BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

THÂN VĂN THẾ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện
tử
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm
2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

THÂN VĂN THẾ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số ngành: 60520114

...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
2-Về phương pháp nghiên cứu, độ tin cậy của các số liệu:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
3-Về kết quả khoa học của luận văn:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................


...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
4-Về kết quả thực tiễn của luận văn:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................
5-Những thiếu sót và vấn đề cần làm rõ:
...............................................................................................................................
...............................................................................................................................


Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS.TS. Trần Thu Hà

Chủ tịch

2

TS. Nguyễn Thanh Phuơng

Phản biện 1

3

TS. Nguyễn Duy Anh

Phản biện 2

4

TS. Võ Tường Quân

5

TS. Nguyễn Viễn Quốc

I- Tên đề tài:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe.

-

Xây dựng mô hình toán cho robot hàn. Mô hình hình học của robot hàn, mô
hình động học, mô hình động lực học của robot
hàn.

-

Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn.

-

Thiết kế, chế tạo robot hàn.

-

Chạy thực nghiệm robot hàn.

III- Ngày giao nhiệm vụ: Tháng 5 năm 2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2013
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN HÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TS Nguyễn Hùng – Phó Trưởng Khoa Cơ – Điện – Điện Tử Trường Đại Học Công
Nghệ Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu
và thực hiện luận văn.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học
Kỹ thuật Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, cùng quý thầy, cô đã tận tình truyền
đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt học trình
cao học.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn đã luôn động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Học viên thực hiện luận văn

Thân Văn Thế


3

TÓM TẮT
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện cho robot hàn sử
dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau [1-3]. Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều
khiển phi tuyến đơn giản được dùng để dò bám theo đường hàn cho trước, nhưng
chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học của hệ thống cơ khí
và các nhiễu từ bên ngoài. Chung [2] đề xuất bộ điều khiển trượt mà kết hợp phần
động học và động lực học cùng với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài, nhằm giải
quyết vấn đề dò theo đường hàn của robot hàn. Ngo [3] cũng đề xuất bộ điều khiển
trượt thích nghi cho cùng loại robot hàn trên, trong các bộ điều khiển trên, robot hàn
được khảo sát dựa vào mô hình động học với các thông số cho trước của nhiễu từ
bên ngoài. Tuy nhiên vận tốc tuyến tính của các điểm hàn không được giữ cố định
như thiết kế ban đầu.


Kết luận và hướng phát triển của đề tài.


4

ABSTRACT
In the past years, there are many researches have been done for
the welding mobile robot (WMR) using many kind of controller [1-3]. In [1],
the simple nonlinear controller of WMR was applied for tracking reference
welding path

but considered only

the

kinematic

model which ignored

the

mechanical system dynamic and external disturbances. Chung, et al. [2] proposed
the
sliding

mode

controller that


Design of nonlinear controllers for robot welding.

-

Design, fabrication welding robot

-

Run welding robot experiments.

-

Conclusions and directions of development topics


5

MỤC LỤC
Trang tựa

trang

NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN..........................................................................................................
ii TÓM TẮT ..............................................................................................................
iii

ABSTRACT

2.2.2. Nguyên lý điều khiển trượt .....................................................................31
2.2.3. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt ..................................................33
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
HAI BÁNH XE ......................................................................................................34
3.1. Mô hình hình học của robot hàn di động hai bánh xe: ..................................34


6

3.2. Mô hình động học của robot hàn di động hai bánh xe:..................................35
3.3. Mô hình động lực học của robot hàn di động hai bánh xe:............................36
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TÍCH PHÂN .................37
4.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................37
4.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân...........................................................37
4.3. Kết quả mô phỏng .........................................................................................40
4.3.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển ...................................................................40
4.3.2. Các kết quả mô phỏng ............................................................................40
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT HÀN ...........................................48
5.1. Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí của robot hàn ..............................................48
5.1.1. Kích thước robot .....................................................................................48
5.1.2. Cấu tạo robot ..........................................................................................50
5.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển robot hàn .............................................................53
5.3. Giới thiệu card DSP TMS320F28335 ...........................................................53
5.4. Bảng các chân kết nối của DSP.....................................................................57
5.5. Các Module mạch cầu H ...............................................................................58
5.6. Module Arduino Pro Mini.............................................................................61
CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................................................62
6.1. Giới thiệu ......................................................................................................62
6.2. Kết quả thực nghiệm. ....................................................................................64
6.2.1. Robot chạy bám theo đường hàn.............................................................64


Vận tốc dài của tâm rô bốt



rad/s

Vận tốc góc của tâm rô bốt

rw , lw

rad/s

(xw , yw )

m

vw

m/s

w

rad/s

xr , y r

m

v


r

m

Bán kính bánh xe

l

m

Chiều dài cơ cấu giữ mỏ hàn

mc

kg

Khối lượng của phần thân

mw

kg

Iw

kgm

Vận tốc góc điểm tham chiếu

Khối lượng của bánh lái




rw

,



2

kgm

Mô men xoắn của động cơ tác dụng lên bánh
xe phải và trái

lw

KC

Kinematic controller

ISMC

Integral sliding mode controller

WMR

Welding mobile robot


đích, b) di chuyển theo quỹ đạo...............................................................................16
Hình 1.3.2. cấu trúc của robot di chuyển bằng bánh xe ..........................................17
Hình 1.3.3. Mô hình Robot hàn MR-SL .................................................................18
Hình 1.3.4. Các sai số bám e1, e2, e3 có sai lệch .....................................................18
Hình 1.3.5. Vận tốc của mỏ hàn và WMR...............................................................19
Hình 1.3.6. Robot super MARIO ...........................................................................20
Hình 1.3.7. Các sai số bám

và

của robot super MARIO.................................20

Hình 1.3.8. Các sai số khi robot MICRO bám đường thẳng ...................................21
Hình 1.3.9. Các sai lệch bám

của robot hàn..............................................22

Hình 1.3.10. Vận tốc góc của robot của robot hàn...................................................22
Hình 1.3.11. Robot bám theo đường thẳng. .............................................................23
Hình 1.3.12. Robot bám theo đường cong. ..............................................................23


11

Hình 2.1. Minh họa hàm Lyapunov.........................................................................28
Hình 2.2. Sơ đồ khối một hệ thống điều khiển ........................................................28
Hình 2.3. Đồ thị quỹ đạo pha ..................................................................................29
Hình 2.4. Giải thích hiện tượng trượt ......................................................................30
Hình 2.5. Giải thích nguyên lý trượt........................................................................32
Hình 3.1. Cấu trúc hình học của robot hàn ..............................................................34

trình. Là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử.
Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng
nó có giác quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu
với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động.
Ngày nay, ngành công nghiệp robot đã đạt được những thành tựu hết sức to
lớn. Những cánh tay robot được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ
nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn
hoặc sơn. Trong công nghiệp điện tử, các cánh tay robot có thể sử dụng để lắp ráp
linh kiện cho ti vi, máy tính, điện thoại di động với độ chính xác rất cao.
Robot đã dần thay thế con người làm những công việc ở những nơi có môi
trường độc hại cao, như hầm mỏ, nghề đúc kim loại, ngành nghề sản xuất phải tiếp
xúc với các hóa chất độc hại, ngành hàn vv. Ở đây người nghiên cứu đề cập đến
robot ứng dụng trong ngành hàn.
Công nghệ hàn hồ quang đã ứng dụng hồ quang điện để tạo ra nhiệt độ làm
nóng chảy kim loại, khi ngắt hồ quang điện kim loại nóng chảy được để nguội, kim
loại đông đặc lại và tạo ra liên kết giữa các vật hàn với nhau.
Bản chất của hồ quang và sự ra đời của nó:
Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực, xảy ra trong chất khí ở áp suất
thường, hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Trên thực tế
nó là dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục, nó có rất nhiều ứng dụng
trong kỹ thuật nhờ nhiệt độ cao của các cặp điện cực. Một cực của hồ quang là tấm


2

kim loại cần hàn còn cực kia là que hàn, do nhiệt độ cao giữa hai cực, que hàn nóng
chảy và lấp chỗ cần hàn trên tấm kim loại.

Hình 1.1. Máy hàn hồ quang điện
- Máy hàn này sử dụng que hàn có thuốc bọc.

nghiệp như chế tạo máy, xây lắp công trình công nghiệp và dân dụng, giao thông
vận tải và hóa chất, vv. Với các ứng dụng của các loại máy hàn sau:

Hình 1.2. Máy hàn điểm
- Máy hàn điểm dùng để hàn đính từng điểm.
- Sử dụng dòng điện làm nóng chảy kim loại và lực ép tạo ra mối hàn .


Hình 1.3. Máy hàn hồ quang điện ARC400
- Máy hàn dùng dòng điện xoay chiều.
-

Được sử dụng phổ biến để hàn. Với nhiều máy hàn loại khác nhau có dòng

Hình 1.4. Máy hàn hồ quang điện HERO DC – 315
- Máy hàn hồ quang dùng dòng một chiều.
- Máy hàn có dòng hàn ổ định.
- Ứng dụng dùng để hàn mối mối hàn chịu tải lớn.


-

-

Hình 1.5. Máy hàn công nghệ Inverter
-

Loại máy hàn này có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn.

-


- Là dòng robot thông minh ứng dụng trong hàn công nghiệp, với tầm với và
tốc độ hàn nhanh nhất so với các sản phẩm cùng loại.

Hình 1.9. Máy hàn của hãng Panasonic
- Robot hàn đường thẳng của mối hàn góc.
- Độ chính xác và tốc độ hàn cao

Hình 1.10. Rùa hàn tự động bám dầm Hit-8SS


- Máy hàn góc.
- Máy hàn có tính ổn định cao.
- Hàn theo đường thẳng.

Hình 1.11. Hàn hồ quang chìm tự động
- Máy hàn tự động, hàn hồ quang, chạy theo đường thẳng.
- Mối hàn đạt chất lượng cao.
- Được dùng nhiều trong hàn kết cấu lớn.
Tuy nhiên, dù đạt nhiều thành công những robot hàn trên vẫn còn nhược
điểm cơ bản là thiếu tính lưu động. Những cánh tay robot chỉ có thể di chuyển trong
một khoảng không gian cố định phụ thuộc vào nơi nó được đặt, hoặc là di chuyển
hàn theo đường thẳng. Vấn đề đặt ra trên thực tế cho thấy các vật hàn rất đa dạng ,
đường hàn có thể thẳng , có thể cong và có không gian rất rộng, vì vậy đòi hỏi phải
có robot đáp ứng được yêu cầu thực tế đặt ra. Vì vậy những robot tự hành (Mobile
robot ) ra đời, nó có thể di chuyển khắp nơi, khả năng ứng dụng linh hoạt, làm cho
nó có thể được sử dụng ở bất cứ nơi đâu.