MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG

Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn
Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học - 264 Đội Cấn, Ba Đình, Hà Nội
E-mail: [email protected]
Tóm tắt:
Với nhiều lợi thế mà robot cơ cấu song song đem lại
như: độ chính xác, độ cứng vững cao, tốc độ làm
việc lớn, tiện lợi trong quá trình di chuyển, lắp đặt…
robot cơ cấu song song ngày càng được quan tâm và
ứng dụng rộng rãi. Bài báo đưa ra một giải pháp
hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song. Đầu
tiên là một số phân tích về xử lý song song, xử lý
phân tán trong điều khiển robot tiếp theo sẽ trình
bày về ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-loop
trong mô phỏng điều khiển robot, cuối cùng đưa ra
lựa chọn thiết bị và thuật toán điều khiển robot cơ
cấu song song mà phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học
đang phát triển.
1. Đặt vấn đề
Robot cơ cấu chuỗi đã được ứng dụng trên thế giới
từ rất sớm và ngày càng được phát triển. Tuy nhiên,
do tính chất kết cấu nên nó vẫn bộc lộ một số nhược
điểm vì vậy khả năng ứng dụng còn hạn chế.
Ra đời và phát triển sau nhưng với nhiều lợi thế hơn
so với robot cơ cấu chuỗi, robot cơ cấu song song

quản lý để đạt được mục tiêu chung của toàn hệ
thống. Cách phân chia như vậy được gọi là “xử lý
phân tán theo chức năng”. Theo cách này, mỗi bộ
phận sẽ chỉ phải xử lý một nhiệm vụ đơn giản do đó
sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích, thiết kế và xử lý
lỗi; mặt khác, các công việc được xử lý đồng thời sẽ
tăng được tốc độ của toàn hệ thống.
Với robot Hexapod mà đặc trưng là một chuỗi nhiều
khâu khép kín, để thực hiện một di chuyển của tấm
trên robot theo một quỹ đạo yêu cầu, cần đồng thời
có các tác động điều khiển tới sáu chân của robot và
chuyển động của các chân này phải có sự liên hệ
chặt chẽ. Không như robot chuỗi, nếu không có
được sự liên hệ chặt chẽ này sẽ gây ra hiện tượng
“giằng”, “xé” nhau giữa các chân. Chính vì vậy, yêu
cầu về độ chính xác của điều khiển robot Hexapod
đòi hỏi cao hơn, quá độ của mỗi khâu cũng phải
được kiểm soát chặt chẽ. Và cuối cùng là việc phối
hợp giữa các khâu đóng vai trò đặc biệt quan trọng
quyết định tới độ chính xác của quỹ đạo robot.
Hệ thống điều khiển
Để đạt được các yêu cầu trên, phương án thiết kế hệ
điều khiển cho robot Hexapod được chọn như trên
hình 3, trong đó:
−
ĐKPH: bộ điều khiển phối hợp,
− ĐKTP: các bộ điều khiển thành phần.
y

u

− Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển.
− Giảm chi phí trong quá trình thiết kế.
− Tránh được những sai sót không đáng có khi
ứng dụng thực tế.
Mô phỏng thời gian thực (real time simulation) theo
nguyên lý Hardware-in-the-loop nghĩa là có sử dụng
phần cứng (hardware) để mô phỏng vòng điều khiển.
Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh
giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả
năng của phần mềm điều khiển dưới điều kiện diễn
biến thời gian sát với thực tế. Điều này có ý nghĩa
quan trọng khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp
nhiều phần tử.
Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, động cơ
được chọn đã được mô phỏng theo nguyên lý trên,
bằng cách sử dụng một số công cụ sau:
− Phần mềm: Matlab, RTS.
− Phần cứng: PLC, PC, Card AD/DA.
Matlab/Simulink được sử dụng như là công cụ hỗ
trợ cho việc xây dựng và tối giản mô hình toán của
đối tượng điều khiển trong trường hợp này là động
cơ servo, xác định tham số cho mô hình để từ đó
chọn tham số của các thuật toán điều khiển.
RTS (Run Time Simulation) là phần mềm được phát
triển bởi phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, với mục
đích tạo ra một công cụ hỗ trợ cho việc mô phỏng
thời gian thực. Giao diện chính của RTS được đưa ra
trên hình 4.
Phần mềm RTS được phát triển theo cấu trúc
module, gồm 3 module sau:

− Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline.
− Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý
Hardware-in-the-loop.
ĐKPH
ĐKTP ĐKTP ĐKTPBước 1: Mô hình hoá động cơ servo
Tuy có sự khác nhau về kết cấu và nguyên lý làm
việc nhưng động cơ servo có thể được mô hình hóa
giống như động cơ điện một chiều. Thông qua biến
phức s, sự cân bằng điện của phần ứng được mô tả
bởi phương trình, [2]:
gaaaa
VIsLRV ++= )(

Trong đó:
−
a
V
,
a
R
,
a
L
,
a
I
lần lượt là điện áp, điện

với:
−
m
C
và
r
C
là mô men chủ động và momen
phản lực,
−
m
I
và
m
F
là mô men quán tính và hệ số cản
nhớt trên trục động cơ.
−
t
k
Hệ số tỷ lệ biểu diễn quan hệ giữa mô
men của động cơ và dòng điện phần ứng.
Nếu hệ số cản nhớt rất nhỏ so với hệ số hãm điện
năng, nghĩa là (
atvm
RkkF
/
<<
), đồng thời giả
thiết

ω

Đặt
tv
ma
kk
IL
T =
2
,
tv
ma
kk
IR
T =
ξ
2
,
v
k
k
1
=
, ta sẽ có:
c
V
TssT
k
12
22

ra dưới dạng tương tự của thiết bị điều chỉnh sẽ được
biến đổi thành dạng tín hiệu số nhờ bộ biến đổi A/D
để điều khiển mô hình của đối tượng, được thực hiện
trên máy tính. Ngược lại, đáp ứng đầu ra của mô
hình lại được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ
biến đổi D/A.

Hình 5: Sơ đồ ghép nối bộ điều khiển và mô hình
đối tượng qua card AD/DA
Đối tượng điều khiển được thực hiện dưới dạng mô
hình thời gian thực chạy trực tiếp trên phần cứng do
đó phần cứng này cần đảm bảo một số yêu cầu:
−
Tốc độ xử lý nhanh: đảm bảo tính năng thời
gian thực của quá trình mô phỏng đối tượng.
−
Có khả năng truyền thông, truy cập online để
thay đổi các tham số khi đang thực hiện mô
phỏng tạo điều kiện thuận lợi cho việc quan
A/D
D/A
D/A
A/D
Controllersát các trạng thái đang diễn biến trong quá
trình mô phỏng.
Bộ điều khiển và mô hình của đối tượng được ghép
nối qua card AD/DA. Card AD/DA phải có tốc độ

thể thay đổi thuật toán một cách linh hoạt và đặc biệt
thuận lợi cho việc trao đổi thông tin do đây là một hệ
đã được chuẩn hóa. Toàn bộ chương trình điều khiển
được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các
khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ
vòng quét. Cấu trúc module được sử dụng để tăng
tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế [3].
Với những ưu điểm của mình, phương án sử dụng
PLC được chọn dùng để xây dựng hệ điều khiển cho
robot Hexapod.
Độ dài của 6 chân quyết định vị trí của tấm trên
robot, và được điều khiển bởi 6 động cơ. Động cơ
được chọn phải có khả năng hoạt động ở một dải tốc
độ rộng, có thể duy trì mô men xoắn thích hợp để
giữ tải tại một vị trí nhất định. Với những tiêu chí
trên thì động cơ servo là một lựa chọn phù hợp cho
bài toán.
Hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-
300 của Siemens cùng với module chức năng điều
khiển động cơ FM357-2 và bộ khuếch đại công suất
SIMODRIVE 611 được chọn cho hệ điều khiển
robot Hexapod. Sơ đồ hệ điều khiển này được đưa ra
trên hình 6, [3].

Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot Hexapod
dùng PLC
FM357-2 kết hợp với SIMODRIVE 611 tạo thành
các bộ ĐKTP điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ
theo như sơ đồ trên hình 6. Trong đó:
−

Đặt tốc độ
ĐK vị trí
M
KĐCS
ĐC Servo Encoder
Tốc độ thực
Vòng ĐK tốc độ Vị trí thực
DAC
FM357-2 vậy CPU S7-300 sẽ đóng vai trò là bộ ĐKPH. Và
như trên đã nói, thuật toán điều khiển ở phần này là
đặc biệt quan trọng, quyết định tới quỹ đạo chuyển
động của robot.
3. Tính toán thông số điều khiển robot
Từ hình dạng của mỗi khuôn mẫu cần gia công, lập
quỹ đạo chuyển động của bàn gá phôi (tấm trên của
robot) trong không gian và rời rạc hóa quỹ đạo
chuyển động này. Tại mỗi điểm, tiến hành giải bài
toán động học ngược để xác định tọa độ và hướng
của tấm trên. Tiếp theo là tính độ dài của các chân
robot sao cho tấm trên của robot chuyển động theo
một quỹ đạo và hướng cho trước với vận tốc yêu cầu
(hình 8). Tất cả những công việc này được phần
mềm
alaska

thực của động cơ
Kết thúc
Bắt đầu
i = 0

Xuất tham số điều
khiển thứ i cho bộ
ĐKTP thứ k
S
Kết thúc
i = i + 1
k = 0
i = n -1
Đ
k = 5
k = k + 1
S
Đ
Đưa robot về vị trí 0
Nhận dữ liệu về độ dài
chân robot
Nhập dữ liệu về khuôn
mẫu cần gia công

Đưa ra quỹ đạo chuyển động
Tính tọa độ và hướng của
tấm trên robot
Tính độ dài của các chân

Bắt đầu