Luận án TS: Điều khiển tay máy công nghiệp khi tổn thất cơ chế chấp hành - Lê Ngọc Trúc, ĐH Bách Khoa Hà Nội

Nghiên cứu phân tích và đề xuất phương pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong điều kiện tổn thất cơ chế chấp hành. Tài liệu tập trung vào giải pháp nâng cao

• Tác giả: Lê Ngọc Trúc
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Phùng Quang
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Phân tích và đề xuất phương pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển tay máy công nghiệp và tổn thất cơ chế chấp hành

Tay máy công nghiệp là hệ thống cơ điện tử phức tạp, hoạt động dưới sự điều khiển của chương trình máy tính. Robot công nghiệp đảm nhận nhiều tác vụ quan trọng trong sản xuất hiện đại. Các tác vụ bao gồm hàn, lắp ráp, vận chuyển và đóng gói sản phẩm. Phần khung cơ khí tạo nên cấu trúc vật lý của robot. Phần cơ chế chấp hành bao gồm động cơ, bộ truyền động và cảm biến. Hệ thống điều khiển xử lý tín hiệu và phát lệnh vận hành. Tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành là vấn đề nghiêm trọng trong vận hành công nghiệp. Tổn thất có thể xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau. Các dạng phổ biến gồm bó cứng khớp, mất khớp và suy giảm mô men. Mỗi loại tổn thất gây ra hậu quả riêng biệt cho chất lượng điều khiển. Nghiên cứu về đề tài này giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống robot. Phương pháp điều khiển phù hợp giúp duy trì hoạt động ổn định khi xảy ra lỗi.

1.1. Vai trò của robot công nghiệp trong sản xuất hiện đại

Robot công nghiệp đóng vai trò then chốt trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại. Các tay máy công nghiệp thực hiện nhiều tác vụ phức tạp với độ chính xác cao. Ứng dụng phổ biến bao gồm hàn điểm, hàn hồ quang và lắp ráp chi tiết. Robot cũng được sử dụng rộng rãi trong sơn phun, kiểm tra chất lượng và đóng gói. Sự phát triển của công nghệ robot giúp tăng năng suất lao động đáng kể. Chi phí vận hành giảm trong khi chất lượng sản phẩm được đảm bảo. Các nhà máy thông minh ngày càng phụ thuộc nhiều vào hệ thống robot tự động.

1.2. Các dạng tổn thất cơ chế chấp hành trong tay máy công nghiệp

Tổn thất cơ chế chấp hành là sự cố kỹ thuật ảnh hưởng đến hoạt động của robot. Ba dạng tổn thất chính thường gặp là bó cứng khớp, mất khớp và suy giảm mô men. Bó cứng khớp xảy ra khi một khớp bị kẹt không thể di chuyển. Mất khớp nghĩa là một khớp mất khả năng truyền động hoàn toàn. Suy giảm mô men là hiện tượng lực kéo tại khớp giảm so với giá trị thiết kế. Mỗi dạng tổn thất đòi hỏi phương pháp phát hiện và xử lý riêng biệt. Việc xác định đúng loại tổn thất là bước quan trọng để thiết kế bộ điều khiển phù hợp.

II. Phân tích ảnh hưởng của tổn thất cơ chế chấp hành đến hệ thống

Tổn thất cơ chế chấp hành gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điều khiển tay máy. Mô hình động lực học là công cụ quan trọng để phân tích hiện tượng này. Quá trình xây dựng mô hình sử dụng dạng ma trận để biểu diễn hệ thống. Mạng vật lý được áp dụng để mô hình hóa đối tượng vật lý của tay máy robot. Khi xảy ra tổn thất, mô hình động lực học ban đầu không còn chính xác. Điều này dẫn đến sai lệch lớn giữa mô hình và thực tế vận hành. Ảnh hưởng của suy giảm mô men đặc biệt đáng quan tâm trong thực tế. Chất lượng đáp ứng của tay máy giảm rõ rệt khi mô men bị suy giảm. Quỹ đạo di chuyển của đầu cuối tay máy bị sai lệch so với kế hoạch. Độ chính xác vị trí giảm và thời gian hoàn thành tác vụ tăng lên. Tay máy không có dự phòng động học chịu ảnh hưởng nặng nề hơn. Bài toán động học ngược của loại robot này thường chỉ có một hoặc hai nghiệm. Điều này hạn chế khả năng điều khiển khi xảy ra tổn thất.

2.1. Xây dựng mô hình động lực học của tay máy robot

Mô hình động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực và chuyển động của tay máy. Quá trình xây dựng mô hình sử dụng dạng ma trận để biểu diễn hệ thống phương trình. Các tham số bao gồm khối lượng, quán tính và ma trận tương tác giữa các khớp. Phương pháp mạng vật lý giúp mô hình hóa chính xác các yếu tố vật lý thực tế. Mô hình được xây dựng cho từng cấu hình cụ thể của tay máy robot. Độ chính xác của mô hình quyết định hiệu quả của thiết kế bộ điều khiển. Mô hình tốt giúp dự đoán đúng hành vi của hệ thống trong mọi điều kiện vận hành.

2.2. Ảnh hưởng của suy giảm mô men đến đáp ứng hệ thống

Suy giảm mô men là dạng tổn thất phổ biến trong thực tế vận hành robot công nghiệp. Hiện tượng này làm giảm lực kéo thực tế tại các khớp so với giá trị thiết kế. Chất lượng đáp ứng của tay máy bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự suy giảm này. Quỹ đạo di chuyển của đầu cuối robot bị sai lệch đáng kể. Độ chính xác vị trí giảm dẫn đến sản phẩm không đạt yêu cầu kỹ thuật. Thời gian hoàn thành tác vụ tăng lên làm giảm năng suất sản xuất. Ảnh hưởng càng nghiêm trọng hơn đối với tay máy không có dự phòng động học.

III. Đề xuất phương pháp điều khiển trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành

Phương pháp điều khiển được thiết kế nhằm hạn chế ảnh hưởng của tổn thất cơ chế chấp hành. Mục tiêu chính là duy trì chất lượng điều khiển ở mức chấp nhận được. Đối với dạng suy giảm mô men, phương pháp bù thích nghi được đề xuất. Bộ điều khiển thích nghi điều chỉnh tham số theo thời gian thực để bù trừ sai lệch. Phương pháp này giúp tay máy hoạt động ổn định dù mô men bị suy giảm. Đối với dạng bó cứng khớp, kết hợp phanh bó cứng với cập nhật cấu hình. Thuật toán điều khiển tương ứng được thiết kế cho cấu hình mới sau khi cập nhật. Tay máy có dự phòng động học có khả năng điều khiển cao hơn khi xảy ra lỗi. Hệ thống này có thể phát hiện giới hạn khớp trước khi lỗi xảy ra. Sau đó cập nhật cấu hình và thiết kế thuật toán điều khiển phù hợp. Tay máy không có dự phòng động học đòi hỏi giải pháp phức tạp hơn. Phương pháp đề xuất cần thỏa mãn điều kiện thiết kế bộ điều khiển tương ứng.

3.1. Phương pháp bù thích nghi cho suy giảm mô men

Phương pháp bù thích nghi là giải pháp hiệu quả cho tình trạng suy giảm mô men. Bộ điều khiển thích nghi tự động điều chỉnh tham số dựa trên tín hiệu phản hồi. Quá trình bù thích nghị theo dõi liên tục sự suy giảm mô men tại các khớp. Tham số điều khiển được cập nhật để bù trừ sai lệch giữa mô hình và thực tế. Phương pháp này giúp duy trì chất lượng điều khiển mà không cần dừng hệ thống. Kết quả áp dụng cho thấy tay máy hoạt động ổn định hơn so với bộ điều khiển cố định.

3.2. Xử lý tổn thất dạng bó cứng khớp và mất khớp

Tổn thất dạng bó cứng khớp yêu cầu phương pháp xử lý đặc biệt. Khi khớp bị bó cứng, kết hợp phanh bó cứng để cố định vị trí hiện tại. Sau đó cập nhật cấu hình hệ thống để thích ứng với tình trạng mới. Thuật toán điều khiển được thiết kế lại cho cấu hình đã thay đổi. Đối với tay máy có dự phòng động học, khả năng phục hồi cao hơn. Hệ thống có thể điều khiển các khớp còn lại để đưa khớp lỗi về vị trí mong muốn. Điều kiện tiên quyết là thỏa mãn các ràng buộc về động học và động lực học.

IV. Kết quả mô phỏng thực nghiệm và ứng dụng trong công nghiệp

Thuật toán điều khiển đề xuất được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Quá trình mô phỏng sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng hành vi tay máy. Các kịch bản tổn thất khác nhau được thiết lập để đánh giá hiệu quả phương pháp. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp bù thích nghi cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển. Sai lệch quỹ đạo giảm rõ rệt so với bộ điều khiển truyền thống. Thực nghiệm được thực hiện trên tay máy robot công nghiệp điển hình. Kết quả thực nghiệm xác nhận tính khả thi của phương pháp đề xuất. Phương pháp áp dụng được cho nhiều loại tay máy công nghiệp khác nhau. Ứng dụng thực tiễn bao gồm dây chuyền sản xuất ô tô và điện tử. Phương pháp giúp giảm thời gian dừng máy do tổn thất cơ chế chấp hành. Độ tin cậy của hệ thống robot được nâng cao đáng kể trong vận hành công nghiệp.

4.1. Kết quả mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển

Mô phỏng được thực hiện trên nhiều kịch bản tổn thất khác nhau của tay máy. Phần mềm mô phỏng chuyên dụng mô phỏng chính xác hành vi động lực học của hệ thống. Kết quả cho thấy phương pháp bù thích nghi giảm sai lệch quỹ đạo đáng kể. So sánh với bộ điều khiển PID truyền thống, phương pháp đề xuất cho kết quả vượt trội. Thời gian hội tụ nhanh hơn và độ ổn định cao hơn được ghi nhận. Các thông số đánh giá bao gồm sai lệch vị trí, tốc độ hội tụ và độ ổn định.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong sản xuất công nghiệp

Phương pháp điều khiển đề xuất có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngành sản xuất ô tô sử dụng nhiều tay máy cho các tác vụ hàn và lắp ráp. Ngành điện tử áp dụng robot cho kiểm tra chất lượng và đóng gói sản phẩm. Phương pháp giúp giảm thời gian dừng máy khi xảy ra tổn thất cơ chế chấp hành. Chi phí bảo trì giảm đáng kể nhờ khả năng duy trì vận hành trong điều kiện lỗi. Độ tin cậy hệ thống tăng giúp nhà máy hoạt động liên tục và ổn định hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Sự cân thiết của để tài. Muc tiêu nghiên cứu ry 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu we 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của dé tài. Những đóng góp của luận án - - 3 7. BO cue cia Wud accents — —.1 Giới thiệu về robot công nghiệp.2 Các cầu hình cơ bản của robot công nghiệp 5 1.

Các thành phân chính của robot công nghiệp .4 Cơ chế chấp hành : 7 1.5 Van dé tén thất cơ chế chấp hành và khả năng điều khiến 8 1.1 Các dạng tổn thất cơ chế chấp hành “i 8 1.2 Tinh hinh nghién ctu vé ton that co ché chap hanh 6 tay may robot .3 Phân tích khả năng điều khiển tay máy công nghiệp trong tinh trang tổn thất cơ chế chấp hành.1 Phân tích động học của một kiểu tay máy công nghiệp có 6 khớp quay điển hình khi bị tốn thất một cơ chế chấp hành.2 Các khả năng điều khiển tay máy công nghiệp điển hình khi bị yn thất cơ chế chấp hành.6 Để xuất hướng nghiên cứu của luận án.1 Hướng nghiên cứu của luận án.2 Dự kiến các đồng góp mới : “i 28 1.7 Kết luận chương1 wa Tre sees 2 28 iii 2. MO HINH DONG LUC HOC CUA TAY MAY ROBOT.2 Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay của khâu.3 Phương trình Euler-Lagrange 2.4 Mô hình đông lực học đạng toán học.5 Mô hình bán vật lý cho tay máy robot.1 Giới thiệu “ aac “ —.2 Mô hình CAD 3D của tay máy robot .3 Phương pháp đùng mạng vật lý để mô hình hóa hệ thống vật lý.1 Phương pháp dùng Simulink truyền thông.2 Phương pháp dùng mạng vật lý.4 Mô hình bán vật lý khi chưa xét tới ma sát khớp.1 Mô phỏng đáp ứng động lực học.2 Mô phỏng mô hình robot có vòng điều khiên.5 Mô hình bán vật lý có ma sát khớp.6 Kết luận chương 2 -. TON THAT CO CHE CHAP HANH VA PHUONG PHAP DIEU KHIEN 54 3.1 Ảnh hưởng của tổn thất co chế chấp hành đạng suy giảm mô men 54 3.2 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo khép - 56 3.1 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng PDT.2 Ảnh hưởng của tôn thất một cơ chế chấp hành dạng BDT.3 Ảnh hưởng của tồn thất một cơ ché chap hanh dang BDTR.3 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo điểm công tác .1 Ảnh hưởng của tồn thất một cơ chế chấp hành dạng PDT 6 3.2 Ảnh hưởng của tôn thất một cơ chế chấp hành dạng BDT.3 Ảnh hưởng của tồn thất một cơ chế chấp hành dạng BDTR.2 Phương pháp điều khiển khi có tổn thất cơ chế chấp hành. 72 Giới thiệu Tre ~-.2 Khái quát vẻ lý thuyết điều khiển trượt - T3 3 Khái quát về lý thuyết điều khiên thích nghĩ.4 Mô hình hệ thông khi có tôn thất cơ chế chấp hành dang PDT .5 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghỉ khi có tổn thất cơ chế chấp hanh dang PDT.6 Ap dung cho tay máy robot 2-DOE.7 Áp dụng cho robot công nghiép 6-DOF 89 3.3 Kết luận chương 3 # L/ES:AnI G1018 a ` 97.

KÉT QUÁ MÔ PHÒNG VÀ THỰC NGHIỆM CHO MỘT DẠNG TAY.1 Giới thiệu robot Serpent 1 ".1 Động học thuận.2 Động học ngược .3 Mô hình đông lực học.1 Mô hình toán hoc.2 Mô hình bán vật 105 4.4 Lập quỹ đạo chuyền động ——.5 Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm.1 Kết quả mô phỏng. se esssseesssszes-eeaSHĐ 4.2 Kết quả thực nghiệm.6 Kat Iudn chong4 cece e sev n 136 KÉT LUẬN VÀ KIỀN NGHỊ. - - 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỒ CỦA LUẬN ÁN. 140 TÀI LIÊU THAM KHẢO.

- - 141 PHU LUC =— neat =—. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TÁT Danh mục các ký hiệu Kýhiêu Đơnvi Ý nghĩa Toán tử tích Kronecker Ky higu cho dang vector hinh hoc Ký hiệu đạo hàm cấp một của biến “e” theo thời gian KÝ hiệu đạo hàm cấp hai của biển “e” theo thời gian Ma trận đơn vị có chiều n x n Gia tốc tinh tiền đọc theo đoạn AB. Độ dài của pháp tuyến chung giữa trục khớp i va trục khớp í + 1 đo đọc trục x, (tham số D-H) Gia tốc tịnh tiền lớn nhất trên một quỹ đạo tổng quát Gia tốc tịnh tiền lớn nhất đọc theo đoạn AB Gia tốc tịnh tiền lớn nhất đọc theo đoạn OA. Gia tốc tịnh tiên đọc theo đoạn OA.

Gia tốc tịnh tiền đọc trục k (k là x, y, z) Gia tốc tịnh tiền lớn nhất đọc trục k (k là x, y, Z) Vector gia tốc tịnh tiền của khâu EE trong hệ tọa độ cơ sở với các thành phân đọc trục ac;, đC€y, đc; Hệ số đương thứ ¿ của da thức thu được sau khi khai triển biến trượt s thành đa thức Ay, Ay, az M Các thành phần của vector a trong hệ tọa độ cơ sở Vector chỉ hướng trục z của EE Vector tham số được ước lượng bởi bộ ước lượng > pws Điểm đầu mút của quỹ đạo điểm làm việc WOWWOS Một điểm tùy ý ở trên khâu í Ma trận đường chéo tinh theo vector Khoảng bão hòa trong ham sat() Vector tham số được cập nhật bởi luật thích nghỉ Điểm đầu mút của quỹ đạo điểm làm việc Ma trận tham số chứa các thành phân bắt định Ma trận giá trị nhận đạng được của B Ma trận sai lệch giữa B và 8 Biểu diễn cho hàm cos(q;) Biểu diễn cho hàm cos(q; + q;) Các ma trận đường chéo với các hệ số dương. Vị trí điểm trọng tâm của khâu ỉ Đường giao giữa miễn giới hạn S;; và mặt cầu (tâm là điểm làm việc p, ban kinh d,) Ma trận Coriolis 1y tâm vi Ma trận C với các giá trị nhận dạng được Ma trận Coriolis/y tâm của robot 2-DOF Đô đài của pháp tuyến chung giữa trục x;_; và trục x; đo dọc trục z,_; (ham số D-H), 'Vùng không gian làm việc day đủ của robot 'Vùng không gian làm việc bị hạn chế của robot khi cơ chế chấp hành thứ ỉ bị bó cứng Phan tử hằng số đương ở cột i, hang j rad Sai lệch bám giữa khớp đặt thứ ¿ và dap ting khép i rad Vector sai lệch bám giữa khớp đặt và đáp ứng khớp Vector cét thứ ỉ của ma trận đơn vị 'Vector sai lệch vị trí với các thành phản ép. £p„ Vector sai lệch giữa x», vax Do rad Sai lệch góc của vector n hé affine SISO trong hé affine MIMO. S09 99 0D 09 OG LBP Sth Uée long cia ham fi trong hé affine MIMO Vector tham sé chita cdc thanh phan bat định Vector giá trị nhận dạng được của f Vector sai lệch giữa f và Ê Hằng số đương thứ í Gia tốc trọng trường Vector thành phân trọng lực Vector g với các giá trị nhận đạng được DOF Vector thành phẩn trọng lực của robot 2-DOF Vector gia tốc trọng trường xét trong hệ tọa độ cơ sở Ham phi tuyén trong hé affine SISO Hàm phi tuyến trong hé affine MIMO.

Ước lượng của ham hj; trong hé affine MIMO > Phân tử thứ ¿ của vector h Vector thay thể cho tich Mq eS Vector các hàm phi tuyển hạ, Ma trận cde ham [hj;] trong hé affine MIMO mm Ma trên các hàm [Â,,] trong hé affine MIMO Mô men quán tính chính của khâu i theo trục z ie fe Ma tran tensor quan tính của khâu ¿ xét trong hệ tọa đô ee thứ ¿ Ma trân tensor quán tính của khâu ¿ xét trong hệ tọa đỏ cơ sở Ma tran Jacobi quay tng véi vector a; Ma trén Jacobi quay ting véi vector w? Ma tran Jacobi tinh tién tng voi vector vo Hệ số khuếch đại của bộ điều khiến SMC cho hệ SISO Nui(rad/s) Hệ số ma sát nhớt ở khớp í vii Vector tham sé cila bé diéu khién SMC Tông động năng của tay máy robot Ma trận đường chéo tính theo vector k Ma trận đường chéo chứa các tham số kạ; Ma trận đường chéo chứa các tham số k„, Các ma trận tham số của bộ điều khiên Các ma trận tham số của bộ điều khiển Chiều dài của khâu ¡ Ham Lagrange Số các đâu vào của hệ phi tuyến affine MIMO. Khối lượng của khâu í Ma trận quán tính tông quát của tay máy robot Ma trận M với các giá trị nhận dạng được Ma tran quán tính tông quát của robot 2-DOF Số bậc tự đo Các thành phân của vector n trong hệ tọa độ cơ sở Vector chỉ hướng trục x của EE m Các thành phản của vector o trong hệ tọa độ cơ sở Vector chỉ hướng trục y của EE Vi tri ban dau cia EE Gốc hệ tọa độ thứ ¡ Đô dài giữa Øạ và điểm làm việc khi chiều lên ạxoy Pus Py Pe Các tọa độ của vector p trong hệ tọa độ cơ sở BBBBEBESB Ba, Vector 46 dai giữa Op va diém A; Be, Vector độ dài giữa Øạ và diém C; Vector vị trí điểm làm việc của EE ĐÁ, PB Vector đại số của vector Øa, trong hệ tọa độ cơ sở Pe, Vector dai số của vector Bc, trong hệ tọa độ cơ sở Pw Vị trí tâm mặt câu chỉ hướng (tâm cỗ tay) Tổng thế năng của tay máy robot @“B - dim d Góc quay của khớp í được tạo bởi động cơ của khớp í G rad Biển góc khớp í kh rad/s Vận tốc biến góc khớp í Ÿì rad/s? Gia tốc biến góc khớp í Gia rad Quỹ đạo mong muốn của biến góc khớp í Gir rad Quỹ đạo tham chiều của biển góc khớp ¡ dium rad Đáp ứng góc khớp í của mô hình toán học diem rad Đáp ứng góc khớp í của mô hình bán vật lý rad Vector biên góc khớp rad/s Vector van tốc biên góc khớp rad/s” Vector gia tốc biên góc khớp rad 'Vector quỹ đạo mong muôn của các góc khớp rad Vector qu¥ dao tham chiều của các góc khớp. Vector độ dài giữa Ø; và điểm 4, viii Vector 46 dai gitta 0; va diém C; Khoảng cách từ trục khớp í tới điểm trọng tâm của. BB khâu í Vector tín hiệu đặt (cho sơ đồ MRAC).