Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Điều khiển robot scara bằng phương pháp điều khiển trượt - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

NGUYỄN THÀNH NHẪN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA

BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

Mã số ngành:

60 52 01 14

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

Mẫu nhãn đĩa CD-ROM:

Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn
MSHV: 1241840009

Ngành: Cơ Điện Tử

Mã ngành: 60 52 01 14 khóa 2011

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

<b>TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM </b>

---

<b>NGUYỄN THÀNH NHẪN </b>

<b>ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA </b>

<b>BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT PHƢƠNG PHÁP </b>

<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ</b>

Chuyên ngành :

<b>Kỹ Thuật Cơ Điện</b>

Mã số ngành:

<b>60 52 01 14</b>

<b>HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:</b>

<b>TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC</b>

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
Ngày 10 tháng 5 năm 2014

Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1. TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 1

3. PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến Phản biện 2
4. TS. Nguyễn Hùng Ủy viên

5. TS. Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký Hội đồng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên
<i>ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) </i>

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

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

<i> TP. HCM, ngày 29 tháng 3 năm 2014 </i>

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981 Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018
I- TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRƯỢT

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt.

- Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot SCARA
- Mô phỏng kết quả điều khiển đối tượng trên Matlab-Simulink

- Kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm điều khiển đối tượng thực
<i>III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 </i>

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

Cán bộ hướng dẫn khoa học Quản lý chuyên ngành

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

i

LỜI CAM ĐOAN

<i> Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT </i>
<i>SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” là cơng trình nghiên </i>
<i>cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Viễn Quốc. </i>

<i> </i> <i> Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã </i>

<i>được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc </i>
<i>Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa </i>
<i>từng được ai công bố trong bất cứ cơng trình nào khác. </i>

<i>Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014 </i>

Học viên thực hiện luận văn

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

ii

LỜI CÁM ƠN

<i>Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn Viễn </i>
<i>Quốc, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều </i>
<i>thời gian trao đổi và định hướng cho tơi trong q trình thực hiện luận án. </i>

<i>Tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn </i>
<i>Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phịng quản lý khóa </i>
<i>học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí </i>
<i>Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt thời gian học tập tại Trường. </i>

<i>Tôi xin chân thành cảm ơn, các bạn học viên lớp 12SCĐ11 Trường </i>
<i>Đại học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ và chia </i>
<i>sẻ kinh nghiệm giúp tơi hồn thành luận án. </i>

<i> TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014 </i>
Học viên thực hiện luận văn

</div>
<span class='text_page_counter'>(8)</span><div class='page_container' data-page=8>

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay Robot đã được ứng dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp. Robot
SCARA đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh
vực. Luận án này giới thiệu Robot SCARA với một bộ điều khiển PID có cấu trúc
thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi và mặt trượt PID để điều

khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc đặt. Điều kiện tồn tại của
mặt trượt và tính ổn định tiệm cận tồn cục của hệ thống được thiết lập dưới dạng
toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi của bộ điều khiển được kiểm chứng
thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab, và hoạt động của mơ hình thực
nghiệm.

Luận văn này tập trung chủ yếu tính tốn bộ điều khiển và xây dựng mơ hình thực
nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng bao gồm :
Cơ cấu truyền động của tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử dụng vi điều khiển
TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển động cơ. Bộ điều khiển
được phỏng trên phần mềm MATLAP được dịch bằng phần mềm CCS_v4 nạp trực
tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông qua Card giao tiếp DSP C2000,
điều khiển chuyển động tay máy và bám theo quỹ đạo đặt của robot.

</div>
<span class='text_page_counter'>(9)</span><div class='page_container' data-page=9>

iv

ABSTRACTS

Currently the robot has been popular applications in industrial production.
SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some fields.
This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines structural
changes between the controller and the changing structure PID sliding surface to
control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle. Conditions
existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global system is set up
in the form of a quadratic Lyapunov function. The feasibility of the controller is
verified through simulation results on Matlab software, and operation of experimental
models.

</div>
<span class='text_page_counter'>(10)</span><div class='page_container' data-page=10>

v

MỤC LỤC

Tên đề mục Trang

Lời cam đoan ... i

Lời cảm ơn ... ii

Tóm tắt luận văn ... iii

Mục lục ... iv

Danh mục các bảng biểu ... vii

Danh mục các sơ đồ, hình ảnh ... viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ... 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 4

2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot ... 4

2.2. Các Hệ Thống Điều Khiển Robot ... 7

2.3. Các Phương Thức Điều Khiển Robot ... 7

2.3.1. Điều khiển theo quỹ đạo đặt ... 8

2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn ... 8

2.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback) ... 8

2.4..1.3. Điều khiển kiểu robot thông minh ... 8

2.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính ... 8

2.3.3. Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến ... 9

2.4. Phương Pháp Điều Khiển Robot ... 9

</div>
<span class='text_page_counter'>(11)</span><div class='page_container' data-page=11>

vi

2.4.2. Thiết kế một bộ điều khiển kiểu trượt ... 10

2.4.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi tuyến
hệ Robot ... 12

2.5. Tiêu Chuẩn Lyapunov ... 13

2.6. Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho Robot N Bậc Tự Do ... 13

2.6.1 .Cơ sở toán học: ... 14

2.6.1.1. Các giả thuyết ... 14

2.6.1.2. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt ... 15

2.7. Nhận xét... 18

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY SCARA ... 20

3.1 Giới Thiệu Về Robot Scara ... 20

3.2 Mơ Hình Động Học Của Tay Máy ... 21

3.2.1. Mơ hình động học thuận ... 21

3.2.2.Mơ hình động học ngược ... 21

3.3 Mơ Hình Động Lực Học Của Tay Máy ... 22

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ... 26

4.1 Bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi với mặt trượt PID... 26

4.2 Điều kiện trượt ... 28

4.3 Ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống ... 31

4.4 Sơ đồ khối của hệ thống ... 39

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ... 40

</div>
<span class='text_page_counter'>(12)</span><div class='page_container' data-page=12>

vii

5.2 Kết quả mô phỏng ... 43

CHƯƠNG 6 : MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM ... 48

6.1 Bộ điều khiển ... 48

6.2 Mơ hình tay máy ... 48

6.3 Kết quả thực nghiệm ... 49

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ... 51

7.1 Kết luận ... 51

7.2 Hướng phát triển của đề tài ... 51

</div>
<span class='text_page_counter'>(13)</span><div class='page_container' data-page=13>

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Trang

Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot ... 5

</div>
<span class='text_page_counter'>(14)</span><div class='page_container' data-page=14>

ix

DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1: SCARA robot của hãng EPSON ... 1

Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản ... 5

Hình 2.2: Khơng gian làm việc của robot ... 6

Hình 2.3: Sơ đồ khối của Robot ... 6

Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot... 7

Hình 2.5: Sơ đồ ngun lý điều khiển kiểu trượt ... 12

Hình 2.6: Minh hoạ khái niệm ổn định Lyapunov ... 13

Hình 3.1: Mơ hình tay máy Scara. ... 20

Hình 3.2: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy ... 21

Hình 3.3: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy ... 22

Hình 4.1:Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy ... 39

Hình 5.1 Mơ hình simulink của tay máy ... 41

Hình 5.2 Chương trình mơ phỏng của tay máy ... 42

Hình 5.3 Góc đặt và góc quay của khớp 1. ... 43

Hình 5.4: Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 1 ... 44

Hình 5.5: Góc đặt/goc quay của khớp 2 ... 44

Hình 5.6 Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 2 ... 45

Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển 1 ... 45

Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển 2 ... 45

Hình 5.9: Mặt trượt 1 ... 46

Hình 5.10: Mặt trượt 2 ... 47

Hình 5.11. Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo quay được ... 47

Hình 6.1 sơ đồ khối điều khiển mơ hình Scara ... 48

</div>
<span class='text_page_counter'>(15)</span><div class='page_container' data-page=15>

x

</div>
<span class='text_page_counter'>(16)</span><div class='page_container' data-page=16>

1

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan

Trong q trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên
cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý
nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc
tự động hố q trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng
mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể
làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngồi ra Robot cơng nghiệp
cịn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường
khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: mơi trường nhiều khói
bụi, mơi trường độc hại của hố chất, mơi trường nhiệt độ cao ...

</div>
<span class='text_page_counter'>(17)</span><div class='page_container' data-page=17>

2

Hình 1.1: SCARA robot của hang EPSON.

Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện
vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều.

1.2 Cơ sở chọn đề tài

Tay máy là một đối tượng có độ phi tuyến rất cao do đó việc thiết kế bộ điều
khiển cho đối tượng này là khá phức tạp. Như đã biết, điều khiển với cấu trúc thay
đổi (sliding mode control) là phương pháp hữu hiệu để điều khiển cho các đối
tượng phi tuyến bởi luật điều khiển hồi tiếp phi tuyến [1] – [4]. Điều khiển với cấu
trúc thay đổi là một kỹ thuật điều khiển rất mạnh, và bền vững. Trong những năm
gần đây, hệ thống điều khiển với cấu trúc thay đổi đã được ứng dụng rộng rãi để ổn
định hoá cho chuyển động của robot. Có rất nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển có
cấu trúc thay đổi, có thể kể đến như: Bộ điều khiển trượt trong hệ liên tục trình bày
trong [8,9], bộ điều khiển trượt được đưa ra trong [10] để điều khiển cho tay máy,
…

</div>
<span class='text_page_counter'>(18)</span><div class='page_container' data-page=18>

3

phi tuyến-hệ tay máy SCARA 02 bậc tự do. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính
ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống được thiết lập dưới dạng tồn phương của
hàm Lyapunov. Tính khả thi của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả
mô phỏng trên phần mềm Matlab và mơ hình thực nghiệm.

Luận án được chia làm 07 chương với nội dung như sau:
+ Chương 1: Tổng quan

Nội dung của chương này trình bày lý do chọn đề tài và tổng quan về hệ thống tay
máy và ứng dụng của nó trong cơng nghiệp đồng thời giới thiệu sơ lược về bộ điều
khiển được thiết kế trong luận án.

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương này trình bày tổng quát cơ sở lý thuyết Robot, hệ thống và
phương thức điều khiển 01 Robot.

+ Chương 3: Mơ hình tốn của tay máy SCARA

Nội dung chương này giới thiệu về mô hình động học thuận, ngược và mơ hình
động lực học của tay máy.

+ Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Nội dung chương này trình bày về bộ điều khiển PID trượt kết hợp với mặt trượt
PID, điều kiện tồn tại mặt trượt và điều kiện ổn định của hệ thống.

+ Chương 5: Kết quả mô phỏng

Nội dung chương này trình bày kết quả mơ phỏng hệ thống tay máy SCARA bằng
phần mềm Matlap với bộ điều khiển trượt PID được thiết kế trong luận án.

+ Chương 6: Xây dựng mơ hình thực nghiệm

Nội dung chương này xây dựng mơ hình thực nghiệm tay máy Scara với bộ điều
khiển PID trượt.

</div>
<span class='text_page_counter'>(19)</span><div class='page_container' data-page=19>

4

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot :

Các Robot công nghiệp ngày nay thường được cấu thành bởi các hệ thống sau:
Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra các
chuyển động cơ bản, gồm:

. Bệ (thân) - Base

. Khớp - thanh nối: joint- link

. Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt.

. Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối
tượng.

Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của
cơ cấu chấp hành là động cơ.

Hệ thống cảm biến gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các Rôbốt cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các
cơ cấu của Rôbốt.

Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt
động của Rôbốt, có thể chia ra thành 2 hệ thống:

. Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo) .
. Hệ thống điều khiển lực.

Cấu trúc vật lý cơ bản của một robot bao gồm thân, cánh tay và cổ tay. Thân được
nối với đế và tổ hợp cánh tay thì được nối với thân. Cuối cánh tay là cổ tay được
chuyển động tự do.

Về mặt cơ khí, Rơbốt có đặc điểm chung về kết cấu gồm nhiều khâu, được nối với
nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần
cơng tác. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu
toạ độ Đề các, toạ độ trị, tọa độ cầu…

Trong robot thì thân và cánh tay có tác dụng định vị trí cịn cổ tay có tác dụng định
hướng cho end effector. Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho nó có thể linh động
xoay theo các hướng khác nhau và cho phép Rơbốt định vị đa dạng các vị trí. Quan
hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của tay máy như: cổ tay, cánh tay được
thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động
quay, chuyển động tịnh tiến…

</div>
<span class='text_page_counter'>(20)</span><div class='page_container' data-page=20>

5

Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng khơng gian mà cổ tay có thể di chuyển tới
mà người ta chia robot thành bốn hình dạng cơ bản sau :

 Robot cực (H 1.1.a) .
 Robot Decac (H 1.1.b) .
 Robot trụ (H 1.1.c).
 Robot tay khớp (H 1.1.d) .

<i>a </i>

<i>b </i>

<i>c </i>

<i>_d</i>

Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản .

Các khớp được sử dụng trong robot là khớp L, R, T, V (khớp tuyến tính, khớp quay,
khớp cổ tay quay và khớp vng). Cổ tay có thể có đến 3 bậc tự do.

Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot

Input link

Output link

Input link

Output link

Output link
Input link

Input link

Output link

Loại Tên Minh họa

Tuyến tính
Quay

Cổ tay quay
Vuông

V

</div>

<!--links-->