Tài liệu Phát triển phương pháp jacoby gần đúng cho điều khiển thích nghi chuyển động của robot 255894

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 lên băng tải khác đang chuyển động với Hình 1.1. Robot vận chuyển hàng 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 thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và Hình 1.3. Robot lắp ráp ô tô 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: b) a) 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 - PD bù trọng trường - Đ/k phi tuyến trên cơ sở mô hình … - Đ/k thích nghi - Đ/k bền vững - Đ/k Backstepping -… - Jacobi đảo - Jacobi chuyển vị Hình 1.6. Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp 18 - Jacobi xấp xỉ - Jacobi xấp xỉ kết hợp đ/k thích nghi -… 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) 2 ( 1.1) 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) 2 1 𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ 2 1 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 �𝑀𝑀(𝑞𝑞)𝑞𝑞̈ + � 𝑀𝑀̇(𝑞𝑞) + 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )� 𝑞𝑞̇ − 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = −𝐾𝐾𝑑𝑑 𝑞𝑞̇ � 2 ( 1.3) ( 1.4) ( 1.5) 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 2 2 Do Kp là ma trận đường chéo nên có: −𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 = 1 𝑑𝑑 2 𝑑𝑑𝑑𝑑 Do S là ma trận nghiêng đối nên có: 𝑒𝑒 𝑇𝑇 𝐾𝐾𝑝𝑝 𝑒𝑒 𝑞𝑞̇ 𝑇𝑇 𝑆𝑆(𝑞𝑞, 𝑞𝑞̇ )𝑞𝑞̇ = 0 19 ( 1.6) ( 1.7) ( 1.8)