ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU
Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƯƠNG
Người HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN
THÁI NGUYÊN - 2010
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Phản biện 1 : TS. Phạm Hữu Đức Dục
Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỤC LỤC
2
MỤC LỤC 3
MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG 1: 8
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 8
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 8
2.1 Khái quát 14
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều 14
2.2.1 Các thông số ban đầu 14
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều 14
2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều 14
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 15
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều 15
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều 15
3
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 15
2.2.1.3 Biến dòng: 15
2.2.1.4 Máy phát tốc: 15
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 15
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 15
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 16
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 16
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (): 16
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 16
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí () 17
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 17
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 17
2.3.1 Mô hình simulink 17
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 17
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 18
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh
tay Robot 2 khâu 18
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 18
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 18
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 18
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 19
Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 29
3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 29
3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 29
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 29
3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 29
3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 29
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 30
3.4 Nhận xét chương 3 30
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31
1. Kết luận 31
2. Kiến nghị 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 33
5
MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ khi con
người biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tưởng điều khiển tự động đã được đặt
lên hàng đầu.
Con người đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.
Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot. Ngày nay
Robot đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn
trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng
như trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống
sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động. Robot ngày càng thông
minh và linh hoạt, chính vì thế robot được xem là sản phẩm điển hình của nền khoa
học kỹ thuật.
Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số: 82/2001/QĐ-
TTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một
trong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ. Vì thế việc nghiên cứu các
phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất được nhiều nhà
khoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong
1.1.1. Robot và robotic:
1.1.2. Robot công nghiệp:
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
1.1.3.1. Cấu trúc chung:
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot
1.1.4.2.Truyền động điện
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
1.1.6.1. Khái quát
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính
Chiều dài khâu 1 l
1
0,26 m
Chiều dài khâu 2 l
2
0,26 m
8
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 l
c1
0,0983 m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 l
c2
0,0229 m
Khối lượng khâu 1 m
1
6,5225 kg
Khối lượng khâu 2 m
e
y
] thông qua [
1
θ
,
2
θ
]. Giả sử quan
hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm ϕ, khi đó ta viết:
9
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu
1 1 2 1 2
1 1 2 1 2
sin( ) sin( )
cos cos( )
e
e
y l l
x l l
θ θ θ
θ θ θ
= + +
= + +
(1.1)
Phương trình trên mô tả vị trí và hướng của điểm tác động cuối của robot hay
còn gọi là phương trình động học của cánh tay robot trong mặt phẳng.
1.2.2.Bài toán động học ngược
Mô hình động học ngược của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều
θ θ θ
=
bằng việc giải phương trình
( )
1
1
2
,
e e
x y
θ
ϕ
θ
−
=
.Cụ thể:
( )
( )
1 1
2 2
1
1 2 2
2 2 2 2
1
1 2
+ − −
=
÷
(1.2)
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ
1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu
Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot mang tải với khối lượng m
t
và
môn ment quán tính J
t
.
2
1
11 12 1
1 1 1 2
2
21 22 2
2
2 1
( )
. 2 .
( )
M t
D D G
H H
D = l ( l 2 l ) ( ) 2
t t t
J m c m l c l c C J J m l l m l l C
+ + + + + + + + +
(1.24)
2 2
12 21 2 2 1 2 2 2 2
D = D = (l l )
t t
m c l c C J J m l
+ + + +
(1.25)
11
2 2
22 2 2 2 2
D = l
t t
m c J J m l
+ + +
(1.26)
2 1 2 1 2 2
H = ( lg )
t
m l m l l S
− +
(1.27)
1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12
= l ( l ) ( )
t
G m g c C m g l C c C m g l C l C
θ θ
(1.35)
12
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD
1.4.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID
1.4.4 Nhận xét chung
Các thuật điều khiển đã giới thiệu (P, PD, PID) ở trên đều dựa vào mô hình
toán học của robot n DOF. Do đó, các luật điều khiển áp dụng việc tính toán trên cơ
sở mô men tính. Tuy nhiên, thực tế điều khiển robot, chính là điều khiển hệ thống
dẫn động (Actuators). Sơ đồ hệ thống được mô tả như sau:
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động
Việc thiết kế bộ điều khiển (PID, mờ, ) đối với hệ thống robot + các bộ
dẫn động có nhiều cách, chẳng hạn như:
- Xác định mô hình toán học của hệ thống (bao gồm robot và các bộ dẫn
động), sau đó tính toán lựa chọn các bộ điều chỉnh (P, PD, PI, PID, ) để hệ làm
việc đạt yêu cầu mong muốn.
- Xác định hệ dẫn động, mô hình toán học của bộ dẫn động và thiết kế bộ
điều khiển (P, PI, PD, PID, ) cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển robot (quĩ
đạo, vị trí, ), xem robot như là đối tượng chấp hành, sau đó mô phỏng hệ thống
(gồm robot + hệ dẫn động) và tiến hành hiệu chỉnh các bộ điều khiển để đạt được
yêu cầu đặt ra. Đây cũng chính là nhiệm vụ trong tâm của đề tài nghiên cứu này.
13
CHƯƠNG 2:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU
2.1 Khái quát
Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị
trí động cơ theo ba vòng kín sau:
kg.m
2
Hằng số sức phản điện động K
b
0,247 V.s/rad
Hằng số từ thông động cơ K
a
0,284 N.m/A
Điện trở phần ứng R
u
1,8
Ω
Điện cảm phần ứng L
u
0,0049 H
Hệ số ma sát F
m
0,055 Nm
14
Khả năng mang tải M 134 N
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu
2.2.1.3 Biến dòng:
2.2.1.4 Máy phát tốc:
2.2.1.5 Cảm biến vị trí:
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI):
(2.12)
(-)
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ():
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ
PT21
1
Si
+
R
ϕ
R
ω
i
K
1
pTC
R
cu
Jp
1
ω
ω
+
pT1
K
1
vt
vt
K
).
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID
2.3.1 Mô hình simulink
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Toa do X
Toa do Y
ϕ
đ
(-)
(-)
I
M
C
U
i
(p)
ω
R
ω
PT21
1
Hình 2.19: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Sai lech
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID.
Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,
đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:
+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời gian
cánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo. Do Robot đáp ứng chậm và
momen sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao động
lớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo. Thời gian dao động trong
khoảng 2s. Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thống
trễ so với giá trị đầu vào. Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ.
+ Tại t=10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thay
đổi chiều quay của động cơ hai khâu, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước
khi xác lập. Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rất
nhiều, và sai số xác lập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001.
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí
cho cánh tay Robot 2 khâu.
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
K K K
=
và
min ax
,
m
I I I
K K K
=
Zhao, Tomizuka và Isaka
đã chuẩn hoá các tham số đó như sau:
min
ax min
P P
p
m
P P
K K
k
K K
−
=
−
;
min
ax min
Hesok
P
, Hesokd, Hesoki, trong đó:
2
;
i
P
i
D D
T
K
K
T K
α
α
= =
(2.44)
Và do đó, nó có thể xem nó như ba bộ chỉnh định mờ nhỏ, mỗi bộ có hai đầu
vào và một đầu ra.
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ
− Bộ điều khiển mờ cần 2 input và 1 output.
− Hai input là sai lệch vị trí góc (et) và đạo hàm của sai lệch vị trí góc (det)
của khớp 1 và 2.
− Output là tín hiệu điều khiển Hesokp, Hesokd và Hesoki(đã chuẩn hóa)
19
cho bộ PID.
Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD
20
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI
Hesoki = { S, MS, M, B }.
Chọn hàm thuộc dạng tam giác cân, sự phân bố các giá trị mờ như sau:
* Lưu ý : Miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên có thể thay đổi cho phù hợp
với điều kiện thực tế. Các miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên chỉ là giá trị phỏng
đoán, không phải là giá trị chính xác.
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function).
Đây chính là một điểm cực kỳ quan trọng vì trong quá trình làm việc Bộ điều
khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Cần chọn các hàm
liên thuộc có phần chồng lên nhau để không xuất hiện các “lỗ hổng”, điều này là rất
cần thiết. Nếu không sẽ gây ra hiện tượng cháy nguyên tắc và tạo ra các vùng chết.
22
-15 -10 -5 0 5 10 15
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
et1
Degree of membership
NB NM NS ZE PS PM PB
Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
HesoKP1
NS M MS MS S MS MS M
ZE B M MS MS MS M B
PS M MS MS S MS MS M
PM MS MS S S S MS MS
PB S S S S S S S
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki
Hesoki
dw/dt
NB NM NS ZE PS PM PB
e(t)
NB B B B B B B B
NM M M B B B M M
NS S MS M M M MS S
ZE S S MS MS MS S S
PS S MS M M M MS S
25
Copyright: Tài liệu đại học ©