Báo Cáo Nâng cao chất lượng điều khiển robot Scara

Nâng cao chất lượng điều khiển robot Scara + ppt thuyết trình

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6
1.1. Robot và robot công nghiệp 6
1.1.1. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp 6
1.1.2. Robot và công nghệ cao 7
1.1.3. Định nghĩa về robot công nghiệp 8
1.2. Các phương pháp điều khiển robot 10
1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược 10
1.2.2. Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến 12
1.2.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch 13
1.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 14
1.2.5. Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi 15
1.2.6. Phương pháp điều khiển trượt 16
CHƯƠNG II: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG - ROBOT SCARA SERPENT 17
2.1. Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất 17
2.2. Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent 19
2.2.1. Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent 20
2.2.1.1. Cấu hình của robot Scara Serpent 20
2.2.1.2. Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent 20
2.2.2. Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent 21
2.3. Động học robot Scara Serpent 23
2.3.1. Động học thuận 23
2.3.2. Động học ngược 26
2.4. Động lực học robot Scara Serpent 28
2.4.1. Hàm Euler - Lagrange và các vấn đề động lực học 29
2.4.2. Động lực học robot Scara Serpent 30
2.4.2.1. Tính toán động năng và thế năng cho từng khớp 30
2.4.2.2. Phương trình động lực học 33
2.5. Mô tả đối tượng bằng hệ phương trình trạng thái 37

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 39
3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển robot 39
3.2. Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn 40
3.2.1. Xác định giá trị q02 và qc1 42
3.2.2. Phương trình đoạn cd 42
3.2.3. Phương trình đoạn ac 43
3.2.4. Phương trình đoạn df 43
3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy robot Scara Serpent ba bậc tự do 44
3.3.1. Hệ phương trình động lực học Lagrange 44
3.3.2. Hệ phương trình trạng thái 45
3.3.3. Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID 48
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG VỚI MÔ HÌNH ROBOT SCARA SERPENT 51
4.1. Đặt vấn đề 51
4.2. Sơ đồ mô hình hóa các khâu của hệ thống 51
4.2.1. Mô hình chung của robot 51
4.2.2. Mô hình khối tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn 51
4.2.3. Mô hình bộ điều khiển 52
4.3. Giao diện chương trình mô phỏng robot Scara Serpent 52
4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink 58
4.4.1. Thông số của robot và quỹ đạo chuyển động 58
4.4.2. Đặc tính của hệ thống khi robot làm việc với tải khác nhau 58
KẾT LUẬN 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 1: CÁC SƠ ĐỒ KHỐI 81
PHỤ LỤC 2: CÁC CHƯƠNG TRÌNH M FILES 86


MỞ ĐẦU
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận.
 Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thông minh.
 Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot.
Để hệ điều khiển robot có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Ngoài ra, hệ điều khiển robot phải đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện v.v .
Khi thiết kế hệ điều khiển robot mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh tế. Chất lượng của hệ thống được thể hiện trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính xác điều chỉnh. Trạng thái động thì có yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao động. Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng là sử dụng các mô hình có đặc tính phi tuyến có thể ước lượng được để đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot.
Đặc điểm cơ bản của hệ thống điều khiển robot là thực hiện được điều khiển bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi, điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyển động thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ điều khiển robot mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệ thống điều khiển robot. Do vậy, khi điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước phải giải quyết được những vấn đề sau:
 Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng các chuyển động thành phần và quỹ đạo chung của cả hệ như: lực quán tính, lực ly tâm, lực ma sát v.v .
 Khi trọng tâm của các chuyển động thành phần và của cả hệ thay đổi theo quỹ đạo riêng và chung kéo theo sự thay đổi của các thông số động học của hệ, điều đó đòi hỏi phải có sự biến thiên các tham số đưa vào bộ điều khiển tương ứng để vẫn đảm bảo sự cân bằng, ổn định và bền vững đồng thời vẫn bám theo được quỹ đạo đặt.
Với công cụ toán vi phân người ta đã có thể phân tích tính điều khiển được, tính quan sát được cho hệ phi tuyến.
Nội dung của đề tài nghiên cứu như sau:
1. Tên đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara.
2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Ứng dụng phương pháp điều khiển động lực học ngược cho điều khiển bền vững quỹ đạo robot.
3. Mục đích của đề tài: Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển robot Scara.
4. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
- 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.
Nội dung của luận văn đề cập tới vấn đề “Nâng cao chất lượng điều khiển robot Scara” với mục tiêu điều khiển bền vững và bám chính xác quỹ đạo chuyển động. Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương được tóm tắt như sau:
Chương I – Tổng quan về robot và điều khiển robot: Mô tả tổng quan về robot. Phân tích ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot đã và đang được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao độ chính xác điều khiển quỹ đạo robot.
Chương II – Mô tả toán học đối tượng robot Scara: Nghiên cứu một số robot trong họ Scara và đi sâu vào phân tích mô hình Robot Scara Serpent để phục vụ việc nghiên cứu và kiểm chứng cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển được lựa chọn.
Chương III – Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quỹ đạo cho robot. Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho robot Scara Serpent, xây dựng mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab-Sumulink.
Chương IV – Mô phỏng với mô hình robot Scara Serpent: Định hình và kiểm chứng về mặt lý thuyết cơ sở thực tiễn của đề tài cũng như tính khả thi của phương pháp điều khiển được lựa chọn khi áp dụng cho hoạt động bền vững của điều khiển quỹ đạo robot Scara Serpent 3 bậc tự do.