Nghiên cứu động học, động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho Robot hai khâu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Phương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1: .............................................................................................................12
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT ..12
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: ......................................................12
1.1.1. Robot và robotic: .....................................................................................12
1.1.2. Robot công nghiệp: ..................................................................................13
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: ..........................................14
1.1.3.1. Cấu trúc chung: ................................................................................14
1.1.3.2. Kết cấu tay máy: ...............................................................................15
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot .............................................................16
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot ...............................................................16
1.1.4.2.Truyền động điện ...............................................................................17
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực ........................................................17
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot ..........................................................18
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot ...........................................................18
1.1.6.1. Khái quát ...........................................................................................18
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .....................................................19
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng ...............22
1.2.1.Bài toán động học thuận: .........................................................................22
1.2.2.Bài toán động học ngược ..........................................................................23
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ ............................................................25

1.2.3.1. Giới thiệu ..........................................................................................25
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian ......................................................27
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ ..............................................27
1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu ................................................................28
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot .............................................................31
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD ......32
1.4.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường ............................33
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID ........................................................................33
1.4.4 Nhận xét chung .........................................................................................34
CHƢƠNG 2: .............................................................................................................35
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU .........................................................................................35
2.1 Khái quát .........................................................................................................35
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều. ....................36
2.2.1 Các thông số ban đầu. ..............................................................................36
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. ....................................................................36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3




2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều ...........................................................36
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều ....................38
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều ............................39
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu .......................................................................................39
2.2.1.3 Biến dòng: ..........................................................................................40
2.2.1.4 Máy phát tốc: .....................................................................................40

2.2.1.5 Cảm biến vị trí: ..................................................................................41
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): ............................................41
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): .........................................44
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ). ...........................................47
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID ...................51
2.3.1 Mô hình simulink ......................................................................................51
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID ..........53
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho
cánh tay Robot 2 khâu. ..........................................................................................56
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. ....................................................56
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ.................................................... 57
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ........................59
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ ..................................................................60
2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó ................................................62
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function). ..............................63
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển .............................................................65
2.4.3.5 Luật hợp thành ...................................................................................68
2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả .......................................................................69
2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. ......................................69
2.4.4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí Robot dùng bộ chỉnh định mờ ..70
2.5 Kết luận Chƣơng 2 ..........................................................................................72
CHƢƠNG 3: .............................................................................................................73
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG .................................73
3.1 Mô hình các khối chức năng ...........................................................................73
3.1.1 Bộ điều khiển ........................................................................................73
3.1.2 Động cơ ................................................................................................74
3.2. Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh
định mờ và bộ điều khiển PID. ..............................................................................74
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID ............................75

3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg ...............................................................................75
3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. ....................................75
3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................77
3.3.1.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................78
3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg ..............................................................................79
3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. .......................................................79
3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................79
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4




3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................81
3.3.3 Trường hợp Mt=2kg .................................................................................81
3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. .......................................................81
3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................82
3.3.3.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................83
3.4 Nhận xét chƣơng 3 ..........................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
1. Kết luận. ............................................................................................................85
2. Kiến nghị. ..........................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot .....................................................13
Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot ..................................20
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu ......................................22
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều .......................................38
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp ...................................................................66
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd ...................................................................67
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki ....................................................................67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp .......................14
Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển ....................15
Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy ................................................16
Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu .............................................19
Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................21
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................23
Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................26
Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu ..............................28
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín .................................................31
Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ...........................................32

Hình 1.11: Điều khiển PD ................................................................................32
Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng .....................................33
Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID........................................................33
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động...................................................34
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ...................36
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi .........39
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển. ......................................39
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ........................................41
Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện rút gọn ...............................42
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. ............................................44
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ .................................................45
Hình 2. 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ...................................47
Hình 2. 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ ........................................48
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí ...........................................50
Hình 2.11: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ...............................51
Hình 2.12 : Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 ..............51
Hình 2.13: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 ...............52
Hình 2.14: Mô hình khối subsystem1 ..............................................................52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7




Hình 2.15: Mô hình khối subsystem2 ..............................................................52
Hình 2.16: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 .......................................................52
Hình 2.17: Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 .......................................................52
Hình 2.18: Mô hình Robot 2 khâu ....................................................................53

Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID. .................................................54
Hình 2.21: Đồ thị góc quay ..............................................................................54
Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc ..........................................................................55
Hình 2.23: Dòng điện của động cơ 1,2 .............................................................55
Hình 2.24: Tốc độ của động cơ 1,2 ..................................................................56
Hình 2.25. Quan hệ giữa  và . ...................................................................57
Hình 226: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID ...............59
Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP .......................................................61
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD ......................................................61
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI ........................................................62
Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det ..........64
Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki .....64
Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et ....................................................64
Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det ..................................................65
Hình 2.35: Đặc tính quá độ thƣờng gặp của hệ điều khiển dùng PID..............65
Hình 2.36: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển ..69
Hình 2.37: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D ..........................69
Hình 2.38: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD ..................................70
Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo Robot dùng Fuzzy .........................70
Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy ...............................................70
Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy ..........................................................71
Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy .............................................71
Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy ...........................................71
Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động cơ dùng Fuzzy .................................................72
Hình 2.45: Đồ thị dòng điện động cơ dùng Fuzzy ...........................................72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8

Hình 3.1: Các khối chức năng .........................................................................73
Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D ............................73
Hình 3.3: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD ....................................73
Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển động cơ DC .................................................74
Hình 3.5: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định mờ ..................................74
Hình 3.6: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID .................................75
Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu .................................76
Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ......................................76
Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ....................77
Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................77
Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................77
Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................78
Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................78
Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ....................78
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ....................................79
Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................79
Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................80
Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................80
Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................80
Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................81
Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ....................81
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ....................................82
Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................82
Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................82
Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................83
Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................83
Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................83

Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy …………...84

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9




MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ khi con
ngƣời biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tƣởng điều khiển tự động đã đƣợc đặt
lên hàng đầu.
Con ngƣời đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.
Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot. Ngày nay
Robot đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn
trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng
nhƣ trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống
sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động. Robot ngày càng thông
minh và linh hoạt, chính vì thế robot đƣợc xem là sản phẩm điển hình của nền khoa
học kỹ thuật.
Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ đã ban hành quyết định số: 82/2001/QĐTTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một
trong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ. Vì thế việc nghiên cứu các
phƣơng pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm và đã đƣợc áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong
công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng của
hệ thống.
Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG
HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC
NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.

Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng:
Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển
động robot 2 khâu.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not

read....



data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....