Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara, chương 2 pps

chương 2: Định nghĩa về robot công
nghi
ệp
Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế
từng phần hoặc toàn bộ hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của
con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là
s
ự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển
từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển
theo chương tr
ình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến, công
nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia.
Robot công nghi
ệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt
trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng.
Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ
cấu chấp hành giải quyết nhưng nhiệm vụ xác định trong các quá
trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công (sơn,
hàn, lắp ráp các cụm thiết bị ) hoặc phục vụ các quá trình tổ chức
dòng lưu thông vật chất (chi tiết, dao cụ, gá lắp ) với những thao
tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng vật chất với các
trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt.
Ta có thể điểm qua một vài định nghĩa về robot công
nghiệp như sau:
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais:
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể
chương tr
ình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương
trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng,
di chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình thay đổi

đ
ã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác
nhau.
-
Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2806/BRD:
Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện
các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và nối ghép các
chuy
ển động của chúng trong các khoảng cách tuyến tính hay phi
tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất
ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình,
chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác
nhau để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp v
à gián tiếp.
- Định nghĩa theo IOTC - 1980:
Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay
máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu
trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay
thế những chức năng tương tự của con người.
Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thấy một ý nghĩa
quan trọng: robot công nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy
móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ
thống tự động tổng hợp. Trong quá trình phân tích và thiết kế
không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại
đó phải l
à những thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh
hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm
vụ sản xuất thay đổi. Theo đó, các mẫu hình robot phải đảm bảo
có:
- Th

ủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu.
- Trình độ hành nghề khôn khéo, linh hoạt.
- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc môdun hoá.
1.2. Các phương pháp điều khiển robot
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống
điều khiển robot đ
ã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương
pháp điều khiển chủ yếu l
à:
-
Điều khiển động lực học ngược.
- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.
- Các phương pháp điều khiển thích nghi.
 Điều khiển thích nghi theo sai lệch.
 Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).
 Điều khiển động lực học ngược thích nghi.
 Điều khiển trượt.
Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp điều khiển
robot để biết được ưu nhược điểm củ
a từng phương pháp.
1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược
Nguyên lý của phương pháp này là chọn một luật điều khiển
phù hợp để khử thành phần phi tuyến của phương trình động lực
học và phân ly đặc tính động lực học của các khớp nối.
(t) H(q).q(t) h(q,q) g(q)
   
&& &
(1.1)
N
ếu ta biết các tham số của robot ta có thể tính được các ma

trận H, h, g từ đó có luật điều khiển.
dk
H(q)U h(q,q) g(q)
   
&
(1.2)
cân b
ằng
dk
  
với điều kiện
H(q) 0

và
q U

&&
(vectơ điều
khiển phụ ).
Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích th
ành
h
ệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng.
q U

&&
Với robot n khớp nối tương đương với n hệ con độc lập.
Chọn U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID. Lúc đó:

t

d D d P d I d
0
U q K (q q) K (q q) K (q q)dt
      

& &
(1.3)
trong đó:
d
q
,
q
là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp.

d
q
&
,
q
&
là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược.
Và phương tr
ình sai số tương ứng sẽ là:
.
D P I
K K K 0
    
(1.4)
Các h

ệ số K
D
, K
p
, K
I
được chọn theo điều kiện ổn định của
Lyapunov để sai số giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn v
à quỹ đạo
chuyển động thực hội tụ tại điểm 0 không phụ thuộc vào điều kiện
ban đầu.
Ưu điểm của phương pháp này là khử được tính phi tuyến
và sự ràng buộc trong phương trình động lực học.
Nhược điểm của nó l
à phải biết được đầy đủ chính xác các
thông số cũng như đặc tính động lực học robot, đồng thời cũng
Tính
)
q
(
g
)
q
,
q
(
h
U
)
q

(
H





eKq
Pd




1
0
ID
dt)t(eKeK

Robot

U
q
q

e
d
q
d
q



d
q

e

-
-
phát sinh tính toán phụ. Thuật toán tính toán điều khiển U sẽ liên
quan các phép tính lượng giác nên phải thực hiện một số phép
nhân ma trận vectơ và ma trận phụ. Thời gian tính toán lớn là một
yếu tố ảnh hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này.