CB101083
lượng sản phẩm và tự động hoá dây chuyền sản xuất, là do hiệu suất làm việc và độ
ổn định lớn. Vì thế, trong những năm gần đây, mật độ robot phục vụ trong các
ngành công nghiệp trên thế giới tương đối cao. Năm 2006, số robot công nghiệp
phục vụ trong các lĩnh vực chỉ khoảng 950.000 đơn vị. Đến năm 2009, số robot này
đã đạt khoảng 1.031.000 đơn vị. Trong đó, robot phục vụ trong các ngành công
nghiệp tập trung nhiều nhất là Nhật Bản với số lượng lên tới 339.800 đơn vị. Đứng
thứ hai là ở Mỹ với số lượng khoảng 172.800 đơn vị. Đứng thứ ba là Đức với số
lượng khoảng 145.800 đơn vị và sau đó là các nước Hàn Quốc, Trung Quốc, Ý, các
quốc gia Đông Nam Á và các nước khác. Thế nhưng, robot công nghiệp được ứng
dụng trong ngành chế tạo ôtô đã không tăng như trước đây mà mà chúng đang tập
trung số lượng ứng dụng vào các ngành điện tử, thực phẩm và đồ uống, và các
ngành công nghiệp khác.
1.5. Các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp
1.5.1. Đặt vấn đề
Bài toán điều khiển chuyển động của Robot công nghiệp để thực hiện được
các tác nghiệp cụ thể với độ chính xác cao là bài toán được yêu cầu. Chính vì vậy
các phương pháp điều khiển Robot không ngừng được nghiên cứu và phát triển. Các
phương pháp điều khiển cơ bản cho chuyển động của Robot được phân chia như
trên hình 1.6.
17
Bùi Thị Lương – CB101083
Điều khiển chuyển
động của Robot
Điều khiển Điều khiển
truyền thống thông minh
Đ/k trong không Đ/k trong không Đ/k trong không Đ/k trong không
gian khớp gian làm việc gian khớp gian làm việc
- PID - Jacobi đảo - Đ/k thích nghi - Jacobi xấp xỉ
- PD bù trọng trường - Jacobi chuyển vị - Đ/k bền vững - Jacobi xấp xỉ kết
- Đ/k phi tuyến trên - Đ/k Backstepping hợp đ/k thích nghi
cơ sở mô hình … -… -…
Hình 1.6. Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp
18
Bùi Thị Lương – CB101083
1.5.2. Các phương pháp điều khiển truyền thống
Các bộ điều khiển truyền thống trong không gian khớp như PID, PD bù trọng
trường, điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình là các bộ điều khiển kinh điển sử
dụng trong điều khiển Robot. 𝐽𝐽𝑇𝑇 và 𝐽𝐽−1 là các bộ điều khiển kinh điển trong điều
khiển trong không gian làm việc.
a. Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường:
• Nội dung phương pháp:
Phương trình động lực học của Robot:
1
𝜏𝜏 = 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.1)
2
Luật điều khiển theo phương pháp PD bù trọng trường:
𝜏𝜏đ𝑘𝑘 = 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 − 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.2)
Các thông số điều khiển:
𝐾𝐾𝑝𝑝 : là ma trận đường chéo xác định dương
𝐾𝐾𝑑𝑑 : là ma trận đường chéo xác định dương
𝑒𝑒: sai số vị trí 𝑒𝑒 = 𝑞𝑞𝑑𝑑 − 𝑞𝑞
Đây là phương pháp điều khiển truyền thống thường được áp dụng trong điều
khiển điểm-điểm với 𝑞𝑞𝑑𝑑 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐, 𝑞𝑞̇ 𝑑𝑑 = 𝑞𝑞̈ 𝑑𝑑 = 0
Thay phương trình (1.2) vào phương trình (1.1) ta có phương trình động lực học kín
của robot là:
1
𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺 (𝑞𝑞) = 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 − 𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ + 𝐺𝐺(𝑞𝑞) ( 1.3)
2
1
𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ ( 1.4)
2
1
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 �𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ � ( 1.5)
2
Do H(q) là ma trận đối xứng nên có:
1 1
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̇ = 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞)𝑞𝑞̇ ( 1.6)
2 2
Do Kp là ma trận đường chéo nên có:
1 𝑑𝑑
−𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = 𝑒𝑒 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 ( 1.7)
2 𝑑𝑑𝑑𝑑
Do S là ma trận nghiêng đối nên có:
𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )𝑞𝑞̇ = 0 ( 1.8)
19