Tài liệu Nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : 605260 Học Viên: HÀ XUÂN VINH Cán bộ HDKH : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC Học viên : Hà Xuân Vinh Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Hà Xuân Vinh BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Hà Xuân Vinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3 MỤC LỤC ...................................................................................................................4 DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................9 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỞ .........................15 1.1 Tổng quan về Robot .................................................................................................. 15 1.1.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................... 15 1.1.2 Hệ truyền động trong Robot .............................................................................. 16 1.1.2.1 Truyền động điện ......................................................................................... 16 1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực ................................................................ 17 1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot ..................................................................... 17 1.1.3.1 Khái quát ..................................................................................................... 17 1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .............................................................. 18 1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF .......................................................... 20 1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ .............................................................. 23 1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ ............................................................................... 23 1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tƣởng ................................................................................ 24 1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản ........................................................................................ 25 1.2.3.1 Khối mờ hóa ............................................................................................... 26 1.2.3.2 Khối hợp thành ........................................................................................... 26 1.2.3.3 Khối luật mờ ............................................................................................... 27 1.2.3.4 Khối giải mờ .............................................................................................. 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 1.2.4 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ ................................................................... 29 1.2.4.1 Những điểm cần lƣu ý................................................................................. 29 1.2.4.2 Khảo sát tính ổn định của hệ mờ ................................................................ 31 1.2.5 Tối ƣu ................................................................................................................. 33 1.2.6 Kết luận về điều khiển mờ ................................................................................. 33 1.2.6.1 Ƣu điểm ...................................................................................................... 33 1.2.6.2 Khuyết điểm ................................................................................................ 34 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH BỘ THAM SỐ PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC ............................................................35 2.1 Khái quát .................................................................................................................... 35 2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều................................ 36 2.2.1 Các thông số ban đầu. ......................................................................................... 36 2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. .............................................................................. 36 2.2.1.2 Bộ chỉnh lƣu. ................................................................................................ 39 2.2.1.3 Biến dòng: .................................................................................................... 40 2.2.1.4 Máy phát tốc: ............................................................................................... 40 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: ............................................................................................ 40 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): ...................................................... 41 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): .................................................. 45 2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ). ..................................................... 47 2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. .............................................................. 51 2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF. .......................................................................................... 53 2.3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 2.3.2 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID .................................. 54 2.3.3 Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PD. ...................... 56 2.3.3.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó .......................................................... 58 2.3.3.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function). ....................................... 59 2.3.3.3 Xây dựng các luật điều khiển....................................................................... 62 2.3.3.4 Luật hợp thành ............................................................................................. 64 2.4 Kết luận Chƣơng 2 ..................................................................................................... 65 CHƢƠNG 3 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG .........66 3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. .................................................................................................................................. 66 3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. ............................................................................................................ 66 3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID(với trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0). ...................... 68 3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD. ......................................................................................... 74 3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD. ................................................................... 74 3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD(với trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0). ............................................................................................................................ 75 3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD ................ 81 3.3.1 Trƣờng hợp Mt = 0. ............................................................................................ 81 3.3.2 Trƣờng hợp Mt = 1. ............................................................................................ 83 3.3.3 Trƣờng hợp Mt=3. .............................................................................................. 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 1.Kết luận. ........................................................................................................................ 91 2. Kiến nghị...................................................................................................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay robot .....19 Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF ................................................20 Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều ................................................37 Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp ............................................................................62 Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd ............................................................................62 Bảng 2.4: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB ..............................................64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu ................................................................ 18 Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF ................................................................................. 19 Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF .......................................................... 20 Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ...................................................... 26 Hình 1.4: Sơ đồ xác đị nh trung bì nh tâm ............................................................................ 29 Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ....................................... 36 Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. ............................ 39 Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển........................................................... 39 Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. .............................................................. 41 Hình 2.5 ............................................................................................................................... 42 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. ............................................................... 44 Hình 2.7 ............................................................................................................................... 45 Hình 2. 8 .............................................................................................................................. 48 Hình 2. 9 .............................................................................................................................. 49 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí .............................................................. 51 Hình 2.11. Quan hệ giữa  và . ....................................................................................... 52 Hình 2.12: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID .................................. 55 Hình 2.13: Bên trong bộ chỉnh định mờ .............................................................................. 56 Hình 2.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ ..................................................................................... 56 Hình 2.15: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 1 .................................................................... 57 Hình 2.16: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 2 .................................................................... 57 Hình 2.17: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det .............................. 59 Hình 2.18: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd .............................. 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Hình 2.19: Xác định tập mờ cho biến vào et ....................................................................... 60 Hình 2.20: Xác định tập mờ cho biến vào det ..................................................................... 61 Hình 2.21: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp ................................................................. 61 Hình 2.22: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd ................................................................. 62 Hình 3.1: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ..................................................... 66 Hình 3.2 : Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 ................................... 66 Hình 3.3: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 .................................... 67 Hình 3.4: Mô hình khối subsystem1 .................................................................................... 67 Hình 3.5: Mô hình khối subsystem2 .................................................................................... 67 Hình 3.6: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 ............................................................................ 67 Hình 3.7: Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 ............................................................................ 67 Hình 3.8: Mô hình Robot 2DOF .......................................................................................... 68 Hình 3.9: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID ................................... 68 Hình 3.10: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID. ..................................................................... 69 Hình 3.11: So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 .................................... 70 Hình 3.12: Sai lệch góc của khớp 1 ..................................................................................... 70 Hình 3.13: Tốc độ sai lệch góc của khớp 1.......................................................................... 70 Hình 3.14: Dòng điện Động cơ 1 ......................................................................................... 71 Hình 3.15: Tốc độ của Động cơ 1 ........................................................................................ 71 Hình 3.16: Moment khớp 1 .................................................................................................. 71 Hình 3.17: So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .................................... 72 Hình 3.18: Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .............................................................................. 72 Hình 3.19: Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .................................................................. 72 Hình 3.20: Dòng điện Động cơ 2 ......................................................................................... 73 Hình 3.21: Tốc độ Động cơ 2 .............................................................................................. 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 Hình 3.22: Moment khớp 2 .................................................................................................. 73 Hình 3.23: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PD ........................................................................................................................................ 74 Hình 3.24: Mô hình bộ điều khiển 1 .................................................................................... 74 Hình 3.25: Mô hình bộ điều khiển 2 .................................................................................... 75 Hình 3.26: Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1 ..................................................... 75 Hình 3.27: Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC2 ..................................................... 76 Hình 3.28: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo Robot dùng Fuzzy ............................................ 76 Hình 3.29: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy................................................................... 76 Hình 3.30: Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 .......................... 77 Hình 3.31: Sai lệch góc của khớp 1 ..................................................................................... 77 Hình 3.32: Tốc độ sai lệch góc của khớp 1.......................................................................... 77 Hình 3.33: Dòng điện Động cơ 1 ......................................................................................... 78 Hình 3.34: Tốc độ Động cơ 1 .............................................................................................. 78 Hình 3.35: Moment khớp 1 .................................................................................................. 78 Hình 3.36: Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .......................... 79 Hình 3.37: Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .............................................................................. 79 Hình 3.38: Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .................................................................. 79 Hình 3.39: Dòng điện Động cơ 2 ......................................................................................... 80 Hình 3.40: Tốc độ Động cơ 2 .............................................................................................. 80 Hình 3.41: Moment khớp 2 .................................................................................................. 80 Hình 3.42: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy ................................................................. 81 Hình 3.43: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 81 Hình 3.44: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 82 Hình 3.45: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 Hình 3.46: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 82 Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy ....................................... 83 Hình 3.48: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy ....................................... 83 Hình 3.49: Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ................................................ 83 Hình 3.50: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 84 Hình 3.51: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 84 Hình 3.52: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 85 Hình 3.53: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 85 Hình 3.54: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy ....................................... 85 Hình 3.55: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy ....................................... 86 Hình 3.56: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ....................................................... 86 Hình 3.57: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 87 Hình 3.58: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................................... 87 Hình 3.59: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 87 Hình 3.60: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 88 Hình 3.61: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy ....................................... 88 Hình 3.62: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy ....................................... 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 MỞ ĐẦU Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lƣợng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phƣơng tiện tự động hóa sản xuất. Xu hƣớng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng ngƣời máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt. Robot đóng vai trò quan trọng trong tự động hoá linh hoạt nhƣ công tác vận chuyển bổ trợ cho máy CNC, trong dây chuyền lắp ráp, sơn hàn tự động, trong các thao tác lặp đi lặp lại, trong các vùng nguy hiểm. Ƣu điểm quan trọng nhất của kỹ thuật robot là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất. Để hệ điều khiển Robot (ĐKRB) có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết kiệm năng lƣợng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ ĐKRB phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lƣợng điều chỉnh và điều khiển. Khi thiết kế hệ ĐKRB mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện đƣợc tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lƣợng và các yêu cầu kinh tế.. Đối với hệ ĐKRB, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện, các thiết bị đo lƣờng, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phƣơng pháp điều khiển có ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ. Đặc điểm cơ bản của hệ thống ĐKRB là thực hiện đƣợc điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trƣớc trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi, điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyển động thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ ĐKRB mang tính phi tuyến, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệ thống ĐKRB. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Căn cứ vào những nhận xét, đánh giá trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng bộ Điều khiển mờ cho hệ điều khiển chuyển động cánh tay Robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo đƣợc nhận dạng trƣớc ” để làm đề tài nghiên cứu. Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng: Chương 1: Tổng quan về Robot và Điều khiển mờ. Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID để điều khiển chuyển động cánh tay Robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống. Các kết luận và kiến nghị. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn Nhƣ Hiển – ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010 Ngƣời thực hiện Hà Xuân Vinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỞ 1.1 Tổng quan về Robot 1.1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ ―Robot‖ có nguồn gốc từ chữ ―Robota‖, tiếng Czech, nghĩa là công việc tạp dịch. Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là ―Ngƣời máy công nghiệp‖. Ngày nay, các thiết bị đƣợc điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con ngƣời để tiến hành các thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác đƣợc gọi là robot. `Robot đã và đang đƣợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống con ngƣời, nhất là trong sản xuất và trong các nhiệm vụ đặc biệt khác. Về kỹ thuật, sự ra đời của robot có nguồn gốc từ hai lĩnh vực là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số [p]. Vào những năm giữa thế kỷ XX, sự ra đời của các máy công cụ điều khiển số đã đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên ra đời từ đó, thực chất là việc kết hợp giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Sau đó, cùng với các tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực điện tử, nhất là việc chế tạo đƣợc các vi xử lý có khả năng tính toán và xử lý số liệu phức tạp một cách nhanh chóng, robot đƣợc phát triển để sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp (nhƣ sản xuất ô-tô), thực hiện các tác nghiệp dịch vụ, ... với những tính năng ngày càng nâng cao và gần gủi với con ngƣời hơn. Càng ngày, sự phát triển của các loại robot càng mạnh với mức độ ―tri thức‖ càng cao, hệ thống điều khiển đƣợc số hoá và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhân tạo, tính toán mềm, ... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 Trong các ―bộ phận‖ cấu thành robot, cánh tay robot (robot arm) đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó đƣợc thiết kế và điều khiển linh hoạt, ổn định, ... càng cao thì khả năng ứng dụng càng lớn. Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng nhƣ nhu cầu sử dụng robot trong công nghiệp, ngƣời ta đã nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế các phƣơng pháp điều khiển robot và cánh tay robot, ví dụ nhƣ: - Các phƣơng pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trƣớc; - Các phƣơng pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ƣu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trƣợt, …). 1.1.2 Hệ truyền động trong Robot Robot có thể đƣợc điều khiển bằng các hệ truyền động nhƣ: truyền đồng điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, ... 1.1.2.1 Truyền động điện Với nhiều ƣu điểm nhƣ: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ, không gây ô nhiễm môi trƣờng đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ truyền động điện đƣợc sử dụng phổ biến trong kỹ thuật robot. Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhƣợc điểm nhƣ thƣờng cần hộp giảm tốc, công suất thấp, ... Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn động (điều khiển) robot. Nhƣng do có nhiều ƣu điểm nổi bật, động cơ điện một chiều (DCM) và động cơ bƣớc đƣợc sử dụng nhiều hơn cả. Cùng với sự tiến bộ của khoa học điều khiển, ngày nay ngƣời ta cũng đang có xu hƣớng sử dụng động cơ điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị bộ nguồn một chiều, ...) và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM – Direct Current Brushless Motor). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực Ngoài truyền động điện, ngƣời ta cũng thƣờng dùng các loại truyền động khí nén và/hoặc thuỷ lực trong kỹ thuật điều khiển robot. Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi nhƣ: tận dụng các hệ thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xƣởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ đơn giản hơn. Hệ truyền động khí nén cũng tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều, ... Tuy vậy cũng có nhƣợc điểm nhƣ: chuyển động của chất khí thƣờng kèm dao động do tính nén đƣợc của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn, giảm ồn, ... Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ƣu điểm là khả năng vận hành với tải trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động. Nhƣợc điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều nhƣ thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, các van điều chỉnh, đƣờng ống, ... làm cho hệ truyền động-robot khá cồng kềnh so với các hệ truyền động khác. 1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot 1.1.3.1 Khái quát Cấu trúc của robot thƣờng bao gồm các thành phần chính nhƣ: - Cánh tay robot, - Hệ thống, - Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối, - Các cảm biến, - Các bộ điều khiển, - Các phần mềm lập trình, ... Cánh tay robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) đƣợc liên kết với nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thƣờng gồm hai loại: khớp nối cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay robot, ta cần quan tâm đến số bậc tự do (DOF), trƣờng công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải, ... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 Cánh tay robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Mô hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu nhƣ Hình 1.1. z0 z3 z2 zn q3 khớp 2 khâu 2 q2 z1 khớp 1 qn khâu n khâu 1 q1 y0 x0 Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu Mỗi khớp của cánh tay robot thƣờng đƣợc điều khiển độc lập thông qua các bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, ...) có thể đƣợc gắn trực tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp. Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích hợp nào đó nhằm đạt đƣợc mục tiêu thiết kế và sử dụng. Các cảm biến đo lƣờng gắn trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển đƣợc về hệ thống điều khiển để xử lý và đƣa ra quyết định. Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều khiển cánh tay robot, ta cần quan tâm đến véc-tơ dịch chuyển q = [q1, q2, ..., qn]T (q Rn). 1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay robot nhằm thực hiện một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phƣơng thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. Bảng 1.1 minh hoạ đặc điểm của hai chuyển động đó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 CP PTP Sự dịch Vị trí bắt đầu và kết thúc và Vị trí bắt đầu và kết thúc là chuyển đƣờng dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc rất quan quan trọng nhƣng đƣờng dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến trọng điểm kết thúc là không Robot làm việc có đòi hỏi về độ chính xác bề mặt nhƣ: mạ, Robot làm việc tại các công đoạn lắp ráp, nâng hạ, ... Ví dụ ứng dụng mài, ... Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay robot Điều khiển robot nói chung và cánh tay robot nói riêng, đó là việc điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc mô men để làm dịch chuyển các khâu tƣơng ứng. Ta gọi lực hoặc mô ment cần tạo ra để điều khiển robot là véc-tơ  = [1, 2, ... n]. Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay robot với những giới hạn sau: - Điều khiển cánh tay robot hai khâu quay (Hình 1.2) hai bậc tự do (2DOF) với thông số cho ở Bảng 1.2. - Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo ra mô men quay cho hai khớp của robot. - Phƣơng thức dịch chuyển theo quỹ đạo. y y y2 J2 l1 lg1 1 z J1 m1 m2 2 lg2 x2 x l2 x Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 Thông số Giá trị Chiều dài khâu 1 Ký hiệu l1 0,26 Đơn vị tính m Chiều dài khâu 2 l2 0,26 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 lg1 0,0983 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 lg2 0,0229 m Khối lƣợng khâu 1 m1 6,5225 kg Khối lƣợng khâu 2 m2 2,0458 kg Mô men quán tính của khâu thứ nhất I1 0,1213 kg.m2 Mô men quán tính của khâu thứ nhất I1 0,1213 kg.m2 9,81 m/s2 Gia tốc trọng trƣờng g Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF 1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF Nghiên cứu động lực học robot là cần thiết để phục vụ cho việc phân tích và tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu nhƣ: sử dụng các định luật Newton-Euler hoặc nguyên lý D’Alembert, nhƣng thƣờng dùng hơn cả là phƣơng pháp cơ học Lagrange, cụ thể là phƣơng trình LagrangeEuler [PĐP]. Xét cánh tay robot 2DOF nhƣ Hình 1.2, gọi  là véc-tơ vị trí của hai khớp, khi đó:  = [  1  2]T. Chọn miền xác định của  1,  2 là: - /2 <  1< /2; - /2 <  2 < /2. a. Động học thuận Động học thuận robot 2DOF là việc xác định toạ độ của điểm tác động cuối trên cơ sở góc quay của trục khớp. Tức là xác định [x, y] thông qua [q1, q2]. Giả sử quan hệ của chúng đƣợc thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết: x   y    1 , 2    Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn