Sử dụng bộ quan sát lực trong điều khiển lực tương tác giữa robot và môi trường

- Cấu tạo robot công nghiệp Hệ thống chuyển động Hệ thống truyền động robot Hệ thống cảm biến Bộ điều khiển Các ứng dụng của robot công nghiệp CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LỰC ROBOT CÔNG NGHIỆP .
- Điều khiển cứng (Stiffness Control .
- Luật điều khiển .
- Tóm tắt nguyên lý điều khiển .
- Điều khiển lai vị trí- lực .
- Điều khiển lai vị trí – lực trên cơ sở mạch phản hồi kinh điển .
- Điều khiển lai trở kháng .
- Thiết kế bộ điều khiển .
- Tóm tắt nguyên lý điều khiển và sơ đồ điều khiển .
- Nhận xét chung về các phương pháp điều khiển lực/ vị trí CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT LỰC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA ROBOT VÀ MÔI TRƯỜNG .
- Xây dựng bộ quan sát lực .
- Quan sát lực .
- Quan sát lực cho robot Planar .
- Xây dựng bộ điều khiển lai vị trí - lực cho robot Planar sử dụng bộ quan sát lực CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ.
- Điều khiển lai vị trí/ lực cho Robot Planar hai bậc tự do .
- Xây dựng mô hình với bộ điều khiển lai vị trí - lực .
- Hình 1.13: Robot phun sơn Hình 1.14: Robot hàn Hình 1.15: Robot lắp ráp Hình 2.1: Các phương pháp điều khiển Robot Hình 2.2: Hệ thống một bậc tự do Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển lai vị trí- lực theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác Hình 2.3: Điều khiển lai vi trí- lực trên cơ sở mạch phản hồi kinh điển Hình 2.4: Sơ đồ hệ điều khiển lai trở kháng Hình 3.1: Sơ đồ khôi bộ quan sát Hình 3.2: Mô hình robot Planar hai bậc tự do Hình 3.3: Chọn các hệ tọa độ gắn với Robot Hình 3.4: Bộ điều khiển vị trí- lực cho robot Planar Hình 4.1: Sơ đồ khối quan sát lực 8Hình 4.2: Mô hình khối quan sát lực robot planar được xây trên matlab/ Simulink.
- Hình 4.4: Góc quay của khớp Hình 4.5: Kết quả mô phỏng với K1= 6 và K2= 9 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng với K1= 20 và K2= 100 Hình 4.7: Kết quả mô phỏng với K1= 40 và K2 = 400 Hình 4.8: Kết quả mô phỏng với ngoại lực biến thiên theo kiểu xung răng của Hình 4.9: Kết quả mô phỏng với ngoại lực biến thiên dạng hình sin Hình 4.10: Kết quả mô phỏng với ngoại lực dạng bước nhảy Hình 4.11: Yêu cầu chuyển động của robot Hình 4.12: Sơ đồ bộ điều khiển lai vị trí- lực robot Planar Hình 4.13 Mô hình bộ điều lai vị trí- lực xây dựng trên matlab/simulink Hình 4.14: Đáp ứng vị trí với KP= 30 và KD= 2 Hình 4.15: Đáp ứng vị trí với KP= 30 và KD= 20 Hình 4.16: Đáp ứng vị trí với KP= 300 và KD= 20 Hình 4.17: Đáp ứng vị trí với KP= 3000 và KD= 200 Hình 4.18: Sai lệch vị trí theo phương X 9Hình 4.19: Đáp ứng lực với Kf = 100 Hình 4.20: Đáp ứng lực với Kf = 61 10MỞ ĐẦU 1.
- Bởi vậy, việc nghiên cứu, phát triển, nâng cao tính năng của robot cũng là một công việc hết sức cần thiết đối với các nhà khoa học Trong lĩnh vực điều khiển robot ngoài việc điều khiển vị trí tay robot con người còn phải điều khiển được lực tương tác giữa tay robot và môi trường.
- Khi robot tương tác một lực với ngoại vật để thực hiện một nhiệm vụ nào đó, ngoài việc phải điều khiển tay robot di chuyển theo đúng quỹ đạo mong muốn còn phải điều khiển để tay robot tác động một lực lên vật thể để thao tác các công việc như: Cầm nắm,bốc dỡ, mài, đánh bóng.
- Hiện nay có rất nhiều phương pháp điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực đổi với cánh tay robot như: Điều khiển cứng ( Stiffness control), Điều khiển lai vị trí- lực ( Hybrid position-force control), Điều khiển trở kháng (Hybrid impedance control.
- Nhưng tất cả các phương pháp điều khiển quỹ đạo và lực đều phải sử dụng sensor lực để đo tín hiệu của lực phản hồi về.
- Trong khuân khổ một luận văn tốt nghiệp thạc sĩ, được sự đồng ý của cô giáo hướng dẫn và sự cho phép của Viện Đào tạo Sau đại học, tác giả tiến hành thực hiện luận văn “Sử dụng bộ quan sát lực trong điều khiển lực tương tác giữa robot và môi trường.
- Luận văn đã đưa ra phương pháp sử dụng bộ quan sát lực để thay thế cho sensor lực trong việc điều khiển lực trong robot 2.
- Tìm hiểu về robot, các phương pháp điều khiển đồng thời vị trí và lực trong robot • Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát lực để ước lượng lực tương tác giữa robot và môi trường • Thiết kế bộ điều khiển lai vị trí- lực cho robot Planar sử dụng bộ quan sát lực để lấy tín hiệu phản hồi về lực Để thực hiện được các mục tiêu đã đề ra, tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp các kết quả của những nghiên cứu đi trước và kết hợp việc mô phỏng bằng công cụ matlab/simulink 3.
- Cấu tạo của robot công nghiệp và ứng dụng của robot trong công nghiệp Chương 2- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển lực robot công nghiệp: Trình bày về các phương pháp điều khiển lực cho robot như điều khiển cứng, điều khiển trở kháng, điều khiển lai vị trí- lực Chương 3- Nghiên cứu, thiết kế bộ quan sát lực để điều khiển lực tương tác giữa robot và môi trường: Trong chương này tác giả nghiên cứu xây dựng bộ quan sát lực cho robot, xây dựng bộ quan sát lực cho robot Planar, xây dựng bộ điều khiển lực cho robot Planar với việc sử dụng bộ quan sát lực Chương 4- Mô phỏng và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng thuật toán điều khiển và bộ quan sát cho robot planar trên Matlab/Simulink và đánh giá kết quả đạt được.
- Bắt đầu là cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman.
- robot điều khiển bằng tay chính là loại đầu tiên của thế hệ robot Unimate.
- Năm 1968, SRI đã thiết kế ra Shakey, một robot di động có khả năng quan sát và được điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một căn phòng.
- Năm 1973, Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại robot công nghiệp mang tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini commercially available (designed by Richard Hohn.
- Loại cánh tay mới này được điều khiển bởi một máy tính mini.
- Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình và điều khiển hoạt động.
- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
- 16• Còn theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải là robot thỏa mãn năm yếu tố: 9 Có khả năng thay đổi chuyển động 9 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác 9 Có số bậc tự do cao 9 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động 9 Có khả năng hoạt động tương hỗ với môi trường bên ngoài Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên là đặc điểm điều khiển theo chương trình, đó là nhờ những bộ vi xử lí và các vi mạch tích hợp chuyên dùng.
- Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều 17khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển robot: Số bước di chuyển = n2 Với n – Số bit bộ nhớ.
- Ví Dụ: Một khớp tịnh tiến của robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển trong phạm vi 100 mm , số bước di chuyển có thể là : 4096.
- Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu chuyển động các khớp và khâu phản hồi của hệ thống điều khiển secvo sẽ ảnh hưởng đến độ phẩn giải.
- 1.2 Cấu tạo robot công nghiệp Một robot công nghiệp điển hình gồm có các bộ phận sau - Hệ thống chuyển động - Hệ thống truyền động - Hệ thống cảm biến - Hệ thống điều khiển 191.2.1 Hệ thống chuyển động Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước Các bộ phận cơ bản của robot là cánh tay (arm), cánh tay được cấu thành bởi các thanh nối liên kết với nhau qua các khớp nối mềm (joint.
- Các dụng cụ này có thể là: Mũi khoan, dụng cụ cắt, đá mài, vòi phun sơn, cơ cấu hàn điểm…Khi bàn tay robot là một dụng cụ, robot được điều khiển chuyển động của dụng cụ tương tự như điều khiển cơ cấu bàn tay kiểu kẹp 1.2.1.4.
- Các bộ phận robot sử dụng dầu để cung cấp năng lượng, khi đó mômen, tốc độ khâu chấp hành sẽ tương ứng với lưu lượng dầu cấp cho xilanh, tốc độ dịch chuyển của xilanh và được điều khiển qua tốc độ quay động cơ.
- Truyền động khí nén Nguồn năng lượng cấp và truyền động cho xilanh quay hoặc trượt là dòng khí nén áp lực cao điều khiển bằng van điện.
- Các loại động cơ điện thường được sử dụng trong robot như: động cơ secvo một chiều, động cơ secvo xoay chiều, động cơ secvo không chổi than và động cơ bước Hệ thống này có nhiều ưu điểm: Sử dụng được cho mọi cỡ robot, chất lượng điều khiển tốt, độ chính xác cao, ảnh hưởng của mômen quán tính tải bé do có bộ truyền, thích hợp làm việc trong các phòng sạch sẽ do không có rò rỉ, độ tin cậy cao và nhu cầu bảo dưỡng nhỏ.
- Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an toàn.
- Bộ điều khiển Bộ điều khiển robot thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy tính bao gồm bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất - nhập kết hợp với màn hình để hiện thị, các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong 27dịch chuyển của các khâu.
- Toàn bộ các phần đó được bố trí bên trong tủ điều khiển chính và được sắp xếp theo từng môđun gồm các bo mạch điện tử.
- Để lập trình một cách thuận tiện cho robot, các nhà chế tạo thường bố trí một panen kết nối song song, còn gọi là bộ teach pendant, với bộ điều khiển gồm một hộp có mặt ngoài là các nút nhấn và phím bấm để thực hiện các thao tác trực tiếp chuyển động các trục trên Robot trong chế độ lập trình huấn luyện (teaching mode), và bên trong là một bo mạch kết nối trực tiếp với bộ xuất / nhập.
- Bộ nhớ: lưu giữ chương trình điều khiển và thông tin cảm biến về trạng thái robot.
- Khối tính toán CPU thực hiện các thuật toán điều khiển.
- Ghép nối giao diện với người sử dụng Ta có thể minh họa một hệ thống điều khiển robot công nghiệp như ơ hình 1-12.
- Ứng dụng robot trong lắp ráp, một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và động.
- 31CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LỰC ROBOT CÔNG NGHIỆP Có rất nhiều phương pháp điều khiển chuyển động của robot.
- Chức năng của hệ thống điều khiển chuyển động là đảm bảo cho cánh tay robot chuyển động bám theo quỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc ( không gian làm việc).
- Ta có thể phân ra hai bài toán điều khiển chính: điều khiển quỹ đạo chuyển động và điều khiển kết hợp quỹ đạo và lực tương tác.
- u Điều khiển cứng Mạch Phản hồi kinh điển Tuyến tính hóa chính xác Điều khiển lai vị trí- lực Điều khiển trở kháng Jacoby Đảo Jacoby Chuyển vị PID PD bù trọng trường Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình Không gian đề các Không gian khớp Điều khiển quỹ đạo và lực Điều khiển quỹ đạo chuyển động Điều khiển chuyển động robot Hình 2.1: Các phương pháp điều khiển robot 32 Với bài toán điều khiển quỹ đạo chuyển động, có thể dùng các phương pháp kinh điển như: điều khiển trong không gian khớp, điều khiển trong không gian đề các.
- Hoặc sử dụng một số phương pháp điều khiển nâng cao như: Điều khiển trượt, điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi hoặc điều khiển chuyển động tối ưu.
- Nhưng nhược điểm chủ yếu của bài toán điều khiển quỹ đạo chuyển động là chúng ta không điều khiển được lực của cách tay robot khi tương tác với môi trường.
- Do vậy trong một số trường hợp làm việc như khi robot phải gắp vật, robot phải tương tác lực với môi trường thì bài toán điều khiển quỹ đạo chuyển động không còn phù hợp Khi robot cần tương tác một lực với môi trường thì việc điều khiển đồng thời vị trí và lực đối với cánh tay robot được áp dụng.
- Để có thể điều khiển được cả vị trí và lực ta phải đi thiết kế một bộ điều khiển nhằm điều chỉnh sự tương tác giữa lực tác dụng lên môi trường (điều khiển lực) và chuyển động của điểm cuối tay robot (điều khiển vị trí).
- Hiện nay, để điều khiển đồng thời vị trí và lực đối với cánh tay robot, người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng 3 phương pháp phổ biến sau.
- Điều khiển cứng ( Stiffness Control.
- Điều khiển lai vị trí/ lực ( Hybrid position/ force Control.
- Điều khiển trở kháng ( Hybrid impedance Control) 2.1.
- Mô hình không gian làm việc xét đến lực tác dụng lên môi trường Để thuận tiện cho việc thiết kế các bộ điều khiển lực, các lực tác dụng thường được chuyển đổi sang không gian làm việc (hay còn gọi là không gian tay) thông qua ma trận chuyển đổi Jacoby.
- Điều khiển cứng (Stiffness Control) 2.2.1.
- Luật điều khiển Giả sử tay robot 1 bậc tự do với khối lượng m thao tác trên đối tượng.
- Khi vị trí tay vượt quá vị trí cân bằng ta có thể tính được lực tương tác giữa tay với đối tượng như sau: ()eefKx x=− (2.9) Khi hệ thống là một bậc tự do, ta dễ dàng hình dung như hình vẽ dưới: 35 xmfxexxdτm fxe x xdxτ Hình2.2: Hệ thống một bậc tự do Với hệ thống n bậc tự do, ta sử dụng luật điều khiển )q(G)x.KxK)(q(JM~p.dT.
- Xây dựng bộ điều khiển lai vị trí - lực cho robot Planar sử dụng bộ quan sát lực: Theo mục 2.3.2- chương 2.
- Bộ điều khiển lai vị trí- lực trên cơ sở mạch phản hồi kinh điển được xây dựng như sau.
- (3.65) Với thành phần điều khiển vị trí XRSIKXXRSIKJMocddocpTvt.
- (3.66) 63 Và thành phần điều khiển lực: ).(..^FFRSKJMdocfTf−= (3.67) Với S là ma trận lựa chọn phương điều khiển lực.
- ^Flà ước lượng lực của tay robot sinh ra xác định từ (3.64) Hình 3.4: Bộ điều khiển vị trí- lực cho robot Planar JT JT Thành phần ĐK vị trí Thành phần ĐK lực 64CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Trong thực tế, có rất nhiều mô hình có thể dùng để minh họa cho phương pháp quan sát lực và phương pháp điều khiển mà ta vừa đưa ra ở trên.
- Việc sử dụng bộ quan sát lực trong điều khiển lai vị trí- lực cho robot Planar hoàn toàn có thể áp dụng cho nhiều mô hình robot khác.
- Điều khiển lai vị trí/ lực cho Robot Planar hai bậc tự do 4.2.1.
- Bài toán đặt ra Điều khiển robot Planar 2-DOF chuyển động từ một điểm A ban đầu đến điểm B trên một mặt phẳng và đạt một lực đặt trước.
- Y = 0 (m) Và robot sinh lực theo trục y với : Fd = 4 (N) Vậy theo mục 3.5- chương 3 ta có bộ điều khiển lai vị trí- lực như sau.
- Với IRRocco== Và S và SI Sơ đồ bộ điều khiển lai vị trí- lực 4.2.2.
- Xây dựng sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển lai vị trí - lực : Hình 4.12: Sơ đồ bộ điều khiển lai vị trí- lực robot Planar 71 Vì cấu tạo bộ điều khiển đã chia không gian điều khiển cánh tay Robot thành hai phần và hai phần này hoàn toàn độc lập với nhau nên việc thiết kế và lựa chọn các thông số cho bộ điều khiển cũng hoàn toàn độc lập.
- Vì thế, có thể chọn các thông số cho bộ điều khiển này mà không làm ảnh hưởng tới kết quả của bộ điều khiển kia.
- Trước hết tác giả tính chọn các tham số cho bộ điều khiển vị trí 4.2.2.1.
- Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí : Ban đầu ta chon hai thông số KP, KD khá nhỏ KP= 30 và KD= 2, kết quả mô phỏng như sau : 72 Có thể thấy với quỹ đạo vị trí đặt là một quỹ đạo hình sin, tay Robot chưa bám sát, vẫn có một lượng sai lệch lớn và còn dao động .
- Kết quả mô phỏng điều khiển lực Với bộ quan sát đã mô phỏng chọn K1 = 40 và K2 = 400, độ quá điều chỉnh khâu quan sát nhỏ hơn 20%, thời gian quá độ khâu quan sát nhỏ hơn 0,5 s và sai lệch khâu quan sát nhỏ hơn 3%.
- Thành phần điều khiển quỹ đạo được chọn ở trên với Kp= 3000 và KD= 200.
- Trong khi đó bộ điều khiển robot được tách thành hai thành phần độc lập nhau là thành phần điều khiển vị trí và thành phần điều khiển lực.
- Do vậy tiếp theo sẽ tiến hành chọn tham số cho thành phần điều khiển lực Thành phần điều khiển lực được thiết kế thông qua việc chọn các hệ số Kf.
- Sau quá trình thử nghiệm tác giả chọn được Kf = 61 và kết quả mô phỏng như sau Với thời gian quá độ khoảng 2s và độ quá điều chỉnh vào khoảng 20%, kết quả trên có thể chấp nhận được 4.2.2.3.Kết luận Hình 4.20: Đáp ứng lực theo phương Y với Kf = 61 76Với các thông số đã được tổng hợp ở trên, bộ điều khiển lai vị trí- lực có các hệ số sạu - Hệ số quan sát : K1 = 40 và K2 = 400 - Hệ số điều khiển vị trí : KP = 3000 và KD = 200 - Hệ số điều khiển lực : Kf = 61 Kết quả mô phỏng vị trí và lực có các đáp ứng như sau 4.3.
- Đáp ứng vị trí với KP= 3000 và KD= 200 Hình 4.22: Đáp ứng lực theo phương Y với Kf = 61 77môi trường đã hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu về điều khiển.
- Điều đó chứng tỏ có thể xem xét tới việc áp dụng bộ quan sát lực để điều khiển một robot công nghiệp cụ thể trong thực tế.
- Khi sử dụng phương pháp điều khiển đồng thời vị trí- lực ở trên, ta nhất định phải biết được chính xác mô hình động học của robot.
- Phải có mô hình động học này ta mới có thể xây dựng các thuật toán điều khiển trên không gian khớp hoặc trên không gian làm việc.
- Với các robot đơn giản thì mô hình động học cũng đơn giản nên việc xây dựng thuật toán điều khiển không thành vấn đề.
- Tuy nhiên, việc đáp ứng thu được có chất lượng tương đối tốt đã cho thấy tính đúng đắn của thuật toán quan sát và thuật toán điều khiển đã thiết kế.
- Theo kết quả này, tác giả tin rằng thuật toán quan sát và thuật toán điều khiển ở trên cũng có thể áp dụng cho các mô hình robot phức tạp khác.
- Tìm hiểu tổng quan về robot công nghiệp và các phương pháp dùng trong điều khiển robot công nghiệp.
- Phân tích và đánh giá cụ thể về các phương pháp điều khiển đồng thời vị trí- lực đã và đang được ứng dụng trong thực tế.
- Thiết kế bộ quan sát lực để lấy tín hiệu phản hồi lực thay cho sensor lực để điều khiển đồng thời vị trí- lực cho robot - Khảo sát và mô phỏng bằng phương pháp điều khiển lai vị trí/lực cho đối tượng là robot Planar hai bậc tự do.
- Mặc dù chưa có được kết quả thực nghiệm, xong những kết quả lý thuyết đã thu được đã tạo cơ sở tốt cho việc thiết kế một hệ thống điều khiển chuyển động của tay máy trong thực tế khi sử dụng bộ quan sát lực.
- Huỳnh Thái Hoàng (2006), Lý thuyết điều khiển tự động, Đại học Bách Khoa TP HCM.
- Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
- Nguyễn Thương Ngô (2006), Lý thuyết điều khiển thông thường và hiện đại Quyển 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
- Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt