trình chiếu nâng cao chất lượng điều khiển robot scara

Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara
Đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara
Vai trò của robot công nghiệp
-
Con người hóa cho công việc.
-
Tăng năng suất và chất lượng sản
phẩm.
-
Kéo dài thời gian chạy máy.
Yêu cầu hệ điều khiển robot
-
Độ tin cậy và độ chính xác cao.
-
Giá thành hạ và tiết kiệm năng
lượng.
Lựa chọn phương pháp điều khiển
phù hợp.
Mục đích của đề tài:

Xây dựng mô hình toán học cho robot Scara Serpent 3 bậc tự do.

Xây dựng hệ thống điều khiển quỹ đạo đạt độ chính xác cao.

Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng.

Xây dựng cấu trúc và thuật toán
điều khiển robot Scara.
Các vấn đề cần giải quyết:
Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp:


Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên
được đưa ra thị trường.

Ngày nay, trên thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử
dụng trong sản xuất công nghiệp.

Nhu cầu rất lớn.

Sử dụng nhiều trong nghành
cơ khí đóng tàu, lắp ráp, nhựa,
sản xuất ô tô, chế biến thực
phẩm

Nghiên cứu và chế tạo nhỏ lẻ,
chưa xác định độ chính xác cao.
Thực trạng sử dụng và chế tạo robot công nghiệp ở Việt Nam:
Các phương pháp điều khiển robot:

Điều khiển động lực học ngược.
Sơ đồ khối cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược.
Trong đó:
là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp.
là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp.
U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID:
Luật điều khiển:
Các hệ số K
D
, K
p

, K
I
của bộ PID.
sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực

t
d
D d P d I d
0
U q K (q q) K (q q) K (q q)dt= + − + − + −
∫
& &
H(q)U h(q,q) g(q)τ = + +
&
qd,q
qd,q
& &
e,e
&

Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.
Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của điều
khiển phân ly cho hệ thống phi tuyến bằng phản hồi tuyến tính hoá
tín hiệu ra.

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.
Sơ đồ khối tổng quát hệ thích nghi.
Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển thích nghi:

Cấu trúc động học là hệ phỏng
sinh.

Có các trục quay, các khớp
thẳng đứng.

Nhiều loại robot Scara:
Scara Robot của STAUBLI. Robot Scara Serpent của FEEDBACK.Scara Robot của RANOME.
Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent:

Cấu hình của robot Scara Serpent

3 khớp chuyển động quay

1 khớp chuyển động tịnh tiến.

Gắn cho mỗi thanh nối một hệ trục
toạ độ, ta có:
•
Khớp 1 quay quanh trục z
0
góc θ
1

.
•
Khớp 2 quay quanh trục z
1
góc θ
2
.
•
Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo
trục z
2
đoạn d
3
.
•
Khớp 4 quay quanh trục z
3
góc θ
4
.

Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent
Các biến khớp có các giới hạn góc quay như sau :
θ
1
= -96
0
÷ 96
0
( so với trục Ox ).

θ
2
= -115
0
÷ 115
0
(so với trục thanh 1).
Giới hạn góc quay của 2 khớp.
Giới hạn không gian làm việc của
robot Scara Serpent.
Động học robot Scara Serpent:

Động học thuận: xác định vị trí của điểm tác động cuối khi biết
góc quay các khớp.
Hệ phương trình xác định vị trí của điểm tác động cuối như sau:
Trong đó:
a
1
, a
2
, d
3
là chiều dài thanh nối giữa các khớp.
C
1
= cosθ
1
, S
1
= sinθ

1
, C
12
= cos(θ
1
+ θ
2
), S
12
= sin(θ
1
+ θ
2
)
θ
1
, θ
2
là góc quay khớp 1, 2.
1 2
1 2
3
x a .C1 a .C12
y a .S1 a .S12
z d
= +


= +



= −

(4.1)
Hệ phương trình động học
ngược của robot Scara Serpent là:
( )
( )
1 2 2 x 2 2 y
1
2 2
x y
1 2 2 y 2 2 x
1
2 2
x y
1 1 1
2 2 2 2
X Y 1 2
2
1 2
2
2 2
2 2 2
3 z
2
4 1 2 x x
(a a C ).p a S .p
C
p p

(a a C ).p a S .p
S
p p
atan2 S ,C
p p a a
cosθ
2.a .a
sinθ (1 cos θ )
atan2 S ,C
d p
θ θ θ atan2( 1 n ,n )
+ +

=

+


+ −
=

+


θ =


+ − −

=



= ± −


θ =


= −


= + − −

Trong đó:
(p
x
, p
y
, p
z
) là vị trí của tay máy.
n
x
là giá trị định vị theo phương x.

Động học ngược: xác định các biến khớp khi biết vị trí tay.
(4.2)
Động lực học robot Scara Serpent:

Mô tả mối quan hệ giữa lực, mômen với vị trí, vận tốc và gia tốc

của đối tượng robot.

Chỉ xét mômen động với
3 khớp quay, phương trình
động lực học của 3 khớp
quay:
1 11 12 13 1 1
2 21 22 23 2 2
4 31 32 33 4
H H Hθ h
H H H .θ h
H H Hθ 0
 
τ
     
 
     
τ = +
 
     
 
     
τ
     
 
&&
&&
&&
(4.3)


Các thành phần trong
phương trình động lực học
được xác định:
2 2
11 1234 1 234 2 124 234 1 2 2
2
12 234 2 24 234 1 2 2
13 4
21 12
2
22 234 2 24
23 4
31 32 33 4
234 1 2 2
2
1 2 1 2
2
2 1
H m .l m .l J 2.m .l .l .Cosθ
H m .l J m .l .l .Cosθ
H J
H H
H m .l J
H J
H H H J
T m .l .l .Sinθ
h T 2T
h T
= + + +
= + +

=
=
= +
=
= = =
= −
= θ + θ θ
= − θ
& &&
&
(4.4)
Trong đó:
m
1
, m
2
, m
3
, m
40
, m
t
: khối lượng của khớp 1, 2, 3, 4, tải (nối
với khớp 4).
m
1234
= m
1
+ m
2

+ m
3
+ m
4
.
m
234
= m
2
+ m
3
+ m
4
.
m
34
= m
3
+ m
4
; Với m
4
= m
40
+ m
t

J
1
, J

2
, J
40
, J
t
: mô men quán tính của khớp 1, 2, 4, tải (nối với
khớp 4).
J
124
= J
1
+ J
2
+ J
4
.
J
24
= J
2
+ J
4
; Với J
4
= J
40
+ J
t

τ

1
, τ
2
, τ
4
lần lượt là mômen động tại các khớp quay 1, 2 và 4.
l
1
= a
1
, l
2
= a
2
: chiều dài thanh nối khớp.
Mô tả đối tượng bằng hệ phương trình trạng thái:
x Ax(t) Bu(t)
y Cx(t) Du(t)
= +


= +

&

Phương trình trạng thái dạng tổng quát:
(4.5)

Đặt biến trạng thái cho từng khớp như sau:
T

T T T
1 2 4
X(t) X X X =
 
 
11 1
1
12 1
x q
X
x q
   
= =
   
   
&
21 2
2
22 2
x q
X
x q
   
= =
   
   
&
41 4
4
42 4

x q
X
x q
   
= =
   
   
&

Tín hiệu vào:
1
1
2 2
4
4
u
u u
u
τ
 
 
 
 
= = τ
 
 
 
 
τ
 

 
(4.6)
(4.7)
(4.8)
Hệ phương trình vi phân trạng thái của các khớp được viết như sau:
Khớp 1:
11 12
12 1 11 1 12 2 13 4
x x
x a b u b u b u
=


= + + +

&
&
Khớp 2:
21 22
22 2 21 1 22 2 23 4
x x
x a b u b u b u
=


= + + +

&
&
Khớp 4:

41 42
42 4 31 1 32 2 33 4
x x
x a b u b u b u
=


= + + +

&
&
Trong đó:
b
ij
(X) là các thành phần tương ứng của ma
trận H
-1
.
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
11 22 33 23 32
H
12 13 32 12 33

H
13 12 23 13 22
H
21 23 31 21 33
H
22 11 33 13 31
H
23 13 21 11 23
H
31 21 32 31 22
H
32 12 31 11 32
H
33 11 22 12 21
H
H 11 22 33 2
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
1
b H H H H

D
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
1
b H H H H
D
D det H H H H H
= −
= −
= −
= −
= −
= −
= −
= −
= −
= = +
1 32 13 31 23 12
11 23 32 21 12 33 31 22 13
H H H H H
H H H H H H H H H
+ +
− − −

a
i
(X) là thành phần thứ i của
vectơ:
( )
( )
( )










−
−
Xh
Xh
Xh
.H
3
2
1
1
[ ]
[ ]
[ ]

1 11 1 12 2 13 3
2 21 1 22 2 23 3
4 31 1 32 2 33 3
a b h b h b h
a b h b h b h
a b h b h b h
= − + +
= − + +
= − + +
Cấu trúc hệ thống điều khiển robot:
Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn:

Quỹ đạo chuẩn đó là một hàm phụ thuộc thời gian.

Có hai bài toán thiết kế quỹ đạo cho robot:

Yêu cầu điều khiển sao cho khớp robot chuyển động từ vị trí q
0

đến vị trí q
c
trong thời gian t
d
.
Thiết kế quỹ đạo cho tay robot: xác định x
d
(t), y
d
(t), z
d

(t).

Thiết kế quỹ đạo cho khớp robot: xác định q
id
(t).

Quỹ đạo chuyển động có ba
giai đoạn:
Giai đoạn tăng tốc: q(t) là
hàm bậc 4 theo t.
Giai đoạn chuyển động đều:
q(t) là hàm nhất theo t.
Giai đoạn giảm tốc: q(t) là
hàm bậc 4 theo t.
Dạng quỹ đạo 4 – 1 – 4:
Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID:

Phương pháp điều khiển được lựa chọn là phương pháp điều
khiển động lực học ngược.
Sơ đồ bộ điều khiển PID.
1
dk P D I
0
u K e(t) K e(t) K e(t)dt= + +
∫
&
Tín hiệu ra u
đk
:


Bộ điều khiển PID
(5.1)

Việc mô hình hóa và nghiên cứu mô phỏng hệ thống điều khiển
chuyển động được thực hiện trên nền Matlab-Simulink, giao diện
GUI.
Sơ đồ khối mạch điều khiển robot Scara Serpent.
Sơ đồ khối khâu tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn.
Sơ đồ khối khâu điều chỉnh.
Sơ đồ khâu robot Scara Serpent.