Luận văn: Điều khiển chuyển động Robot 6 bậc tự do - Tác giả Lê Văn Chính

Tải luận văn thạc sĩ về điều khiển Robot 6 bậc tự do. Tài liệu đầy đủ nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và ứng dụng robot công nghiệp.

• Tác giả: Lé Văn Chính
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Phủng Quang
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển tự động
• Đề tài: Điều khiển Robot 6 bậc tự do
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung Về Robot 6 Bậc Tự Do IRB2400

Robot 6 bậc tự do IRB2400 là một hệ thống cơ-điện tử phức tạp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào điều khiển chuyển động robot 6 bậc tự do, một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động. Robot IRB2400 được phát triển bởi tập đoàn ABB, là một trong những robot công nghiệp tiên tiến nhất. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển động lực học cho robot này có ý nghĩa thực tiễn cao. Luận văn cung cấp những kiến thức toàn diện về cấu trúc, đặc tính kỹ thuật và các phương pháp điều khiển hiệu quả cho robot này.

1.1. Cấu Trúc Và Đặc Tính Kỹ Thuật Robot IRB2400

Cấu trúc robot 6 bậc tự do bao gồm các khâu cơ học được kết nối bởi 6 khớp quay. Mỗi khớp được điều khiển bởi một bộ servo motor độc lập. Robot này có khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp trong không gian ba chiều. Các thông số đặc tính bao gồm tải trọng tối đa, tốc độ chuyển động, độ chính xác định vị và khả năng lặp lại chuyển động. Kiến trúc của IRB2400 cho phép nó hoạt động linh hoạt trong các tác vụ lắp ráp, hàn, và xử lý vật liệu.

1.2. Mục Đích Và Phạm Vi Của Nghiên Cứu

Luận văn thạc sĩ điều khiển robot 6 bậc tự do hướng tới mục đích phát triển và xác minh các phương pháp điều khiển hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa động học, động lực học, và thiết kế các bộ điều khiển PID phi tuyến. Các kết quả luận văn có thể áp dụng cho các robot công nghiệp khác với cấu trúc tương tự, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống robot trong thực tế.

II. Mô Hình Hóa Robot 6 Bậc Tự Do Theo Phương Pháp Euler Lagrange

Mô hình hóa robot là bước quan trọng để hiểu rõ hành vi động học và động lực học của hệ thống. Phương pháp Euler-Lagrange được sử dụng để thiết lập các phương trình chuyển động cho robot 6 bậc tự do. Phương pháp này dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng và cung cấp các phương trình vi phân phi tuyến mô tả chuyển động của robot. Tọa độ thuần nhất được áp dụng để biểu diễn vị trí và hướng của các khâu robot. Mô hình động lực học bao gồm các ma trận quán tính, vector lực ly tâm và lực Coriolis. Việc thiết lập mô hình chính xác là nền tảng cho việc thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả.

2.1. Bộ Thông Số Denavit Hartenberg Và Động Học Robot

Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH) là công cụ tiêu chuẩn để mô tả cấu trúc hình học của robot. Mỗi khâu được xác định bằng bốn thông số DH: độ dài khâu, góc xoắn, khoảng cách liên khớp và góc khớp. Từ đó, ta có thể thiết lập các phương trình động học thuận để xác định vị trí tay máy từ các góc khớp. Động học ngược được sử dụng để tìm các góc khớp tương ứng với một vị trí tay máy mong muốn.

2.2. Phương Trình Động Lực Học Và Năng Lượng Robot

Phương trình động lực học robot mô tả mối quan hệ giữa các mô men điều khiển tại các khớp và chuyển động kết quả của robot. Động năng tay máy được tính từ vận tốc khối tâm của tất cả các khâu. Thế năng phụ thuộc vào vị trí khối tâm trong trường hấp dẫn. Ma trận Jacobian liên hệ vận tốc khớp với vận tốc tay máy. Các vector lực trọng trường, lực ly tâm và Coriolis được xác định để lập nên hệ phương trình hoàn chỉnh mô tả động lực của robot.

III. Điều Khiển Động Lực Học Ngược Robot Sử Dụng Bộ Điều Khiển PID Tuyến Tính

Điều khiển động lực học ngược là phương pháp hiệu quả để kiểm soát chuyển động robot 6 bậc tự do. Phương pháp này dựa trên việc tính toán mô men điều khiển dựa trên mô hình động lực của robot. Bộ điều khiển PID tuyến tính được thiết kế để điều khiển các vòng ngoài với sai số vị trí và vận tốc. Vòng ngoài PD tuyến tính được sử dụng để điều khiển sai số vị trí góc tại các khớp. Vòng ngoài PID tuyến tính bổ sung tích phân để loại bỏ sai số dừng. Phương pháp này cho phép robot theo dõi quỹ đạo mong muốn với độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong thực tế, việc áp dụng yêu cầu phải xử lý các vấn đề như không chắc chắn mô hình và độ trễ tính toán.

3.1. Thiết Kế Vòng Ngoài Với Bộ Điều Khiển PD Tuyến Tính

Bộ điều khiển PD tuyến tính được thiết kế để điều khiển sai lệch vị trí tại mỗi khớp robot. Hàm truyền của bộ điều khiển gồm hai thành phần: gain tỷ lệ (P) và gain đạo hàm (D). Các thông số Kp và Kd được chọn sao cho hệ thống kín đạt được tính ổn định và tốc độ đáp ứng mong muốn. Phương pháp thiết kế vòng ngoài này yêu cầu sử dụng Jacobian ngược để chuyển đổi sai số tay máy thành sai số khớp.

3.2. Thiết Kế Vòng Ngoài Với Bộ Điều Khiển PID Tuyến Tính

Bộ điều khiển PID tuyến tính bổ sung thành phần tích phân để loại bỏ sai số xác lập trong chế độ dừng. Thành phần tích phân tích lũy các sai số quá khứ và cung cấp một hành động điều chỉnh để về 0. Hàm truyền của PID bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (Kp), tích phân (Ki), và đạo hàm (Kd). Việc tuning bộ PID cần phải cân bằng giữa độ ổn định và hiệu năng, thường sử dụng các phương pháp như Ziegler-Nichols hoặc tối ưu hóa.

IV. Bộ Điều Khiển PID Phi Tuyến Và Các Phương Pháp Tối Ưu Hóa

Bộ điều khiển PID phi tuyến (NPID) cải thiện hiệu năng điều khiển so với PID tuyến tính truyền thống. Các loại NPID phi tuyến bao gồm PID với gain thích nghi, PID với bão hòa phi tuyến, và PID với hệ số tỷ lệ biến đổi. Các phương pháp tổng hợp bộ PID phi tuyến cho phép điều chỉnh động các thông số điều khiển dựa trên trạng thái hệ thống. Đặc tính khuyếch đại phi tuyến điển hình như dead-zone, saturation, và hysteresis được sử dụng để cải thiện phản ứng. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc giảm vượt quá (overshoot) và tăng tốc độ hội tụ. Tính ổn định với bộ điều khiển PD phi tuyến được phân tích dựa trên lý thuyết Lyapunov.

4.1. Giới Thiệu Các Loại PID Phi Tuyến

Các loại PID phi tuyến (NPID Type) được phân loại dựa trên cơ chế phi tuyến được sử dụng. PID với gain thích nghi điều chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd dựa trên độ lớn sai lệch hoặc tốc độ biến thiên sai lệch. PID với bão hòa phi tuyến giới hạn độ lớn của lực điều khiển để tránh bão hòa bộ truyền động. PID kết hợp sử dụng nhiều đặc tính phi tuyến cùng lúc để đạt hiệu năng tối ưu. Các phương pháp này cho phép bộ điều khiển thích ứng động với điều kiện hoạt động khác nhau.

4.2. Thiết Kế Thuật Toán Và Ứng Dụng Thực Tế

Thiết kế thuật toán điều khiển cho robot 6 bậc tự do yêu cầu cân nhắc nhiều yếu tố thực tế. Biến khớp (góc và khoảng cách) được đo từ cảm biến encoder hoặc potentiometer với nhiễu. Đạo hàm bậc nhất của biến khớp (vận tốc góc và tuyến tính) được tính từ sai phân hoặc sử dụng bộ lọc. Vector vận tốc và gia tốc được tính dựa trên ma trận Jacobian. Việc xác định biên khớp (góc quay, khoảng cách) là cơ sở để điều khiển chính xác. Thuật toán được triển khai trên bộ điều khiển thời gian thực với chu kỳ lặp cố định, thường từ 1-10 milliseconds.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI LUAN VAN THAC S¥ KHOA HOC DIEU KHIEN CHUYEN DONG ROBOT 6 BAC TU DO NGÀNH: ĐIÊU KHIỂN TỰ ĐỘNG MA SO: LE VAN CHINH Người hướng dẫn khoa hoc: GS. NGUYEN PHUNG QUANG HA NOI 2008 Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục LỜI CÁM ƠN lim xin chân thành cảm ơn PŒ 'SKII. Nguyễn Phủng Quang, người thầy đã tận tình hưởng dan om thực hiện để tải này, đã định hướng, chỉ bảo giúp đỡ em để hoàn thành bản luận văn nảy và tạo cơ hội cho em được tìm hiểu về robot TRI2400; hễ tro những tải liệu tham khảo bữu ich, và nghiêm khắc nhưng rất công bằng giúp dỡ em khắc phục những răi thiếu sói và lạm chế của luận án này Tìm cũng xin chân thành cảm on cáo anh, chị cán bộ của Trung tâm Công nghệ cao đã tao diều kiện giúp em tư hiểu các thông số của robol cản thiết cho luận an cũng như giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án tại Trung Tâm. Em xin piri lời cảm on sâu sắc tới các thầy cô trong Bộ môn Diệu khiển tự động, khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa Há Nội dã quan tâm đỉu dắt chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.

Hà nội, ngày 14 tháng 4 năm 2008 Học viên Lé Van Chính Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục MỤC LỤC Ký hiệu và chữ việt tất Danh mụe các băng và hình vẽ MO DAU CHUONG I. Giới thiệu chung.2, Sơ lược về Robof 6 bậc tự đo IRB2400 12. Cấu trủe của Robot 12400 1.2, Các thông số đặc tính kỹ thuật cơ bản 1.3, Tính năng hoại đồng 1. Mục đích và phạm vỉ của luận án CHUONG 2: MO HINH HOA ROBOT 6 BAC TY DO THEO PHƯƠNG PHÁP EULER LAGRANGE 2.

Mé binh béa theo phuong pháp Euler-T. Các phép biến đổi thuần nhát 3 1. Hà tọa độ thuần nhất 2. Các pháp biển đổi thuận nhất 2.

Mô hình động học robot 2.1, Bộ thông sé Denavit — Hartenberg 2.2, Trinh tr thiét lép mé hink ding hoc Denavit Hurtenbery 2.3, Déng học ngược Robot 3. Mô hình động lực học robot 2. Phương trình động lựe học 3. Vậm tốc và gia tắc của một điểm trên robot trong hệ tọa độ cơ bản 2.

Động nẵng tay máy: 2.3, Thể nẵng tay mắy 232. Mã hình động lực học robot 232. Các đặc điểm của mã hình động lực học Robot 2. Mô hình hoá Robot 6 bậc tự do I4B2400 3.

Xác định các thông số của Robot IRR 2400 24.1 Câu trú hình học đơn giản hỏa của các khâu Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục Trang 2. Khôi lượng của các khâu 241. Mĩa trận quán tính và vị trí trọng lâm của các khẩu: 2. Mô hình động học (Kinenmiic) 2.1 Gidi bai tadn dong hoc thudn (forward kinematics) 3.

Giải bài toán động học ngược finverse kinematics) 2. Mô hình động lực học (Dynamic) 3. Cúc ma trận Ủy 243. Ma trận quan hệ 343.

Vactor lực lụ tâm và lực Corialis 2.5, Vacter lực trọng trường c CHUONG 3: DIEU KHIEN DONG LUC HOC NGUGC ROBOT SU DUNG BO BINU KMIEN PID PIT TUYEN 3. Tổng quan về điều khiển chuyên động Robot 3. Một số phương pháp điều khiển điển hình: 3. Phương pháp điều khiêu độc lập có phản hãi 3.

Phương pháp diễu khiêu phản hỗi phân ly phí tuyềễn 33. Phương pháp điều khuẩn thích nghỉ theo mô hình mẫu 3.4 Phưang pháp điều khuẩn thích nghỉ theo sai lệch 3.S Phưang pháp điều khuẩn trượt. Phương pháp điều khiển động hrc học ngược 3. Nội đng phương pháp 313.

Thiết KỆ vòng ngoài với bộ diễu khuẩn PD noyén tink 3. Thiết kế vàng ngoài với bộ thầu khiển P1D tuyén tinh 32.4 Aột số vấn dễ khá khăn nà biện phác khắc phục trang thực tẾ trong việc điễu khiến robot theo phương pháp điêu khiến động lực hoc ngược. Bộ điền khiến PID phi tuyến 3. Giới thiện chưng 3.

Các loat PID phi tuyén (NPID Type) 3.3 Cée phương pháp tổng hợp bộ P1D phi tuyển 3.4, Mét sé dae tinh khuyéch đại phí tuyển điền hình 3. Xét tỉnh ôn dịnh với bé diéu khién PD phi tuyén 3. Thiết kế thuật toàn d Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học a Biên khớp (góc, khoảng cách) 4 Đạo hàm bậo nhất của biên khớp theo thời gian (vân tốc góc, vận tốc. thắng) Vi ar ‘Vector van t6c, gia toc của khâu ¡ so với hệ tọa dộ cô định trong không.

gian tọa độ thuần nhất Uy ‘Dao ham riéng bac nhat ca A, theo g; Up ‘Dao ham riéng bac hai ctia A, theo q va qe 5 'Vecfor gia tốc trọng trường D Ma tran quan hé (ma tran quan tinh hoa mémen quan tinh) h Vector lực ly tâm và lực Coriolit c ‘Vector lực trọng trường, Ts Mu trận lụa độ điểm lác động cuỗi Te Tensor quan tinh (so véi trong tâm) Chie viet tit DOF Degree OF Free RPY Roll Pitch Yaw DU Denavit — [artenberg EE End-Effector VE Virtual Reality VRML Virtual Reality Modeling Language MIMO. Multi Input Multi Output SISO Single Input Single Output PID Proportional Integral Derivative Proportional Derivative Nonlinear Proportional Derivative Nonlinear Decoupling ‘theory Operational Space Control Geometric Control Theory Locally Lixactly extemally Linearized and decoupled Asea Brown Bovei (tập đoàn dø quốc gia hoạt động chinh về lĩnh vực công nghê năng lượng vả tự động hóa). Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục Trang 2. Khôi lượng của các khâu 241.

Mĩa trận quán tính và vị trí trọng lâm của các khẩu: 2. Mô hình động học (Kinenmiic) 2.1 Gidi bai tadn dong hoc thudn (forward kinematics) 3. Giải bài toán động học ngược finverse kinematics) 2. Mô hình động lực học (Dynamic) 3.

Cúc ma trận Ủy 243. Ma trận quan hệ 343. Vactor lực lụ tâm và lực Corialis 2.5, Vacter lực trọng trường c CHUONG 3: DIEU KHIEN DONG LUC HOC NGUGC ROBOT SU DUNG BO BINU KMIEN PID PIT TUYEN 3. Tổng quan về điều khiển chuyên động Robot 3.

Một số phương pháp điều khiển điển hình: 3. Phương pháp điều khiêu độc lập có phản hãi 3. Phương pháp diễu khiêu phản hỗi phân ly phí tuyềễn 33. Phương pháp điều khuẩn thích nghỉ theo mô hình mẫu 3.4 Phưang pháp điều khuẩn thích nghỉ theo sai lệch 3.S Phưang pháp điều khuẩn trượt.

Phương pháp điều khiển động hrc học ngược 3. Nội đng phương pháp 313. Thiết KỆ vòng ngoài với bộ diễu khuẩn PD noyén tink 3. Thiết kế vàng ngoài với bộ thầu khiển P1D tuyén tinh 32.4 Aột số vấn dễ khá khăn nà biện phác khắc phục trang thực tẾ trong việc điễu khiến robot theo phương pháp điêu khiến động lực hoc ngược.

Bộ điền khiến PID phi tuyến 3. Giới thiện chưng 3. Các loat PID phi tuyén (NPID Type) 3.3 Cée phương pháp tổng hợp bộ P1D phi tuyển 3.4, Mét sé dae tinh khuyéch đại phí tuyển điền hình 3. Xét tỉnh ôn dịnh với bé diéu khién PD phi tuyén 3.

Thiết kế thuật toàn d Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục Danh mục các băng SH | Nội dụng Trang 1 Bảng !.1- Bằng thông số kỳ thuật của Robot IRB 2400 14 2.1- Bảng thông số DH của Robot IRB 2400 34 3.2- Các ma trận Ú, %2 4 | Bảng3.3: Các ma trận Ủạ 53 5 | Bang 5-1: Cae chwong trinh/mé hinh phục vụ thực hiện việc mô 105 phon; Danh mục các bản vẽ, để thị Si | Ni dựng Trang 1 Hình 1.1: Sơ đỗ cầu tạo chung của Robot IR2400 12 2.— | Hình 13: Sơ dỗ Khối của mô hình Robot IB2400 13 3. Củc thingsố của Khân: Ö d da vũ & 20 4 — | Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của ví Khối lượng đm + 5 | Hình 23 Kích thước của Robot HRB2400 30 6 | Hình 24 Hình dạng đơn giản hóa của để 37 7.5 Hình đụng đơn giản hóa của khâu thứ nhất 3 3 | Hình 26 Hình đang đơn giản hỏa của khâu thứ hai 37 9 | Tinh 2.7 Lình dạng đơn giản hóa của khâu thứ ba 32 70.8 Hình dang đơn giần hỏa của khâu thử tr 32 Ti | Hình 2.9 Hình dang đơn giăn hóa của Khâu thứ năm 3 12.10 Link dang don giăn hóa của khâu thứ sảu 3 13. Gan ede ba trục tou độ theo mô hình DỊT 3 14, | Hình 3.12 Minh họa tay máy 6 khép quay tách biệt 45 13.13 Trường hợn đặc biệt thử bai (mát động học ngược) 49 16.1 > Se dé edu tric hé thdng diéu khibn độc lập có phản hồi 63 17. | Hình 3-2: So dé eda wie diéu khién thich nghi theo md hinh mau 65 18.

| Hinh 3-2: So dé cu inic diéu khién thich nght theo sat léch 66 1D. | Hinh 3-4 So dé nguyen lý diễu khiển trượt oF Trường ĐHBK Hà Nội Luận văn cao học a Biên khớp (góc, khoảng cách) 4 Đạo hàm bậo nhất của biên khớp theo thời gian (vân tốc góc, vận tốc. thắng) Vi ar ‘Vector van t6c, gia toc của khâu ¡ so với hệ tọa dộ cô định trong không. gian tọa độ thuần nhất Uy ‘Dao ham riéng bac nhat ca A, theo g; Up ‘Dao ham riéng bac hai ctia A, theo q va qe 5 'Vecfor gia tốc trọng trường D Ma tran quan hé (ma tran quan tinh hoa mémen quan tinh) h Vector lực ly tâm và lực Coriolit c ‘Vector lực trọng trường, Ts Mu trận lụa độ điểm lác động cuỗi Te Tensor quan tinh (so véi trong tâm) Chie viet tit DOF Degree OF Free RPY Roll Pitch Yaw DU Denavit — [artenberg EE End-Effector VE Virtual Reality VRML Virtual Reality Modeling Language MIMO.

Multi Input Multi Output SISO Single Input Single Output PID Proportional Integral Derivative Proportional Derivative Nonlinear Proportional Derivative Nonlinear Decoupling ‘theory Operational Space Control Geometric Control Theory Locally Lixactly extemally Linearized and decoupled Asea Brown Bovei (tập đoàn dø quốc gia hoạt động chinh về lĩnh vực công nghê năng lượng vả tự động hóa). Trường ĐHBX Hỗ Nội Luận văn cao lục CHUONG 1 TONG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG Cũng với sự phát triển Không ngừng của khoa học và kỹ tật, các máy móc và thiết bị trong công ngÌuệp ngày cảng phải dạt năng suất cao, làm việc chính xác và hiệu quả cao. Mặt khác nhu câu tự động hóa cho các quá trình rồi rạc ngảy cảng cao thay thé cho sức lục của con người đặc biệt là những công việc năng nhọc, môi trường làm việc nguy hiểm, có tỉnh lặp lại, vv.

Các quả trình này có thể kể đến như. quả trình. nạp phôi liệu, lắp ráp bảng mạch, son, han,. Va Robot ra doi nhim théa man các yêu cầu này.