ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TIẾN TRỰC ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG 2 BẬC TỰ DO CONTROL PARALLEL ROBOT 2-DOF Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 605268 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2017 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học :. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :.
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.
HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TIẾN TRỰC MSHV: 13391048 Ngày, tháng, năm sinh: 09/01/1990 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số :605268 I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Giải các bài toán động học thuận, động học ngược, động lực học ngược của robot song song hai bậc tự do. - Kiểm tra kết quả các bài toán động học và động lực học bằng phần mềm máy tính. - Hoạch định quỹ đạo và điều khiển robot.
- Mô phỏng 3D trên máy tính. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/06/2017 IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.
NGUYỄN QUỐC CHÍ Tp. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) 2 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Quốc Chí đã hướng dẫn rất tận tình cho tôi trong thời gian thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong Control and Automation Laboratory đã nhiện tình giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này.
Cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong khoa Cơ Khí và các thầy cô trong Bộ môn Cơ điện tử đã giảng dạy và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu và bổ ích trong suốt quá trình học tập. Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, ủng hộ trong thời gian qua. Trân trọng biết ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2017 NGUYỄN TIẾN TRỰC 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày bài toán động học thuận, động học ngược và bài toán động lực học của robot song song 2 bậc tự do.
Chọn các quỹ đạo thẳng và quỹ đạo cong cùng với phương pháp điều khiển tính toán momen để điều khiển điểm cuối robot song song di chuyển theo quỹ đạo đã hoạch định, trong thời gian quy định trước. Kết quả các bài toán động học, động lực học và điều khiển được kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng trên máy tính (Matlab, Maple). ABSTRACT This Thesis solved the problems of forward and reverse kinematic, dynamic of a parallel robot 2 degree of dreedom (DOF). The linear, circular trajactories and computed torque control method were chosen to control the end effector of parallel robot move on the trajectories in particular time.
The Matlab simulation software was used to check the kinematic, dynamic solutions and control. 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu này do tôi -NGUYỄN TIẾN TRỰC thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. NGUYỄN QUỐC CHÍ. Các kết quả trình bày là trung thực, rõ ràng và các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng được chú thích ở phần cuối của luận văn này.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. HCM, ngày 18 tháng 6 năm 2017 NGUYỄN TIẾN TRỰC 5 MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN. 3 LỜI CAM ĐOAN. 5 DANH MỤC HÌNH ẢNH.
7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .1 Lý do chọn đề tài .2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .1 Giới thiệu chung về robot song song .1 Lịch sử phát triển .2 Khái niệm chung .2 Tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SONG SONG 2 BẬC TỰ DO .1 Mô hình robot song song 2 bậc tự do .2 Bài toán động học.1 Bài toán động học thận.2 Bài toán động học ngược.3Vùng hoạt động của robot .3 Bài toán động lực học .1 Phương trình Euler-Lagrange tổng quát .2 Thiết lập phương trình Euler-Lagrange cho robot song song .4 Thuật toán điều khiển. HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO VÀ MÔ PHỎNG .1 Hoạch định quỹ đạo.1 Hoạch định góc quay cho động cơ.2 Quỹ đạo đường thẳng .3 Quỹ đạo đường cong .1 Mô phỏng động học .2 Mô phỏng động lực học .3 Mô phỏng điều khiển robot song song. 52 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .2 Hướng phát triển của đề tài.
59 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 61 PHỤ LỤC MÔ PHỎNG. 63 7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình robot song song 2 bậc tự do .2 Mô hình robot delta 3 bậc tự do .3 Mô hình robot Novel .4 Mô hình robot delta 3 bậc tự do .1 Mô hình robot song song hai bậc tự do.2 Các vị trí cánh tay của robot song song 2 bậc tự do .3 Vùng làm việc của robot song song 2 bậc tự do .4 Mô hình điều khiển momen cho robot song song .5 Biểu đồ của đáp ứng over damped .6 Biểu đồ của đáp ứng critical damped.7 Biểu đồ của đáp ứng under damped.1 Góc quay, vận tốc và gia tốc góc cấp cho động cơ .2 Quỹ đạo đường thẳng .3 Quỹ đạo đường cong .4 Mô hình Simulink của robot song song 2 bậc tự do .5 Mô hình cơ khí robot song song 2 bậc tự do .6 Mô hình Simulink mô phỏng động học ngược.7 Kết quả mô phỏng động hoc thuận .8 Mô hình Simulink mô phỏng động học ngược .9 Kết quả mô phỏng động học thuận (đường thẳng) .10 Mô hình Simulink mô phỏng động lực học .11 Kết quả mô phỏng động lực học .12 Mô hình điều khiển robot song song .13 Kết quả mô phỏng robot song song (chưa điều khiển) .14 Kết quả mô phỏng robot song song (Over damped) .15 Kết quả mô phỏng robot song song (Critical damped) .16 Kết quả mô phỏng robot song song (Critical damped).
57 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh robot nối tiếp và robot song song .1 Thông số của robot song song 2 bậc tự do .2 Các thông số của hệ thống .1 Thông số ban đầu và kết thúc của robot .2 Thông số ban đầu và kết thúc của quỹ đạo thẳng .3 Thông số ban đầu và kết thúc của quỹ đạo cong .4 Các thành phần trong mô hình Simulink .5 Các thông số ban đầu của robot .6 Các khối trong mô phỏng động học thuận .7 Mô hình điều khiển robot song song .1 Lý do chọn đề tài Trong thời kỳ hiện đại hóa trong công nghiệp ngày nay, việc sử dụng robot trong công nghiệp và dân dụng để thay thế cho công nhân và các loại máy công cụ đơn giản là cần thiết. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp ô-tô, công nghiệp nặng , công nghiệp thực phẩm, hóa chất, y dược,. Yêu cầu một hay nhiều khâu sản xuất phải được thực hiện bằng robot để thay thế cho con người do yêu cầu về tính chính xác, năng suất, an toàn, sức khỏe, vệ sinh,. Do đó, ngày càng nhiều robot được sử dụng trong công nghiệp.
Ví dụ, một số công đoạn có sử dụng robot trong quá trình sản xuất như: hàn nối hoặc cắt các chi tiết có kích thước lớn cần có độ chính xác cao, đóng gói sản phẩm, phân loại sản phẩm thành từng loại với số lượng lớn, robot phục vụ cho người,.Nên việc sử dụng robot thay thế cho nhân công là xu thế và việc làm tất yếu trên toàn cầu. Các loại robot nối tiếp được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp từ những năm 1950 cho đến nay. Chúng đáp ứng được các yêu cầu mà người ta đặt ra như tính chính xác và linh hoạt. Tuy nhiên robot nối tiếp cũng có nhiều nhược điểm làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm.
Như để đảm bảo độ chính xác, giảm sai số tích lũy thì kết cấu của robot nối tiếp phải cứng vững vì càng về phía khâu giá thì tải trọng đè lên khâu đó càng lớn (do phải mang các khâu khác và các động cơ). Ngoài ra, trong sản xuất công nghiệp số lượng lớn, yêu cầu về thời gian đáp ứng nhanh thì không phải robot nối tiếp nào cũng thực hiện được. Do đó, robot song song ra đời (hình 1.1) và nó đáp ứng được những đòi hỏi mà hệ thống sản xuất đặt ra. Bản chất của robot song song song song là các robot nối tiếp được ghép với nhau và có chung điểm cuối tạo thành robot song song.
Các động cơ không đặt trên các khâu chuyển động mà được đặt cố định trên khâu giá. Nên độ cứng vững của các khâu trong robot song song không yêu cầu cao như robot nối tiếp. Thêm nữa, vấn đề tốc độ trên robot song song cũng được cải thiện đáng kể.1 Mô hình robot song song 2 bậc tự do[1] Ngoài ra, trong nghiên cứu khoa học, việc ứng dụng các thuật toán điều khiển vào các mô hình hay cơ cấu cơ khí là cần thiết. Nó giúp ta giải quyết được các bài toán động học và động lực học hệ thống để đưa các giải thuật điều khiển vào robot nói chung và robot song song nói riêng.
Do đó, ta phải mô hình hóa hệ thống để đưa ra phương trình chuyển động của robot cần điều khiển. Nên việc giải quyết các bài toán động học thuận, ngược và động lực học hệ thống là cần thiết. Trong thực tế, các robot có đầu công tác di chuyển theo một đường cong bất kỳ cho trước. Vì vậy việc hoạch định quỹ đạo và áp giải thuật điều khiển vào để điều khiển robot chuyển động theo một quỹ đạo cho trước (từ A đến B) là cần thiết.
Do đó, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này. Ta sẽ sử dụng robot song song 2 bậc tự do để điều khiển điểm cuối robot chuyển động đi từ A đến B trong khoảng thời gian cho trước.