điều khiển đồng bộ robot cáp song song synchronization control of cable driven parallel robots

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.09 MB, 106 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---

ĐÀO VĂN KIÊN

ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ ROBOT CÁP SONG SONG SYNCHRONIZATION CONTROL OF CABLE-

DRIVEN PARALLEL ROBOTS

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Nguyễn Tấn Lũy

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Trần Đức Thiện

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 20 tháng 01 năm 2024.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Sơn (Đại học Công Nghiệp TPHCM) 2. Thư ký: TS. Trần Ngọc Huy

3. Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Tấn Lũy

4. Phản biện 2: TS. Trần Đức Thiện (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM)

5. Ủy viên: TS. Nguyễn Hoàng Giáp

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Đào Văn Kiên MSHV: 2170991 Ngày, tháng, năm sinh: 11/07/1999 Nơi sinh: Đắk Lắk Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 8520216

I. TÊN ĐỀ TÀI

Điều khiển đồng bộ Robot Cáp Song Song.

Synchronization control of cable-driven parallel robots II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

• Nghiên cứu và thiết kế robot cáp song song sử dụng phương pháp điều khiển đồng bộ nhằm đồng bộ hóa chuyển động các sợi cáp của robot từ đó cải thiệt chất lượng của hệ thống.

• Mơ phỏng để kiểm tra, đưa ra đánh giá và nhận về chất lượng tối ưu của giải thuật điều khiển.

• Thực nghiệm để kiểm tra, đưa ra đánh giá, nhận xét về tính thực tiễn của hệ thống.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2023

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Huỳnh Thái Hồng

TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến Thầy PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng, người đã chỉ dẫn và hỗ trợ tơi trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn này.

Tơi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy/Cô ở Trường Đại học Bách khoa đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Những kiến thức và hướng dẫn mà Thầy/Cô đã truyền đạt đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của tơi.

Ngồi ra, tơi muốn tỏ lịng biết ơn đối với gia đình, bạn bè, và những người thân yêu đã luôn ở bên cạnh và động viên tôi trong suốt thời gian này.

Cuối cùng, tôi hi vọng rằng cơng trình này có thể góp phần nhỏ bé vào sự phát triển của lĩnh vực nghiên cứu và tôi cam kết tiếp tục đóng góp và học hỏi trong tương lai.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 12 năm 2023 Học viên thực hiện

Đào Văn Kiên

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

TÓM TẮT

Trong Luận văn này, phương pháp điều khiển đồng bộ được nghiên cứu nhằm mục đích điều khiển quỹ đạo robot cáp song song. So với các phương pháp điều khiển truyền thống, từng sợi cáp được điều khiển một cách độc lập mà không quan tâm đến trạng thái các sợi cáp còn lại dẫn đến hiện tượng đụng độ làm giảm chất lượng điều khiển, phương pháp điều khiển đồng bộ được đề suất nhằm đồng bộ hóa chuyển động giữa của các sợi cáp giúp tăng cường tính đồng bộ, tránh xung đột và nâng cao chất lượng bám quỹ đạo của robot. Ngồi ra, bộ điều khiển này cịn được triển khai trong không gian cáp góp phần tăng tốc độ điều khiển, giảm thiểu độ

phức tạp và chi phí triển khai bộ điều khiển.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

ABSTRACT

In this thesis, a synchronous control method is investigated with the aim of controlling the trajectory of a parallel cable robot. In comparison to traditional control methods, where each cable is controlled independently without considering the status of the remaining cables, leading to collision issues that degrade control quality, the synchronous control method is proposed to synchronize the motion of all cables, enhancing synchronization, preventing collisions, and improving the trajectory tracking quality of the robot. Furthermore, this control system is implemented in a cable space, contributing to accelerated control speed, reduced complexity, and deployment cost minimization.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “Điều khiển đồng bộ Robot Cáp Song Song” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng. Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn được trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Nếu phát hiện sai phạm tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra.

HỌ TÊN HỌC VIÊN

Đào Văn Kiên

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

MỤC LỤC

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ... 1

1.1. Sơ lược các vấn đề liên quan ... 1

1.2. Giới thiệu vấn đề cần nghiên cứu ... 1

1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan ... 2

1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu đầu tiên ... 2

1.3.2. Không gian tác vụ và không gian cáp ... 4

1.4. Mục tiêu luận văn và phương pháp nghiên cứu ... 7

1.4.1. Lý do chọn đề tài ... 7

1.4.2. Mục tiêu của đề tài ... 7

1.5. Phương pháp nghiên cứu ... 8

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 9

2.1. Mơ hình hóa Robot song song truyền động bằng cáp. ... 9

2.1.6. Động lực học cho Robot 3 bậc tự do và 4 sợi cáp ... 16

2.2. Phương pháp điều khiển đồng bộ ... 16

2.2.1. Sai số đồng bộ, sai số liên kết và sai số tổng hợp. ... 16

2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng mong muốn (SC-DTC) ... 18

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng thực

tế (SC-RTC) ... 21

Chương 3. MÔ PHỎNG ... 23

3.1. Phương pháp ... 23

3.2. Cấu hình ... 23

3.3. Quy hoạch quỹ đạo ... 24

3.4. Kiểm tra đặc tính động lực học CDPRs Robot ... 25

3.5. Phương pháp SC-DTC ... 29

3.6. Phương pháp SC-RTC ... 32

3.7. So sánh đánh giá chất lượng điều khiển của bộ điều khiển đồng bộ ... 35

3.7.1. So sánh giữa bộ điều khiển PD và SC-DTC ... 36

3.7.2. So sánh giữa bộ điều khiển PD và SC-RTC ... 39

3.7.3. So sánh chất lượng của bộ điều khiển đồng bộ khi không bù lực căng và ma sát 41Chương 4. THỰC NGHIỆM ... 45

4.1. Cấu trúc phần cứng ... 45

4.1.1. Cấu trúc phần cứng ... 45

4.1.2. Thiết kế và thi công ... 48

4.1.3. Giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu... 53

4.1.4. Nhận dạng tham số tời kéo ... 54

4.2. Lập trình vi điều khiển... 59

4.3. Kết quả thực nghiệm ... 62

4.3.1. Phương pháp SC-DTC ... 62

4.3.2. Phương pháp SC-RTC ... 67

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

4.3.3. So sánh kết quả với bộ điều khiển PID ... 72

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot song song truyền động bằng cáp đầu tiên [1] ... 2

Hình 1.2 Robot NIST RoboCrane [2] ... 3

Hình 1.3 Cấu trúc CDPRs được sự dụng trong thí nghiệm của B. Abdullah [3] ... 3

Hình 1.4 CDPRs trong hệ trục tọa độ descartes [3] ... 4

Hình 1.5 Vị trí của đế di động được xác định bằng laser [4] ... 4

Hình 1.6 CDD camera được dùng để theo dõi chuyển động của Robot [6] ... 5

Hình 1.7 Điều khiển CDPR sử dụng CCD camera với tốc độ 200fps [7] ... 5

Hình 1.8 Bộ điều khiển phân tầng [7] ... 6

Hình 1.9 Quỹ đạo Robot khi quy hoạch quỹ đạo theo hình tam giác [11] ... 7

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc CDPR gồm m sợi cáp [12] ... 9

Hình 2.2 Mơ hình Robot 3 bậc tự do và 4 sợi cáp ... 11

Hình 2.3: Bộ điều khiển SC-DTC [12] ... 19

Hình 3.1 Mơ hình CDPRs được vẽ bằng SolidWork ... 23

Hình 3.2 Quy hoạch quỹ đạo S-line ... 25

Hình 3.9 Tọa độ đế di động khi u=[ 1,1,1,1]... 28

Hình 3.10 Mơ hình simulink bộ điều khiển đồng bộ ... 29

Hình 3.11 Bộ điều khiển SC-DTC ... 29

Hình 3.12 Chiều dài cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 30

Hình 3.13 Vị trí của đế di động với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 30

Hình 3.14 Tín hiệu điều khiển với quỹ đạo đường xoắn ốc... 31

Hình 3.15 Lực căng cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 31

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Hình 3.16 Quỹ đạo của CDPRs... 32

Hình 3.17 Sơ đồ bộ điều khiển SC-RTC ... 32

Hình 3.18 Chiều dài cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 33

Hình 3.19 Vị trí của đế di động với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 33

Hình 3.20 Tín hiệu điều khiển với quỹ đạo đường xoắn ốc... 34

Hình 3.21 Lực căng cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 34

Hình 3.22 Quỹ đạo của CDPRs... 35

Hình 4.5 Các bước triển khai thực nghiệm ... 48

Hình 4.6 Cấu trúc CDPRs triển khai bằng phần mềm Solidwork ... 48

Hình 4.7 Cấu trúc tời kéo triển khai bằng phần mềm Solidwork ... 49

Hình 4.8 Cấu trúc tời kéo trong thực tế ... 50

Hình 4.9 Mạch động lực ... 52

Hình 4.10 DC Motor Driver XY-160D ... 52

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 4.11 Bộ biến đổi điện áp JY-S60 ... 53

Hình 4.12 Cảm biến lực căng ... 53

Hình 4.13 Cảm biến dịng điên ACS712 ... 53

Hình 4.14 Giao diện điều khiển ... 54

Hình 4.15 Quá trình thu thập và xử lý dữ liệu ... 56

Hình 4.16 Mạch cầu được sử dụng trong cảm biến lực căng ... 56

Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật điều khiển CDPRs ... 60

Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật phương pháp SC-DTC ... 61

Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật phương pháp SC-RTC ... 61

Hình 4.20 Chiều dài cáp với quỹ đạo đường thẳng ... 62

Hình 4.21 Vị trí của đế di động với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 63

Hình 4.22 Tín hiệu điều khiển với quỹ đạo đường xoắn ốc... 63

Hình 4.23 Lực căng cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 64

Hình 4.24 Quỹ đạo của CDPRs... 64

Hình 4.25 Sai số bám ... 65

Hình 4.26 Sai số đồng bộ ... 65

Hình 4.27 Sai số liên kết ... 66

Hình 4.28 Sai bố bám trên hệ trục XYZ ... 66

Hình 4.29 Chiều dài cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 67

Hình 4.30 Vị trí của đế di động với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 68

Hình 4.31 Mô-men động cơ với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 68

Hình 4.32 Lực căng cáp với quỹ đạo đường xoắn ốc ... 69

Hình 4.33 Quỹ đạo của CDPRs... 69

Hình 4.34 Sai số bám ... 70

Hình 4.35 Sai số đồng bộ ... 70

Hình 4.36 Sai số liên kết ... 71

Hình 4.37 Sai số bám trên trục XYZ ... 71

Hình 4.38 Quỹ đạo xoắn ốc với bộ điều khiển PID ... 72

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng so sánh trung bình bình phương sai số trong khơng gian cáp ... 38Bảng 3.2 Bảng so sánh strung bình bình phương sai số bám trong khơng gian làm việc ... 38Bảng 3.3 Bảng so sánh trung bình bình phương sai số trong không gian cáp ... 41Bảng 3.4 Bảng so sánh strung bình bình phương sai số bám trong không gian làm việc ... 41Bảng 3.5 Bảng so sánh trung bình bình phương sai số trong khơng gian cáp ... 44Bảng 3.6 Bảng so sánh strung bình bình phương sai số bám trong không gian làm việc ... 44Bảng 4.1 Quan hệ giữa chiều dài dây và lực căng ... 51Bảng 4.2 Giá trị điện trở của động cơ sau khi tính tốn giá trị trung bình qua nhiều lần đo. ... 57Bảng 4.3 Giá trị hằng số điện từ sau khi tính tốn giá trị trung bình qua nhiều lần đo ... 57Bảng 4.4 Cấu hình vi điều khiển ... 59Bảng 4.5 Trung bình bình phương sai số (RMSE) ... 72

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CDPRs Cable-driven parallel robotsOKC Open kinematic chains CKC Closed kinematic chains

CCD Charged-coupled device PI Proportional Integral

PID Proportional Integral Derivative

SC-DTC Synchronization controller with desired tension compensation SC-RTC Synchronization controller with real tension compensation

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1. Sơ lược các vấn đề liên quan

Ngày nay robot đang ngày trở nên quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Chúng được áp dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ nông nghiệp, công nghiệp đến cả y tế và giáo dục. Với khả năng tự động hóa, làm việc trong các môi trường khắc nghiệt, độc hại và đặc biệt là khả năng thực hiện các công việc một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả, cho thấy robot là tư liệu sản xuất vô cùng quan trọng và không thể tách rời trong quá trình lao động sản xuất và đời sống ngày nay. Chính vì vậy, nghiên cứu về robot là vơ cùng cấp thiết mang lại nhiều lợi ích cho con người và xã hội.

Trong lĩnh vực công nghiệp, dựa vào cấu trúc của robot mà chúng được chia ra thành robot nối tiếp và robot song song. Robot nối tiếp bao gồm các khớp, các khâu được kết nối với nhau qua các khớp và chỉ có 1 khớp cuối được kết nối với đầu công tác (end-effector), cơ cấu robot như vậy được gọi là chuỗi khớp động (open kinematic chains-OKC). OKC tương đối linh hoạt trong việc điều khiển các khớp trong hệ thống, giúp cho robot hoặc hệ thống cơ khí có khả năng thực hiện các tác vụ chính xác và đa dạng. Tuy nhiên OKC thường có độ phức tạp cao và khó khăn hơn trong việc thiết kế, điều khiển và lập trình. Trái ngược với OKC là chuỗi khớp cố định (closed kinematic chains-CKC) trong đó các khớp cùng được kết nối vào đầu công tác, robot với cơ cấu OKC thường được gọi là robot song song. CKC thường đơn giản hơn OKC về cấu trúc và tính tốn, đặc biệt chúng có tính độ ổn định cao hơn OKC khi thực hiện các tác vụ cụ thể và có tải nặng.

1.2. Giới thiệu vấn đề cần nghiên cứu

Robot song song truyền động bằng cáp (cable-driven parallel robots-CDPRs) là 1 dạng đặc biệt của robot song song chúng được thiết kế bằng cách sử dụng các sợi cáp để kết nối đế cố định với một đế di động (moving platform) thông qua hệ thống thống truyền động thường là tời kéo (winch). Chiều dài của cáp thay được thay đổi thông qua hệ thống truyền động và được đo 1 cách gián tiếp dựa vào encoder được

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

kết nối với tời kéo hoặc ròng rọc. Vị trí của đế di động được được điều khiển thông qua việc thay đổi độ dài của các sợi cáp.

Đặc tính quán tính thấp, tốc độ di chuyển nhanh và không gian làm việc lớn là những lợi thế của CDPRs khi so với Robot nối tiếp. Chính nhờ những ưu điểm này, chúng có thể được áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, như:

- Cần cẩu thơng minh: Có khả năng di chuyển nhanh và đáp ứng được các u cầu của cơng trình xây dựng.

- Lắp ráp và sơn các cấu trúc lớn: Sử dụng trong các quá trình lắp ráp và sơn các cấu trúc lớn như tàu thủy, máy bay hay các cơng trình xây dựng khác.

- Mơ phỏng chuyển động của máy bay: Điều khiển 6 trục tọa độ giúp người sử dụng có cảm giác như đang ngồi trong máy bay.

Với các ứng dụng trên cho thấy CDPRs là một giải pháp linh hoạt và hiệu quả cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.3. Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu đầu tiên

Các nghiên cứu đầu tiên về CDPRs bắt đầu từ phòng thí nghiệm của MIT vào năm 1984 khi Landsbergers thiết kế 1 robot được tích hợp vào tàu ngầm và có khả năng hoạt động dưới nước [1].

Hình 1.1 Robot song song truyền động bằng cáp đầu tiên [1]

Trong những năm cuối của thập niên 80, tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ dự án NIST RoboCrane được triển khai, sử dụng ý tưởng của stewart

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

platform. Điểm đặc biệt của NIST RoboCrane là nó sử dụng cáp thay cho các liên kết và tời thay cho cơ cấu chấp hành [2].

Hình 1.2 Robot NIST RoboCrane [2]

Năm 2002, trong nghiên cứu [3] B. Abdullah thực hiện mơ hình hóa động học và động lực học cho CDPRs đây cũng chính là mơ hình được nghiên cứu rộng rãi ngày nay. Trong bài nghiên cứu CDPRs được mô phỏng và điều khiển bởi bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa.

Hình 1.3 Cấu trúc CDPRs được sự dụng trong thí nghiệm của B. Abdullah [3]

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Hình 1.4 CDPRs trong hệ trục tọa độ descartes [3]

1.3.2. Không gian tác vụ và không gian cáp

Dựa vào hệ trục tọa độ được sử dụng Reza Babaghasabha và đồng nghiệp [4] chia phương pháp điều khiển CDPRs thành 2 loại chính đó là điều khiển trong không gian tác vụ (task space-TS) và không gian cáp (cable space-CS). Trong TS vị trí của đế di động được đo lường trực tiếp bởi các thiết bị như laser, xử lý ảnh. Nghiên cứu [5] thực hiện điều khiển trong TS, xem xét sự tác động của gió lên đế di động từ đó triển khai bộ điều khiển PI mờ với thông số thay đổi dựa vào lực của gió.

Hình 1.5 Vị trí của đế di động được xác định bằng laser [4]

Xử lý ảnh được sử dụng như là một phương pháp để xác định vị trí của đế di động [6]. CDD camera được dùng để theo dõi chuyển động của robot, tuy nhiên tốc độ

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

chụp chỉ đạt 40fps với tốc độ này việc điều khiển robot với tốc độ nhanh rất khó để có thể thực hiện.

Hình 1.6 CDD camera được dùng để theo dõi chuyển động của Robot [6] Để nâng cao tốc độ điều khiển Chellal và đồng nghiệp [7] sử dụng CCD camera với tốc độ 200fps, bộ điều khiển với kiến trúc phân tầng được sử dụng, bộ điều khiển vị trí được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của đế di động, đồng thời bộ phân phối lực có nhiệm vụ duy trì lực căng phù cho cáp.

Hình 1.7 Điều khiển CDPR sử dụng CCD camera với tốc độ 200fps [7]

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Hình 1.8 Bộ điều khiển phân tầng [7]

Các phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp đo lường trục tiếp thường tiêu tốn rất nhiều chi phí. Để tiết kiệm chi phí, vị trí của đế di động được đo lường 1 cách gián tiếp [8] thông qua việc ước lượng độ lớn góc sau đó thực hiện động học thuận để tính tốn vị trí. Tuy nhiên việc đo đạc gián tiếp này lại làm giảm độ chính xác đồng thời giảm băng thơng của bộ điều khiển [9].

Trong CS việc điều khiển đế di động được chuyển thành điều khiển chiều dài của các sợi cáp thông qua động học nghịch và được đo đơn giản bằng encoder. Nghiên cứu [10] đề xuất bộ điều khiển PD với bù trọng lượng và nội lực. Sự ổn định trong mơi trường CS được phân tích sử dụng hàm Lyapunov, hướng, vị trí của robot hội tụ về giá trị mong muốn. Phương pháp giảm dao động của sợi cáp được nghiên cứ dựa trên độ co dãn của các sợi cáp đồng thời được nghiên cứu. Đặc biệt độ dài cáp được xác định bởi encoder giúp tăng tốc độ điều khiển đạt 13m/s.

Bộ điều khiển thuận phi tuyến trong CS được giới thiệu trong nghiên cứu [11] kết hợp tối ưu hóa phân bổ lực căng được nhằm giảm sai số động của mơ hình.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Đế di động bám theo quỹ đạo hình tam giác A-B-C-A. Kết quả cho thấy bộ điều khiển không những giúp giảm năng lượng tiêu thụ mà còn làm giảm sai số bám quỹ đạo.

Hình 1.9 Quỹ đạo Robot khi quy hoạch quỹ đạo theo hình tam giác [11] Điều khiển Đế di động trong CS giúp tăng tốc độ điều khiển đồng thời đạt được lợi ích về kinh tế khi triển khai thực tế tuy nhiên sai số khi điều khiển độ dài của cáp làm cho chúng bị xung đột lẫn nhau dẫn đến hệ thống bị giảm chất lượng điều khiển đồng thời gây ra hiện tượng lực căng âm trong các sợi cáp.

1.4. Mục tiêu luận văn và phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Lý do chọn đề tài

CDPRs là một cấu trúc robot đặc biệt với quán tính nhỏ, tốc độ cao và không gian hoạt động lớn, được áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, điều khiển CDPRs trong đòi hỏi giữ cho các sợi cáp luôn đảm bảo độ căng trong quá trình chuyển động, đồng thời, lực căng của cáp cũng ảnh hưởng đến chuyển động đồng bộ hóa giữa các cáp. Vì vậy, nghiên cứu về điều khiển đồng bộ CDPRs là rất cần thiết để đạt được chuyển động đồng bộ và giảm thiểu sai số bám cũng như sai số đồng bộ hóa.

1.4.2. Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài này là thiết kế và thực hiện một bộ điều khiển đồng bộ chính xác, hiệu quả và ổn định để điều khiển CDPRs trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Việc xây dựng và triển khai bộ điều khiển đồng bộ nhằm giải quyết vấn đề xung đột trong quá trình điều khiển CDPRs trong CS. Việc đồng bộ hóa chuyển động giữa của các sợi cáp giúp tăng cường tính đồng bộ của robot, tránh xung đột và nâng cao chất lượng bám quỹ đạo của robot. Điều khiển đồng bộ cũng kế thừa các ưu điểm của việc điều khiển trong CS, tăng tốc độ điều khiển, giảm thiểu độ phức tạp và chi phí triển khai bộ điều khiển.

Để giải quyết vấn đề này, trong quá trình thiết kế bộ điều khiển đồng bộ, ta cần xem xét các yếu tố sau đây:

- Mơ hình hóa hệ thống: Xây dựng một mơ hình tốn học chính xác của CDPRs. Mơ hình bao gồm các thông số vật lý của robot, các tham số cáp, và các ràng buộc động học của hệ thống, từ đó thiết kế bộ điều khiển phù hợp.

- Điều khiển đồng bộ: Xây dựng bộ điều khiển đồng bộ dựa trên sai số đồng bộ của các sợi cáp.

- Kiểm nghiệm trên mơ hình thực: Mục tiêu là triển khai bộ điều khiển đồng bộ trên mơ hình thực tế.

1.5. Phương pháp nghiên cứu

Để triển khai bộ điều khiển đồng bộ trên đối tượng thực, đầu tiên cần tiến hành mơ hình hóa CDPRs và thực hiện mơ phỏng trên Matlab/Simulink. Từ đó, nghiên cứu tính hiệu quả và ổn định bộ điều khiển đồng bộ để tìm ra phương án thiết kế và thi công robot song song truyền động bằng cáp phù hợp. Cuối cùng, tích hợp và kiểm tra tính hiệu quả của bộ điều khiển đồng bộ hiệu quả trên đối tượng thực.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Mơ hình hóa Robot song song truyền động bằng cáp. 2.1.1. Mơ hình động học

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc CDPR gồm m sợi cáp [12]

CDPRs được thiết kế bằng cách sử dụng các sợi cáp để kết nối đế cố định với một đế di động thông qua hệ thống tời kéo [13]. Hệ trục tọa độ O-xyz được kết nối với đế cố định và hệ trục tọa độ P-xyz được kết nối với đế di động và di chuyển theo chuyển động của CDPRs.

Vị trí và hướng của P-xyz so với O-xyz [12]:

q : chiều dài ban đầu của cáp. i

q : Chiều dài của cáp.

θ : Góc xoay của cơ cấu chấp hành.

n : Tỉ số truyền giữa θ và iqi.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Từ (2.2) quan hệ giữa chiều dài cáp và góc xoay của cơ cấu chấp hành ứng với m sợi cáp được biểu diễn như sau:

R : Ma trận xoay từ O-xyz đến P-xyz [13].

cβcγcγsαsβ - cαsγcαcγsβ + sαsγRcβsγcαcγ + sαsβsγ -cγsα + cαsβsγ

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

S : Vecto đơn vị dọc theo cáp thứ i với gốc là điểm nối giữa cáp và đế cố định.

2.1.2. Mơ hình động học cho Robot 3 bậc tự do và 4 sợi cáp

Hình 2.2 Mơ hình Robot 3 bậc tự do và 4 sợi cáp

Vì Robot có 3 bậc tự do và các sợi cáp cùng kết nối vào 1 điểm do đó ta có phương trình động học nghịch:

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Với b =[0.25 -0.25 0;-0.25 -0.25 0;-0.25 0.25 0;0.25 0.25 0] là tọa độ của điểm cố định trong hệ trục O-xyz do đó:



</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">



</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Trong đó:

3 33 3T

0(X) =

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

F : Hệ số ma sát coulomb.

N: Tỉ số truyền giữa θ và iqi. Thay (2.6) vào (2.26) ta có:

2.1.5. Động lực học-CDPRs

Với

J

là ma trận [nx6] từ cơng thức (2.22) ta có cơng thức tính lực căng [12]:

T( X )X + ( X , X )X + ( X )= T

T(( X )X + ( X , X )X + ( X ))= T

(JJ)− J: Giả nghịch đảo của ma trận J . T

Kết hợp động lực học của đế di động và tời kéo từ (2.33) và (2.27) ta có phương trình động học của CDPRs [12]:

1( T)−

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

T −1T

2.1.6. Động lực học cho Robot 3 bậc tự do và 4 sợi cáp

Dựa vào mơ hình được xây dựng như ở Hình 2.2 vì các sợi cáp được cố định vào 1 điểm trùng nhau do đó robot chỉ có thể di chuyển theo trục XYZ mà khơng thể xoay theo trục Roll-Pitch-Yaw do đó phương trình động lực học của CDPRs có thể viết đơn giản theo phương trình sau:

2.2. Phương pháp điều khiển đồng bộ

2.2.1. Sai số đồng bộ, sai số liên kết và sai số tổng hợp.

Có nhiều nghiên cứu về sai số đồng bộ cho thấy nó có thể tăng độ chính xác đối với các bài tốn điều khiển bám trong nhiều hệ thống như hệ đa trục [14], điều khiển đa robot [15].

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Dựa vào nghiên cứu [12] , sai số đồng bộ được dùng trong CDPRs định nghĩa mối quan chuyển động đồng bộ giữa các sợi cáp nằm liền kề nhau. Sai số đồng bộ của mỗi sợi cáp không chỉ mang thơng tin về chính nó mà cịn mang thơng tin về các sợi cáp liền kề. Nếu toàn bộ sai số đồng bộ về 0, tất cả các sợi cáp có thể chuyển động đồng bộ với nhau mà khơng xảy ra hiện tượng đụng độ.

q : Chiều dài cáp mong muốn của sợi cáp thứ i.

0t

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Độ lệch c của sai số đồng bộ giữa các sợi cáp liền kề.

 1sms2s1sisi -s1msm 1s- T

c= e-ee-e...e-e...e-e (2.49) Từ (2.48) và (2.49) ta có vector sai số liên kết:

tc

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Thay u=u1 vào phương trình (2.27):

V ( t ) = −s N T −T −sF +Ks−c DK c−e PK e (2.66) Từ (2.33) ta tính được lực căng mong muốn và lực căng thực tế như sau:

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

sc smincs()k



</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Từ (2.73) và (2.75) cho thấy với luật điều khiển SC-DTC khi t → sai số đồng bộ và sai số bám sẽ hội tụ về 0.

2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ bằng phương pháp bù lực căng thực tế (SC-RTC)

Bộ điều khiển SC-RTC [12] có thể thay thế cho bộ điều khiển SC-DTC bằng cách thay thế lực căng thực tế T đo được bằng cảm biến cho lực căng được tính từ mơ hình động học (2.22).

Bộ điều khiển SC-RTC đảm bảo sai số đồng bộ và sai số bám hội tụ về 0:es( t )→0

, e( t )→0 khi t → . Luật điều khiển SC- RTC:

sc smincs



</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Do đó s e c, ,s sẽ hội tụ về 0 khi t → .

Chứng minh tương tự (2.73)-(2.75)cho thấy với luật điều khiển SC- RTC khi

t → sai số đồng bộ và sai số bám sẽ hội tụ về 0.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">