Luận Văn Thạc Sĩ Về Thiết Kế Bộ Điều Khiển Thích Nghi Cho Delta Robot Trong Chuyển Động Sàn Tàu Thủy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi mô phỏng chuyển động sàn tàu thủy, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Đình Vương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Duy Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Thích Nghi Cho Chuyển Động Sàn Tàu Thủy Bằng Delta Robot
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho chuyển động sàn tàu thủy bằng delta robot là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ tự động hóa và điều khiển. Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh, việc đảm bảo an toàn trong vận tải biển trở nên cấp thiết. Sự gia tăng khối lượng hàng hóa lưu thông đồng nghĩa với việc cần phải có các hệ thống điều khiển hiệu quả để giảm thiểu rủi ro mất mát và hư hỏng hàng hóa. Đề tài này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực tiễn mà còn mở ra cơ hội cho nghiên cứu sâu hơn về robot delta và ứng dụng của nó trong ngành hàng hải. Theo báo cáo của World Shipping Council, tình trạng mất mát hàng hóa đang gia tăng, điều này càng khẳng định sự cần thiết của việc phát triển mô hình mô phỏng chuyển động của sàn tàu thủy. Đề tài đã sử dụng cơ cấu Delta Robot để mô phỏng ba chuyển động cơ bản của sàn tàu: chuyển động tiến, lùi, và quay, từ đó tạo ra môi trường nghiên cứu và kiểm chứng các mô hình toán học liên quan đến điều khiển tự động.

II. Cơ sở lý thuyết về Delta Robot

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến Delta Robot, bao gồm động học và động lực học. Delta Robot là một loại robot có cấu trúc đặc biệt, cho phép thực hiện nhiều chuyển động linh hoạt và chính xác. Đặc biệt, bậc tự do của Vertical linear Delta robot cho phép nó thực hiện các chuyển động tịnh tiến và xoay một cách hiệu quả. Các phương trình động học thuận và ngược được sử dụng để xác định vị trí và hướng di chuyển của robot. Ma trận Jacobian được áp dụng để phân tích mối quan hệ giữa các biến điều khiển và chuyển động của robot. Phân tích không gian làm việc giúp xác định giới hạn hoạt động của robot trong thực tế. Điều này rất quan trọng để thiết kế hệ thống điều khiển thích nghi, đảm bảo điều khiển tự động hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống.

III. Mô hình cơ khí và mạch điện

Chương này tập trung vào việc thiết kế mô hình cơ khí cho Delta Robot và các mạch điện cần thiết để điều khiển robot. Mô hình cơ khí được xây dựng dựa trên các yêu cầu thiết kế, đảm bảo tính ổn định và khả năng hoạt động linh hoạt. Các chi tiết dẫn động chính và cụm chi tiết nâng đỡ sàn tàu được thiết kế tỉ mỉ để đảm bảo khả năng chịu tải và độ bền. Bên cạnh đó, hệ thống mạch điện bao gồm vi điều khiển STM32F4 Discovery, mạch công suất điều khiển động cơ, và các cảm biến đo góc nghiêng, giúp robot có thể thực hiện các chuyển động chính xác. Mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink cũng được xây dựng để kiểm tra và tối ưu hóa các thông số điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống điều khiển thích nghi.

IV. Giải thuật điều khiển

Chương này trình bày các giải thuật điều khiển được áp dụng cho Delta Robot nhằm đạt được chuyển động mong muốn của sàn tàu thủy. Bộ điều khiển PID được thiết kế để điều chỉnh tốc độ động cơ, đảm bảo robot di chuyển theo quỹ đạo đã định. Hệ điều khiển thích nghi được xây dựng dựa trên mô hình chuẩn (MRAS), cho phép robot tự điều chỉnh khi có sự thay đổi về tải trọng hoặc thông số mô hình. Các phương pháp điều khiển vòng kín được áp dụng nhằm khử sai số và cải thiện chất lượng điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật này giúp robot duy trì độ chính xác cao trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống.

V. Kết quả và đánh giá

Chương cuối cùng đánh giá kết quả đạt được từ việc áp dụng các bộ điều khiển đã thiết kế. Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển thích nghi đã cải thiện đáng kể khả năng điều khiển của Delta Robot trong việc mô phỏng chuyển động sàn tàu thủy. Các số liệu thu thập được cho thấy sai số vị trí và tốc độ đều nằm trong giới hạn cho phép. Ngoài ra, các phương án khắc phục hạn chế và hướng phát triển của đề tài cũng được đề xuất, nhằm mở rộng ứng dụng của robot công nghiệp trong lĩnh vực hàng hải và các lĩnh vực khác. Đề tài không chỉ đóng góp vào việc giải quyết vấn đề thực tiễn mà còn cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực tự động hóa và robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong các chuyển động trên, ba chuyển động: trượt dọc (surge), trượt ngang (sway) và quay trở (yaw) là những chuyển động quan trọng nhất trong lĩnh vực điều khiển tàu. Chuyển động quan trong thứ tư là lắc ngang (roll), thường liên quan đến việc thiết kế hệ thống giảm chấn, để tránh sự hư hỏng hàng hóa và cải thiện điều kiện làm việc của thuyền viên và hành khách trên tàu (chống say sóng).4 Mục tiêu, nhiệm vụ luận văn. Mục tiêu đề tài là áp dụng các kiến thức đã học về cơ khí, điện và điều khiển, trên cơ sở tính toán, thiết kế mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink có khả năng tạo các chuyển động cơ bản của sàn tàu thủy: chuyển động tiến, lùi, quay trái, quay phải, nâng lên và hạ xuống. Thiết kế hệ điều khiển thích nghi nhằm mô phỏng chuyển động sàn tàu theo quỹ đạo cho trước, đồng thời khử sai số động học, đảm bảo chất lượng điều khiển khi tải thay đổi.

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài như sau:  Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của Delta Robot: bài toán động học, động lực học và không gian làm việc  Mô hình hóa cơ cấu Delta Robot, cơ cấu chấp hành  Mô phỏng hoạt động trên phần mềm Matlab Simulink  Xây dựng hệ điều khiển thích nghi: điều khiển sàn tàu thủy bám theo quỹ đạo mong muốn, khử sai số mô hình, đảm bảo chất lượng điều khiển khi tải hay thông số mô hình thay đổi  Áp dụng giải thuật điều khiển trên cơ cấu Delta Robot 1.5 Tổ chức luận văn Tổng thể luận văn gồm bảy chương chính, trong đó:  Chương 1 TỔNG QUAN: đề cập về các vấn đề thực tiễn, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, nhiệm vụ của đề tài  Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT: giải quyết các bài toán động học, động lực học thuận và ngược, mô hình hóa delta robot và không gian làm việc của cơ cấu delta robot được chọn  Chương 3 MÔ HÌNH CƠ KHÍ, MẠCH ĐIỆN VÀ MÔ PHỎNG: trình bày thiết kế cơ khí, mô hình mô phỏng trên Matlab và thiết kế mạch điện 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN  Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN: thiết kế các giải thuật điều kiển, bộ điều khiển thích nghi, điều khiển mô hình mô phỏng và mô hình cơ khí  Chương 5 KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ: áp dụng các bộ điều khiển được thiết kế ở Chương 4, đánh giá kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT 2.1 Bậc tự do của Vertical linear Delta robot Số bậc tự do của robot có thể tính theo công thức Kutzback sau: = 6( − − 1) + ∑ − (2.1) Trong đó: n là số khâu, j là số khớp, là số khớp loại i, : là số khớp bị trùng Với loại Vertical linear delta robot thì n = 11, j = 15, =6, =12, =3, ta có: = 6(11 − 15 − 1) + (12.1) − 6 = 3 Như vậy, số bậc tự do của Vertical linear delta robot là ba.1 Động học ngược Để thuận tiện cho việc tính toán, sơ đồ Vertical linear delta robot được vẽ lại như sau: Z’ B1 X’ B3 O’ r Y’ B2 L L L D1 D3 D2 z1 z3 z2 Z A1 A3 X R O Y A2 Hình 2.1 - Hệ tọa độ gắn với robot Hệ tọa độ { }: có tâm O là tâm của tam giác đều A A A , hướng của trục x trùng với hướng OA ⃗ và trục z vuông góc với mặt phẳng (A A A ). Hệ tọa độ { ’}: ’ ’ ’ ’ có tâm O’ (đầu công tác) là tâm của tam giác đều B B B , hướng của trục x’ trùng với hướng O′B ⃗ và trục z’ vuông góc với mặt phẳng (B B B ). 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Tọa độ điểm ’ trong hệ tọa độ { } : = ( , , ). Dựa vào tính chất của tam giác đều, ta có: = , ′ = , = .2) Trong đó: = 0; = ; =− Bài toán động học ngược: biết tọa độ = ( , , ) của đầu công tác O’ suy ra độ cao của từng khâu trượt.2 - Toạ độ điểm trong hệ tọa độ B1 r X’ α2 α3 Y’ r O’ r B2 B3 Hình 2.3 - Toạ độ điểm trong hệ tọa độ ’ ’ ’ ’ Tọa độ điểm trong hệ tọa độ { ’}: =(.

, 0) , = 1, 2, 3 Tọa độ điểm trong hệ tọa độ { }: 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT ′ = + =( .4) Mặt khác, ta có : D B⃗ = , = 1, 2, 3 (2.5) ta có phương trình sau : ( − ) +( − ) +( − ) = , = 1, 2, 3 (2.6) ta được phương trình động học ngược của Delta robot : = ± −( − ) −( − ) , = 1, 2, 3 (2.9) Vì vậy, phương trình động học ngược của Delta robot là: = − −( − ) −( − ) , = 1, 2, 3 (2.2 Động học thuận Bài toán động học thuận: biết độ cao của từng khâu trượt suy ra tọa độ = ( , , ) của đầu công tác O’. Xét ba hình cầu có tâm ( ) là các khâu trượt, bán kính L là chiều dài 3 cặp khâu thụ động truyền động trực tiếp cho khâu tác động cuối. Ba hình cầu này giao nhau tại hai điểm, giao điểm thứ nhất có giá trị z lớn hơn giá trị z của giao điểm thứ hai. Vì cơ cấu là Inverse delta robot, có trục Oz hướng lên nên tọa độ đầu công tác O’ sẽ là giao điểm thứ nhất.4 - Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Tọa độ các điểm =[ , , ] Với bán kính L, ta được hệ ba phương trình hình cầu như sau: − + − + − = (2.12) Với sự trợ giúp của máy tính, hệ ba phương trình (2.12) sẽ được giải và có hai nghiệm là hai giao điểm như được nêu ở trên.

Ta chọn nghiệm có giá trị z lớn hơn.3 Ma trận Jacobian Từ phương trình (2.6) lấy đạo hàm theo thời gian ta được: ( − ) ̇ =( − ) ̇ +( − ) ̇ +( − ) ̇ (2.13) Phương trình (2.13) có thể viết lại dưới dạng như sau: ̇= ̇ (2.14) Trong đó: ̇ là vector vận tốc đầu vào được xác định bởi ̇ = ( ̇ , ̇, ̇) ̇ là vector vận tốc đầu ra được xác định bởi ̇ = ( ̇ , ̇ , ̇) Khi đó ma trận A, B xác định như sau: = ( − , − , − ) − − − = − − − − − − Do đó ma trận Jacobian = (2.15) Trường hợp 1: ( ) = 0 và ( ) ≠ 0: det( ) = 0 ⟺ ( − ). ( − )=0 = ⟺ = = Trường hợp này xảy ra khi một trong 3 khâu hình bình hành song song với mặt phẳng O-xy. 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Trường hợp 2: ( ) ≠ 0 và ( ) = 0 det( ) = 0 ⟺( − )( − )( − )+( − )( − )( − ) +( − )( − )( − )−( − )( − )( − ) −( − )( − )( − )−( − )( − )( − )=0 1 √3 √3 1 √3 √3 ⟺ [ − ][ − + ( − ) + − − + ( − ) 2 2 2 2 2 2 √ √ + √3 − ( − ) + (− ( − ))] = 0 (2.16) √ √ Đặt: = − + ( − ) √ √ =− − + ( − ) √ = √3 − ( − ) √ =− ( − ) − =0 Như vậy (3.16) tương đương với: + + + =0 =0 Trường hợp: − =0⇒ =0 , = 1, 2, 3 = + − − Trường hợp này thì 3 khâu hình bình hành song song đôi một với nhau. Trường hợp: + + + =0 (2.18) Đồng nhất thức (2.18) ta được: − =0 =1 ⎡ =0 =1 ⎢ ⟺⎢ =0 =1 ⎢ =0 =1 ⎣ = − 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Trường hợp 3: ( ) = 0 và ( ) = 0 − =0 Kết hợp Trường hợp 1 và Trường hợp 2 ta có kết quả: = − Từ ba trường hợp trên, để tránh trường hợp các điểm kỳ dị, ràng buộc các kích thước khâu như sau: 0 < − < .4 Phân tích không gian làm việc Phân tích không gian làm việc trên một nhánh của Delta robot.

Từ phương trình (2.6), ta thấy không gian làm việc của mỗi khâu robot là hình cầu có tâm ( , , ), bán kính L và ∈[ , ] z imax zimin a.5 - Mặt cắt không gian làm việc trên mỗi nhánh của robot Hình 2.a là mặt cắt không gian làm việc của mỗi khâu trong trường hợp ⌊ − ⌋≥2 còn hình 3.b là mặt cắt không gian làm việc ứng với ⌊ − ⌋<2. Từ phương trình (2.6) ta có thể biến đổi thành: ( − ) +( − ) = −( − ) (2.19) Như vậy, không gian làm việc ứng với mỗi khâu của Delta robot là tập hợp gồm vô số những hình tròn có tâm ( , ) và bán kính: = −( − ) , ∈[ , ] (2.20) 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Đặt = max( ), = min( ), (2.22) Biên trên và biên dưới theo trục z được xác định như sau: = + , = − , (2.22) ta kết luận rằng: ∈[ , ] = −( − ) ∈[ , + ] (2.25) ⎨ ⎩ −( − ) , ∈ − , Với số liệu thiết kế : L=290cm, R=175cm, r=60cm, = 0, = 200. Không gian làm việc của delta robot là phần giao của 3 miền làm việc của từng khâu, giới hạn bởi 3 mặt phẳng mp(R), mp(S), mp(T) (các mặt phẳng này vuông góc với các bán kính OA1, OA2, OA3 lần lượt tại A1, A2, A3), được thể hiện trong Hình 2. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT Hình 2.6 - Không gian làm việc của delra robot a.

14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT b.7 - Mặt cắt không gian làm việc khi ∈[ , + ] a. 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DELTA ROBOT b.8 - Mặt cắt không gian làm việc khi ∈ , + 2.