Tài liệu điều khiển robot scara bằng điều khiển trượt phương pháp​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THÀNH NHẪN NGUYỄN THÀNH NHẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT KHÓA 2011 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 Mẫu nhãn đĩa CD-ROM: Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn MSHV: 1241840009 Ngành: Cơ Điện Tử Mã ngành: 60 52 01 14 khóa 2011 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT PHƢƠNG PHÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Mã số ngành: 60 52 01 14 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC TP. HỒ CHÍ MINH, 29 tháng 3 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM Ngày 10 tháng 5 năm 2014 Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: 1. TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch Hội đồng 2. TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 1 3. PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến Phản biện 2 4. TS. Nguyễn Hùng Ủy viên 5. TS. Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký Hội đồng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày 29 tháng 3 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981 Nơi sinh: TP. HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt. - Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot SCARA - Mô phỏng kết quả điều khiển đối tượng trên Matlab-Simulink - Kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm điều khiển đối tượng thực III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Cán bộ hướng dẫn khoa học TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC Quản lý chuyên ngành i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Viễn Quốc. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014 Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Thành Nhẫn ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn Viễn Quốc, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi và định hướng cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng quản lý khóa học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường. Tôi xin chân thành cảm ơn, các bạn học viên lớp 12SCĐ11 Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành luận án. TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014 Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Thành Nhẫn iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay Robot đã được ứng dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp. Robot SCARA đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh vực. Luận án này giới thiệu Robot SCARA với một bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi và mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc đặt. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống được thiết lập dưới dạng toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab, và hoạt động của mô hình thực nghiệm. Luận văn này tập trung chủ yếu tính toán bộ điều khiển và xây dựng mô hình thực nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng bao gồm : Cơ cấu truyền động của tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển động cơ. Bộ điều khiển được phỏng trên phần mềm MATLAP được dịch bằng phần mềm CCS_v4 nạp trực tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông qua Card giao tiếp DSP C2000, điều khiển chuyển động tay máy và bám theo quỹ đạo đặt của robot. Thông qua luận văn này, tôi cũng hy vọng sẽ cung cấp một mô hình thực nghiệm hệ robot SCARA với bộ điều khiển PID trượt và một số kiến thức hữu ích cho các kỹ sư, sinh viên .v.v… đang học tập và nghiên cứu về hệ thống robot. iv ABSTRACTS Currently the robot has been popular applications in industrial production. SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some fields. This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines structural changes between the controller and the changing structure PID sliding surface to control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle. Conditions existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global system is set up in the form of a quadratic Lyapunov function. The feasibility of the controller is verified through simulation results on Matlab software, and operation of experimental models. This thesis focuses primarily calculate the controller and built empirical models SCARA robot actual experiments included construction hardware including: actuators of the manipulator; C2000 DSP Card interface using micro-TMS320F28335 control, power circuits, power circuits motor control. The controller is adapted on MATLAP software CCSV4 translated by software loaded directly into TMS320F28335 microcontroller via C2000 DSP Card communication, motion control and robotics followed the trajectory of the robot set. v MỤC LỤC Tên đề mục Trang Lời cam đoan ...........................................................................................................i Lời cảm ơn .............................................................................................................. ii Tóm tắt luận văn .................................................................................................... iii Mục lục ...................................................................................................................iv Danh mục các bảng biểu ........................................................................................ vii Danh mục các sơ đồ, hình ảnh .............................................................................. viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................ 1 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 4 2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot .................................................... 4 2.2. Các Hệ Thống Điều Khiển Robot ...................................................... 7 2.3. Các Phương Thức Điều Khiển Robot ................................................ 7 2.3.1. Điều khiển theo quỹ đạo đặt ..................................................... 8 2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn ........................... 8 2.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback) ............................................ 8 2.4..1.3. Điều khiển kiểu robot thông minh ................................... 8 2.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính ..................................... 8 2.3.3. Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến ...................................... 9 2.4. Phương Pháp Điều Khiển Robot ........................................................ 9 2.4.1. Điều khiển trượt .......................................................................... 9 vi 2.4.2. Thiết kế một bộ điều khiển kiểu trượt..................................... 10 2.4.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến hệ Robot .......................................................................................... 12 2.5. Tiêu Chuẩn Lyapunov ...................................................................... 13 2.6. Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho Robot N Bậc Tự Do.............. 13 2.6.1 .Cơ sở toán học: ....................................................................... 14 2.6.1.1. Các giả thuyết ........................................................................ 14 2.6.1.2. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt.................................. 15 2.7. Nhận xét.............................................................................................. 18 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TAY MÁY SCARA ............. 20 3.1 Giới Thiệu Về Robot Scara............................................................... 20 3.2 Mô Hình Động Học Của Tay Máy .................................................... 21 3.2.1. Mô hình động học thuận............................................................. 21 3.2.2.Mô hình động học ngược ............................................................ 21 3.3 Mô Hình Động Lực Học Của Tay Máy ............................................. 22 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .............................................. 26 4.1 Bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi với mặt trượt PID............. 26 4.2 Điều kiện trượt ................................................................................... 28 4.3 Ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống ........................................... 31 4.4 Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................... 39 CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG....................................................... 40 5.1 Thông số mô hình và chương trình mô phỏng ................................. 40 vii 5.2 Kết quả mô phỏng .............................................................................. 43 CHƯƠNG 6 : MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................... 48 6.1 Bộ điều khiển ..................................................................................... 48 6.2 Mô hình tay máy ................................................................................ 48 6.3 Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 49 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ..... 51 7.1 Kết luận .................................................................................................... 51 7.2 Hướng phát triển của đề tài ....................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 52 viii DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ LIỆU Trang Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot .............................................. 5 Bảng 5.1: Thông số tay máy ................................................................... 40 Bảng 5.2: Thông số bộ điều khiển .......................................................... 41 ix DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: SCARA robot của hãng EPSON ...................................................... 1 Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản ..................................................................... 5 Hình 2.2: Không gian làm việc của robot......................................................... 6 Hình 2.3: Sơ đồ khối của Robot ....................................................................... 6 Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot.................................................... 7 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý điều khiển kiểu trượt ............................................. 12 Hình 2.6: Minh hoạ khái niệm ổn định Lyapunov ........................................... 13 Hình 3.1: Mô hình tay máy Scara. .................................................................. 20 Hình 3.2: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy ............................................. 21 Hình 3.3: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy ............................................. 22 Hình 4.1:Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy .................................... 39 Hình 5.1 Mô hình simulink của tay máy ......................................................... 41 Hình 5.2 Chương trình mô phỏng của tay máy ............................................... 42 Hình 5.3 Góc đặt và góc quay của khớp 1. ...................................................... 43 Hình 5.4: Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 1 .................................... 44 Hình 5.5: Góc đặt/goc quay của khớp 2 .......................................................... 44 Hình 5.6 Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 2 ..................................... 45 Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển 1 ...................................................................... 45 Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển 2 ...................................................................... 45 Hình 5.9: Mặt trượt 1 ...................................................................................... 46 Hình 5.10: Mặt trượt 2 .................................................................................... 47 Hình 5.11. Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo quay được.................................. 47 Hình 6.1 sơ đồ khối điều khiển mô hình Scara ................................................ 48 Hình 6.2 Mô hình thực nghiệm tay máy Scara ................................................ 48 Hình 6.3 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển SCARA sử dụng DSP Card x C2000F28335 ................................................................................................. 49 Hình 6.4: Kết quả mô phỏng quỷ đạo SCARA trên MatLap ................................... 49 Hình 6.5: kết quả quỷ đạo SCARA trên mô hình thực .................................... 50 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc tự động hoá quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngoài ra Robot công nghiệp còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói bụi, môi trường độc hại của hoá chất, môi trường nhiệt độ cao ... Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về robot và cũng đã có rất nhiều robot được chế tạo và ứng dụng vào quá trình sản xuất như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, các robot lắp ráp linh kiện trong dây chuyền sản xuất board mạch, Robot lắp máy, Robot đào đường hầm, robot cấp phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, Robot quay camera trong các sân vận động ... Tuy nhiên, ở Việt Nam thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào quá trình sản xuất. Các robot này chưa có tính thích ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo một chương trình định trước. 2 Hình 1.1: SCARA robot của hang EPSON. Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều. 1.2 Cơ sở chọn đề tài Tay máy là một đối tượng có độ phi tuyến rất cao do đó việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng này là khá phức tạp. Như đã biết, điều khiển với cấu trúc thay đổi (sliding mode control) là phương pháp hữu hiệu để điều khiển cho các đối tượng phi tuyến bởi luật điều khiển hồi tiếp phi tuyến [1] – [4]. Điều khiển với cấu trúc thay đổi là một kỹ thuật điều khiển rất mạnh, và bền vững. Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển với cấu trúc thay đổi đã được ứng dụng rộng rãi để ổn định hoá cho chuyển động của robot. Có rất nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi, có thể kể đến như: Bộ điều khiển trượt trong hệ liên tục trình bày trong [8,9], bộ điều khiển trượt được đưa ra trong [10] để điều khiển cho tay máy, … Với mục tiêu đưa ra một phương pháp điều khiển khã thi, ổn định, có khả năng ứng dụng cao vào sản xuất công nghiệp, luận án này giới thiệu một bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi và mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc đặt. hàm trượt có dạng phương trình của bộ điều khiển PID. Và hàm trượt này được gọi là hàm trượt kiểu PID. Giải thuật này loại bỏ được hiện tượng dao động khi biên độ của luật điều khiển trượt tăng. Và giải thuật được áp dụng để điều khiển đối tượng 3 phi tuyến-hệ tay máy SCARA 02 bậc tự do. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống được thiết lập dưới dạng toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab và mô hình thực nghiệm. Luận án được chia làm 07 chương với nội dung như sau: + Chương 1: Tổng quan Nội dung của chương này trình bày lý do chọn đề tài và tổng quan về hệ thống tay máy và ứng dụng của nó trong công nghiệp đồng thời giới thiệu sơ lược về bộ điều khiển được thiết kế trong luận án. + Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung chương này trình bày tổng quát cơ sở lý thuyết Robot, hệ thống và phương thức điều khiển 01 Robot. + Chương 3: Mô hình toán của tay máy SCARA Nội dung chương này giới thiệu về mô hình động học thuận, ngược và mô hình động lực học của tay máy. + Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển Nội dung chương này trình bày về bộ điều khiển PID trượt kết hợp với mặt trượt PID, điều kiện tồn tại mặt trượt và điều kiện ổn định của hệ thống. + Chương 5: Kết quả mô phỏng Nội dung chương này trình bày kết quả mô phỏng hệ thống tay máy SCARA bằng phần mềm Matlap với bộ điều khiển trượt PID được thiết kế trong luận án. + Chương 6: Xây dựng mô hình thực nghiệm Nội dung chương này xây dựng mô hình thực nghiệm tay máy Scara với bộ điều khiển PID trượt. + Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot : Các Robot công nghiệp ngày nay thường được cấu thành bởi các hệ thống sau: Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra các chuyển động cơ bản, gồm: . Bệ (thân) - Base . Khớp - thanh nối: joint- link . Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt. . Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của cơ cấu chấp hành là động cơ. Hệ thống cảm biến gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các Rôbốt cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của Rôbốt. Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của Rôbốt, có thể chia ra thành 2 hệ thống: . Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo) . . Hệ thống điều khiển lực. Cấu trúc vật lý cơ bản của một robot bao gồm thân, cánh tay và cổ tay. Thân được nối với đế và tổ hợp cánh tay thì được nối với thân. Cuối cánh tay là cổ tay được chuyển động tự do. Về mặt cơ khí, Rôbốt có đặc điểm chung về kết cấu gồm nhiều khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trị, tọa độ cầu… Trong robot thì thân và cánh tay có tác dụng định vị trí còn cổ tay có tác dụng định hướng cho end effector. Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho nó có thể linh động xoay theo các hướng khác nhau và cho phép Rôbốt định vị đa dạng các vị trí. Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của tay máy như: cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay, chuyển động tịnh tiến… Sự chuyển động của Robot bao gồm chuyển động của thân và cánh tay, chuyển động của cổ tay. Những khớp kết nối chuyển động theo 2 dạng trên gọi là bậc tự do. Ngày nay robot được trang bị từ 4 đến 6 bậc tự do. 5 Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di chuyển tới mà người ta chia robot thành bốn hình dạng cơ bản sau :  Robot cực (H 1.1.a) .  Robot Decac (H 1.1.b) .  Robot trụ (H 1.1.c).  Robot tay khớp (H 1.1.d) . a c b d Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản . Các khớp được sử dụng trong robot là khớp L, R, T, V (khớp tuyến tính, khớp quay, khớp cổ tay quay và khớp vuông). Cổ tay có thể có đến 3 bậc tự do. Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot Loại Tên Minh họa Output link L Tuyến tính R Quay T Cổ tay quay V Vuông Input link Output link Input link Output link Input link Output link Input link