Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hybrid để điều khiển và giám sát robot công nghiệp
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
NGUYỄN TRỌNG QUỲNH
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HYBRID ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN VÀ GIÁM SÁT ROBOT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TRỌNG CÁC
HẢI DƯƠNG – NĂM 2018
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong khꢀa luận tꢁt nghiꢂp này
là các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi vꢃi sꢄ hưꢃng dꢅn của
TS. Nguyễn Trọng Các, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác
giả khác.
Nội dung nghiên cứu cꢀ tham khảo và sử dụng một sꢁ thông tin, tài liꢂu từ các
nguồn tài liꢂu đꢆ được liꢂt kê trong danh mục các tài liꢂu tham khảo.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Hải Dương, ngày 20 tháng 7 năm 2018
Tác giả luận văn
Nguyễn Trọng Quỳnh
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
VÀ ROBOT CÔNG NGHIỆP..................................................................................4
1.1. Công nghệ hybrid...........................................................................................4
1.2. Robot công nghiệp..........................................................................................7
1.3. Phân loại Robot ............................................................................................13
1.3.1. Phân loại theo bộ điều khiển...................................................................13
1.4. Định hướng nghiên cứu của đề tài..............................................................15
2.1. Cấu tạo của robot công nghiệp ...................................................................18
2.1.1. Sơ đồ khꢁi robot công nghiꢂp .................................................................18
2.1.3. Bậc tꢄ do của tay máy.............................................................................19
2.1.4. Tay máy toạ độ vuông gꢀc......................................................................21
2.1.5. Tay máy toạ độ trụ ..................................................................................21
2.1.6. Tay máy toạ độ cầu .................................................................................22
2.1.8. Cổ tay máy ..............................................................................................22
2.2.1. Bài toán động học....................................................................................23
2.2.2. Bài toán động lꢄc học .............................................................................32
2.3. Bộ điều khiển robot......................................................................................40
2.3.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................40
2.3.2. PLC FX3U-40MT...................................................................................40
3.1. Sơ đồ kết nối servo .......................................................................................58
3.1.1. Đấu vꢃi nguồn 1 pha...............................................................................58
3.1.2. Đꢁi vꢃi nguồn 3 pha................................................................................59
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
3.2. Sơ đồ đấu dây ở 3 chế độ điều khiển ..........................................................60
3.2.1. Chế độ điều khiển tꢁc độ.........................................................................60
3.2.2. Chế độ điều khiển vị trí...........................................................................61
3.2.3. Chế độ điều khiển momen ......................................................................62
3.3. Cài đặt thông số, vị trí cho Driver ..............................................................62
3.4.1. Kết nꢁi HMI vꢃi PC................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Tham sꢁ động học của Robot ..................................................................28
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1. 2. Robot trong các quá trình hàn và nhiꢂt luyꢂn ..........................................12
Hình 1. 4. Robot trong nhà máy sản xuất..................................................................13
Hình 1. 5. Một dạng robot gắp đặt ............................................................................13
Hình 1. 7. Một loại robot sử dụng động cơ servo. ....................................................14
Hình 1. 8. Một loại robot sử dụng nguồn khí nén.....................................................15
Hình 2. 1. Sơ đồ khꢁi robot công nghiꢂp ..................................................................18
Hình 2. 2. Chuyển hꢂ tọa độ i sang j.........................................................................24
Hình 2. 3. Mô hình Robot nꢁi tiếp n khâu ................................................................25
Hình 2. 6. Sơ đồ động lꢄc học Robot SCARA .........................................................34
Hình 2. 7. Đấu dây sink (-, NPN).............................................................................42
Hình 2. 8. Đấu dây soure (+, PNP) ..........................................................................42
Hình 2. 9. không cꢀ chân SS (đấu dây sink (-))........................................................42
Hình 2. 10. Ngõ ra là relay (MR)..............................................................................42
Hình 2. 11. Ngõ ra là transior (MT)..........................................................................42
Hình 2. 12. Ngõ ra là transior (MT)..........................................................................43
Hình 2. 13. Sơ đồ điều khiển hꢂ thꢁng......................................................................49
Hình 2. 15. Động cơ servo được kết hợp cơ khí .......................................................50
Hình 2. 16. Động cơ servo ........................................................................................51
Hình 2. 17. Bộ Driver Động cơ servo .......................................................................51
Hình 2. 18. Tín hiꢂu điều khiển động cơ servo.........................................................52
Hình 2. 20. Các mạch vòng điều khiển.....................................................................53
Hình 2. 21. Bộ mꢆ hꢀa xung vòng quay....................................................................54
Hình 2. 24. Pha Z bộ mꢆ hꢀa xung vòng quay..........................................................56
Hình 2. 25. Bộ mꢆ hꢀa tuyꢂt đꢁi ...............................................................................56
Hình 2. 26. Động cơ sevor cꢀ bộ mꢆ hꢀa tuyꢂt đꢁi...................................................56
Hình 3. 1. Sơ đồ kết nꢁi servo đấu vꢃi nguồn 1 pha.................................................58
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 3. 2. Sơ đồ kết nꢁi servo đꢁi vꢃi nguồn 3 pha..................................................59
Hình 3. 3. Sơ đồ kết nꢁi servo chế độ điều khiển tꢁc độ ..........................................60
Hình 3. 4. Sơ đồ kết nꢁi servo chế độ điều khiển vị trí.............................................61
Hình 3. 6. Giao diꢂn phần mềm Sigma Win .............................................................62
Hình 3. 15. HMI kết nꢁi vꢃi PC................................................................................67
Hình 3. 17. Mở phần mềm NB-designer...................................................................68
Hình 3. 18. PLC kết nꢁi vꢃi HMI .............................................................................68
Hình 3. 21. Robot trong quá trình lắp đặt .................................................................69
Hình 3. 22. Lắp mạch điều khiển cho Robot ............................................................70
Hình 3. 23. Chạy thử và hiꢂu chỉnh robot.................................................................70
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo Quyết định sꢁ 66/2014/QĐ-TTg ngày 25/11/2014 của Thủ Tưꢃng
chính phủ về viꢂc phê duyꢂt danh mục công nghꢂ cao được ưu tiên đầu tư
phát triển. Trong đꢀ, công nghꢂ thiết kế, chế tạo robot là một trong các danh
mục được ưu tiên đầu tư phát triển. Tại diễn đàn Kinh tế thế giꢃi diễn ra tại
Davos (Thụy Sĩ) ngày 05/2/2017. Thủ tưꢃng nhấn mạnh, trưꢃc những thách
thức mꢃi, Viꢂt Nam đang tập trung cơ cấu lại nền kinh tế, đổi mꢃi mô hình
tăng trưởng để tranh thủ cơ hội của cuộc Cách mạng Công nghꢂ 4.0. Xu
hưꢃng cách mạng công nghiꢂp 4.0 bao gồm tất cả những phát triển liên quan
đến công nghiꢂp, đặc biꢂt công xưởng gắn liền vꢃi kỹ thuật sꢁ và sꢄ xuất hiꢂn
của những người máy robot trên những dây chuyền sản xuất. Ngày 11/4/2017,
Diễn đàn cách mạng công nghiꢂp lần thứ 4 do Bộ Công thương tổ chức đꢆ
diễn ra tại Khách sạn Melia, Hà Nội. Thứ trưởng khẳng định: Cách mạng 4.0
đang trong giai đoạn khởi phát. Nếu định hưꢃng rõ ràng mục tiêu và cách
thức tiếp cận thì cách mạng 4.0 sẽ là cơ hội quý báu mà Viꢂt Nam tranh thủ
đẩy nhanh tiến trình CNH, HĐH và sꢃm thꢄc hiꢂn được mục tiêu trở thành
nưꢃc công nghiꢂp theo hưꢃng hiꢂn đại.
Thꢄc hiꢂn chủ trương, định hưꢃng của Bộ Công Thương. Trường Đại
học Sao Đỏ cũng đꢆ tích cꢄc đổi mô hình nhằm gắn đào tạo, nghiên cứu khoa
học vꢃi doanh nghiꢂp. Đây cũng là một trong những nhiꢂm vụ của ngành
Công Thương trong viꢂc xây dꢄng mô hình 3 bên Nhà trường – Doanh nghiꢂp
– Chính phủ về phát triển kỹ năng và đẩy mạnh công nghiꢂp hóa tại Viꢂt Nam.
Cùng vꢃi đà phát triển công nghiꢂp hóa và hiꢂn đại hóa tại Viꢂt Nam,
ứng dụng Robot trong ngành công nghiꢂp đang ngày càng trở nên phổ biến
bởi tính linh hoạt và hiꢂu quả của nó. Các doanh nghiꢂp ở Viꢂt Nam cũng chú
trọng đầu tư dùng robot trong nhiều khâu sản xuất nhờ những ưu điểm vượt
trội thay thế cho con người như độ chính xác cao, độ an toàn và độ bền đáp
ứng được yêu cầu chất lượng cao trong sản xuất. Robot đem lại năng suất lao
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
1
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
động cao, giảm chi phí nguyên vật liꢂu và các dạng năng lượng tiêu thụ, nâng
cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm, do đꢀ tạo khả năng cạnh tranh
cao hơn trong thị trường quꢁc tế. Mặt khác, Robot giải phꢀng con người khỏi
lao động chân tay, giúp xã hội văn minh hơn, nâng cao được dân trí trong tổ
chức các quá trình sản xuất và tổ chức xã hội. Chính vì vậy nghiên cứu điều
khiển chuyển động Robot là vấn đề rất cấp thiết hưꢃng tꢃi làm chủ cuộc cách
mạng công nghiꢂp 4.0 đang được các nhà khoa học rất quan tâm.
Lĩnh vꢄc điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều
khiển truyền thꢁng như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều
khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử
dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tꢄ
thích nghi, các phương pháp học cho Robot, các hꢂ visual servoing,…
Robot hiꢂn đang được nhiều khách hàng Viꢂt Nam biết đến và đꢆ cung
cấp các giải pháp ứng dụng “cánh tay máy” cho nhiều nhà máy trong nưꢃc
như hꢂ thꢁng sơn, vận chuyển cho hꢂ thꢁng dây chuyền dập vỏ ô tô cắt laze,
cắt plasma, Robot bꢁc và xếp cho các dây chuyền…Do đꢀ tác giả lꢄa chọn đề
tài “Nghiên cứu, ứng dụng công nghꢂ Hybrid để điều khiển và giám sát robot
công nghiꢂp”.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu, chế tạo robot công nghiꢂp trong lĩnh vꢄc bꢁc, xếp hàng
hóa cho các dây chuyền tꢄ động.
- Tài liꢂu phục vụ nghiên cứu và chế tạo robot.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Robot công nghiꢂp trong lĩnh vꢄc bꢁc, xếp hàng hóa
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu lý thuyết: Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các tài liꢂu ở
trong và ngoài nưꢃc, đề xuất hưꢃng nghiên cứu và chế tạo robot.
- Thꢄc nghiꢂm: Chế tạo phần cơ khí, lắp đặt phần điꢂn, thꢄc nghiꢂm điều
khiển và giám sát robot
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
2
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài thuộc lĩnh vꢄc nghiên cứu giải pháp điều khiển robot công nghiꢂp
trong lĩnh vꢄc bꢁc, xếp hàng hóa cho các dây chuyền tꢄ động; nghiên cứu lý
thuyết kinh điển và ứng dụng vào thꢄc tế. Từ các kết quả nghiên cứu của đề
tài cho thấy có thể ứng dụng để điều khiển robot công nghiꢂp bꢁc, xếp hàng
hóa trong thꢄc tiễn. Đồng thời kết.
6. Kết cấu luận văn
Kết cấu luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghꢂ Hybrid và robot công nghiꢂp
Chưong 2: Nghiên cứu, thiết kế robot công nghiꢂp
Chương 3: Lắp đặt thꢄc nghiꢂm và đánh giá kết quả
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
3
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HYBRID
VÀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Công nghệ hybrid
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước, trong nước
1.1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Robot bꢁc xếp hiꢂn nay được quan tâm và phát triển bởi các hãng sản xuất
dꢄa trên cấu hình lai, cꢀ các thanh điều khiển lên/xuꢁng (up/down) và vào/ra
(in/out) riêng biꢂt. Các cánh tay này được kết nꢁi liên động vꢃi nhau theo 1 cơ cấu
song song để dꢅn động vị trí và gꢀc hưꢃng của đầu công. Vꢃi cấu hình lai, trọng
lượng của cánh tay sẽ được cân bằng cơ học bởi các cơ cấu phụ, cho phép tiêu tꢁn ít
năng lượng và giảm sức ép lên các khꢃp, bạc đạn, điểm trụ và giá đỡ trên sàn. Fuji
cho biết sản phẩm loại này của hãng giảm từ 50% tꢃi 200% công suất tiêu thụ vꢃi
năng suất bꢁc xếp tăng tꢃi 1.600 bao/giờ. Đꢀ là lý do để cơ cấu lai thay thế cho các
Một sꢁ công trình nghiên cứu về robot bꢁc xếp kiểu lai về xây dꢄng và giải
robot kiểu lai không thể sử dụng các giải pháp truyền thꢁng cho các robot nꢁi tiếp
nhau để mô phỏng và phân tích động lꢄc học cho robot bꢁc xếp. Để đơn giản hoá
của robot như một thành phần đơn nguyên và thay thế thành phần này bằng cấu trúc
tandem (kiểu như xe đạp cho 2 người đạp), sau đꢀ áp dụng các phương trình
D'Alembert để xác định các phương trình động học thuận và ngược. Các tác giả
phỏng Matlab các tham sꢁ vị trí, vận tꢁc, gia tꢁc và không gian làm viꢂc tꢁi đa. Các
D’Alembert để chuyển đổi hꢂ thꢁng lꢄc quán tính tức thời thành hꢂ tĩnh và tính toán
lꢄc cho mỗi trục cho robot ở tư thế bất kỳ. Các công trình nêu trên thꢄc hiꢂn vꢃi
khꢃp lên/xuꢁng và vào/ra loại quay.
Các tính toán thiết kế cụ thể phục vụ chế tạo robot bꢁc xếp kiểu lai do tính
bảo mật công nghꢂ nên không có tài liꢂu công bꢁ. Để thiết kế và chế tạo một robot
bꢁc xếp có cấu hình lai, nhóm tác giả đꢆ nghiên cứu, phân tích các bài toán động
học và động lꢄc học cho một robot bꢁc xếp có cấu hình tương tꢄ robot của hãng
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
4
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Fuji vꢃi một sꢁ cải tiến về truyền động. Cấu hình robot bꢁc xếp kiểu lai được thiết
kế có các khꢃp chuyển động R và Z là các khꢃp trượt (x1 và y4). Các khꢃp trượt sẽ
hạn chế viꢂc quay ngược và rung lắc của cơ cấu, giá thành rẻ, dễ bôi trơn, dễ thay
thế, độ bền cao, phù hợp cho ứng dụng bꢁc xếp.
phương trình Lagrange dạng nhân tử (công nghꢂ hybrid) để giải bài toán động lꢄc
học robot song song. Trong bài báo này áp dụng phương pháp tách cấu trúc để thiết
lập phương trình vi phân đại sꢁ của các robot song song. Sau đꢀ trình bày viꢂc tính
toán so sánh hai phương pháp giải bài toán động lꢄc học ngược robot song song
Nhiều công trình nghiên cứu về rô bꢁt di động tập trung vào viꢂc giải quyết
tương ứng mà chúng đꢆ tích hợp mô hình động học có ràng buộc nonholonomic vꢃi
mô hình động lꢄc học của rô bꢁt di động. Ở đꢀ, các tác giả đꢆ giả sử điều kiꢂn ràng
buộc nonholonomic (các bánh xe chỉ có chuyển động lăn mà không trượt) luôn
được đảm bảo. Tuy nhiên, trong thꢄc tế, không phải lúc nào điều kiꢂn ràng buộc
nonholonomic cũng luôn được thỏa mãn. Ràng buộc nonholonomic phục thuộc vào
rất nhiều yếu tꢁ như độ căng của lꢁp, độ trơn của mặt sàn, độ phẳng của địa hình, …
Khi đꢀ, nếu muꢁn giải quyết bài toán điều khiển chuyển động thì động học, động
lꢄc học trượt phải được tính đến khi thiết kế bộ điều khiển cho rô bꢁt di động.
chứa đꢄng các loại trượt khác nhau như trượt dọc, trượt ngang, trượt quay. Trong
điều khiển bền vững để bám theo quỹ đạo bằng cách tích hợp vào động học trượt
vào động học rô bꢁt di động bánh xe dưꢃi dạng các hàm và tính ổn định được kiểm
rô bꢁt di động bánh xe mà ở đꢀ đꢆ chứa đꢄng động lꢄc học trượt ngang. Sau đꢀ, mô
hình động lꢄc học này được sử dụng để thiết kế bộ lập quỹ đạo và bộ điều khiển để
cho phép dꢅn đường (navigation) có hiꢂu quả rô bꢁt di động trong điều kiꢂn cꢀ trượt
ngang
Hai thuật toán điều khiển tuyến tính kinh điển được áp dụng trên robot hai
bánh là LQR và PID. Hai thuật toán này đều cho kết quả tꢁt nhưng viꢂc hiꢂu chỉnh
điểm này, đꢆ cꢀ nhiều nghiên cứu về bộ tꢄ chỉnh thông sꢁ bộ điều khiển tuyến tính
nhưng viꢂc thế kế bộ điều khiển tuyến tính còn gặp một khꢀ khăn đꢀ là mô hình
toán và thông sꢁ của robot này rất phức tạp, khꢀ xác định. Bộ điều khiển mờ là bộ
điều khiển thông minh được thiết kế chủ yếu dꢄa vào kinh nghiꢂm về đꢁi tượng nên
nó tỏ ra khá phù hợp khi áp dụng vào robot hai bánh.
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
5
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
1.1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
phân tích mô hình hình học và phương pháp Largrange. Nhꢀm tác giả đꢆ sử dụng
phần mềm MATLAB để xây dꢄng chương trình và xác định các lꢄc moment trên
trục động cơ trong quá trình chuyển động của robot. Một thuật toán tꢁi ưu hꢀa (PSI)
được áp dụng để tꢁi ưu hꢀa cấu hình thiết kế của robot trong vùng không gian và
thông sꢁ làm viꢂc cho trưꢃc. Dꢄa trên cấu hình tꢁi ưu hꢀa thiết kế, các kết quả mô
phỏng động lꢄc học của tay máy được khảo sát và đánh giá. Các kết quả tꢁi ưu hꢀa
thiết kế được xác định vꢃi tiêu chí tꢁi ưu về moment trên trục động cơ. Các kết quả
này chưa xét đến bài toán tꢁi ưu về hiꢂu suất vận hành và không gian làm viꢂc. Các
kết quả lý thuyết và thꢄc nghiꢂm thu được minh chứng viꢂc xây dꢄng công cụ để
phân tích động lꢄc học, tꢁi ưu hoá thiết kế và mô phỏng đem lại hiꢂu quả thiết thꢄc.
tꢁi ưu tương đương trong trường hợp chỉ dùng tập hợp tꢁi ưu Pareto thuần tuý. Các
kết quả này đꢆ được kiểm chứng khi tiến hành tꢁi ưu đa tiêu chí. Phương pháp
hybrid này cho phép giảm thiểu thời gian tꢁi ưu kém hiꢂu quả do viꢂc chọn lꢄa cấu
hình thiết kế ban đầu không phù hợp vꢃi vùng không gian khảo sát. Khi tꢁi ưu hꢀa
thiết kế theo đa tiêu chí cꢀ sꢁ bưꢃc khảo sát lꢃn, thời gian tính toán có thể mất đến
hàng trăm giờ. Khi đꢀ, phương pháp kết hợp GA-Pareto có thể giảm thiểu một
khoảng thời gian tính toán đáng kể. Đồng thời, phương pháp này giúp nhà thiết kế
không gặp phải khꢀ khăn trong viꢂc chọn lꢄa một cấu hình thiết kế ban đầu phù hợp
khi áp dụng bài toán dùng PSI và tập hợp tꢁi ưu Pareto trong vùng không gian khảo
sát bất kỳ. Các kết quả tꢁi ưu đa tiêu chí được xác định vꢃi các ràng buộc về vị trí
Bi, giꢃi hạn góc khꢃp. Tuy nhiên, các kết quả này chưa xét đến các yếu tꢁ về động
lꢄc học, độ cứng vững và các điểm kỳ dị của tay máy song song. Các vấn đề này sẽ
được trình bày ở các công trình tiếp theo.
thuật cuꢁn chiếu) trong chuyển động bám quỹ đạo của robot khi các thông sꢁ đông
lꢄc hoc không xác định trưꢃc. Sꢄ ổn định của hꢂ thꢁng động lưc học kín được
chứng minh theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Tính hiꢂu quả của thuật toán đề
xuất được xác nhận lại bằng các kết quả mô phỏng trên MatLab/Simulink cho thấy
Robot Planar đꢆ bám sát quỹ đạo đặt trong thời gian yêu cầu. Phương pháp đề xuất
có thể được sử dụng cho các Robot có sꢁ bậc tꢄ do lꢃn hơn và các tác nghiꢂp linh
hoạt hơn.
servo một chiều) để điều khiển robot tꢄ cân bằng hai bánh đồng trục. Các tác giả đꢆ
thiết kế, chế tạo robot tꢄ cân bằng hai bánh vꢃi bộ điều khiển trung tâm là
dsPIC30f4011 của hãng MicroChip. Các kết quả mô phỏng và thꢄc nghiꢂm (Các
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
6
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
thuật toán điều khiển đứng, tiến, lùi và đổi hưꢃng đꢆ làm viꢂc tꢁt) trên mô hình thật
đꢆ được thꢄc hiꢂn phù hợp vꢃi phương pháp đề xuất.
fuzzy thích nghi cho robot đa hưꢃng bám quỹ đạo chứa nhiều thông sꢁ bất định.
Mạng NFN trong nghiên cứu này có thể xấp xỉ gần đúng hꢂ thꢁng phi tuyến. Tất cả
các luật học cập nhật thích nghi trong mạng NFN bắt nguồn từ định lý ổn định
Lyapunov, đảm bảo sꢄ hội tụ và sꢄ ổn định của hꢂ thꢁng điều khiển. Xây dꢄng
phương pháp này cho viꢂc điều khiển các hꢂ phi tuyến mà không có mô hình toán
rỏ ràng. Kết quả này đặt cơ sở cho viꢂc thiết kế mạng NFN thích nghi có cấu trúc
động cho hꢂ thꢁng phi tuyến nhiều ngõ vào và ngõ ra (MIMO) sau này
1.1.2. Ứng dụng công nghệ hybrid trong công nghiệp
- Công nghꢂ hybrid được sử dụng phổ biến trong ngành sản xuất ô tô như:
Ford Escape Hybrid, Honda Insight, Civic Hybrid, Toyota Prius,... Năm 2016,
Toshiba mắt công nghꢂ Hybrid Inverter. Ngay lập tức, các dòng máy lạnh sở hữu
công nghꢂ này trở thành sꢄ lꢄa chọn hàng đầu của người tiêu dùng khi chọn mua
máy lạnh
- Trong những năm gần đây viꢂc ứng dụng công nghꢂ hybrid trong điều khiển
robot đꢆ được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu như: Robot bꢁc xếp, robot lai
4 bậc tꢄ do, robot di động, Robot Planar, robot tꢄ cân bằng hai bánh đồng trục,...
1.2. Robot công nghiệp
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước, trong nước
1.2.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Kỹ thuật mờ là một trong sꢁ những kỹ thuật tꢁt nhất để mô tả những hꢂ
thꢁng phi tuyến phức tạp và ít thông tin, đặc biꢂt là những hꢂ thꢁng phi tuyến khó
khăn trong viꢂc mô tả bằng các công thức toán học hay cꢀ độ bất định cao. Hꢂ
hꢂ thꢁng trong quá trình thiết kế bộ điều khiển. Sử dụng định lý xấp xỉ tổng quát
nghi cho hꢂ phi tuyến mà không cần biết trưꢃc mô hình của hꢂ. Mạng neuron mô
phỏng chức năng của bộ nꢆo con người được biết đến như một công cụ có khả năng
học và khả năng thích nghi rất lꢃn cũng như khả năng chịu đꢄng lỗi. Những nghiên
cứu gần đây về mạng neuron đꢆ cho phép đưa ra phương pháp hồi qui để cập nhật
tiến đa lꢃp có thể xấp xỉ bất cứ một hàm phi tuyến liên tục nào vꢃi độ chính xác
mong muꢁn tùy ý. Vꢃi khả năng học của mình, mạng nơ-rôn đꢆ chứng tỏ là một
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
7
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về robot di động (mobile Robot) đꢆ
được nhiều nhà khoa học trên thế giꢃi quan tâm. Trong đꢀ, một vấn đề khꢀ khăn là
nghiên cứu điều khiển cân bằng robot hai bánh. Viꢂc điều khiển cân bằng cho robot
hai bánh có thể được ứng dụng để điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot
ASIMO vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau. Cꢀ nhiều nghiên cứu về
điều khiển cân bằng cho robot di động hai bánh, ví dụ như robot Murata Boy được
khiển cân bằng cho robot hai bánh là: cân bằng nhờ sử dụng một bánh đà, như trong
các phương pháp đꢀ, cân bằng nhờ sử dụng bánh đà cꢀ ưu điểm là đáp ứng nhanh
và có thể cân bằng ngay cả khi robot không di chuyển.
Có nhiều thuật toán điều khiển đꢆ được đề xuất như điều khiển phi tuyến
không thể mang tải vꢃi các tải trọng biến đổi, và không thể làm viꢂc trong môi
trường có nhiễu loạn. Vì vậy các thuật toán điều khiển bền vững cho robot di động
hai bánh là rất cần thiết. Lý thuyết điều khiển bền vững H∞ là một lý thuyết điều
khiển hiꢂn đại cho viꢂc thiết kế các bộ điều khiển tꢁi ưu và bền vững cho các đꢁi
tượng điều khiển có thông sꢁ thay đổi hoặc chịu tác động của nhiễu bên ngoài. Tuy
nhiên, trong phương pháp thiết kế H∞ mà McFarlane và Glover lần đầu tiên đưa ra
bộ điều khiển thu được thường có bậc cao (bậc của bộ điều khiển được xác định là
bậc của đa thức mꢅu). Bậc của bộ điều khiển cao có nhiều bất lợi khi chúng ta đem
thꢄc hiꢂn điều khiển trên robot, vì mꢆ chương trình phức tạp, thời gian tính toán lâu
nên đáp ứng của hꢂ thꢁng sẽ bị chậm.
khiển dsPIC30F2010 của hãng Microchip. Bộ điều khiển được thiết kế bằng công
cụ Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng và thꢄc nghiꢂm cho thấy robot đꢆ cân bằng
tꢁt. Tuy nhiên, nhóm tác giả chỉ thiết kế bộ điều khiển cân bằng góc nghiêng của
mờ để điều khiển cân bằng, vị trí và hưꢃng của robot. Bộ điều khiển được thiết kế
hoàn toàn bằng ngôn ngữ C và chạy thời gian thꢄc trên chip FPGA. Kết quả mô
phỏng và thꢄc nghiꢂm cho thấy bộ điều khiển đꢆ hoạt động ổn định và điều khiển
tꢁt các thông sꢁ của robot. Tuy nhiên, viꢂc thiết kế và thꢄc thi bộ điều khiển khá
phức tạp.
Viꢂc thiết kế bộ điều khiển mờ tuy đꢆ cho thấy nhiều ưu điểm so vꢃi thiết kế
bộ điều khiển tuyến tính nhưng về chất lượng của đáp ứng chưa thể khẳng định
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
8
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
được ưu điểm. Vì thế, viꢂc so sánh đáp ứng của các bộ điều khiển này đꢆ được các
sꢄ so sánh về đáp ứng của hai bộ điều khiển mờ và PID. Dꢄa vào kết quả mô
phỏng, nhóm tác giả đꢆ khẳng định bộ điều khiển mờ cho kết quả tꢁt hơn bộ điều
khiển PID. Bộ điều khiển mờ cho ra luật điều khiển hai động cơ không quá giꢃi
hạn, giảm vọt lꢁ, rút ngắn thời gian tăng so vꢃi bộ điều khiển PID. Một sꢄ so sánh
khí và cơ điꢂn tử. Trong đꢀ, nhꢀm tác giả tiến hành thꢄc nghiꢂm và so sánh đáp ứng
của bộ điều khiển mờ vꢃi bộ điều khiển PID và LQR thay vì mô phỏng. Kết quả so
sánh cũng cho thấy bộ điều khiển mờ cho đáp ứng nhanh, độ vọt lꢁ thấp hơn nhưng
tiêu thụ nhiều năng lượng hơn hai bộ điều khiển còn lại.
đường cong và lꢄc cho tay máy di động. Một mô hình toán học và một thuật toán
1.2.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
học cũng như cách điều khiển các động cơ tương ứng vꢃi từng chuyển động. Tính
mꢃi lạ của phương pháp này là đưa ra các giải thuật điều khiển cụ thể áp dụng cho
robot có chân. Thuật toán này sẽ khắc phục được những thiếu xót trong quá trình
chuyển động của robot 6 chân nói riêng và robot có chân nói chung sử dụng 2
phương pháp đꢀ là: phương pháp dꢄa trên phương trình Lagrange dạng nhân tử và
phương pháp dꢄa trên phương trình vi phân thu gọn về tọa độ khꢃp chủ động. Sử
dụng phương pháp dꢄa trên phương trình vi phân thu gọn về tọa độ khꢃp chủ động
thì thời gian tính toán nhỏ hơn sử dụng phương pháp dꢄa trên phương trình
Lagrange dạng nhân tử.
cách trơn chu và nhanh nhất khi Robot có tham sꢁ m, I là thay đổi (đây là trường
hợp gặp thường xuyên trong thꢄc tế khi điều khiển xe Robot tꢄ hành cꢀ tương tác
vꢃi các đꢁi tượng), đồng thời cấu trúc của của bộ điều khiển đơn giản để có thể
nhúng trong vi xử lý tạo ra các bộ điều khiển thꢄc tế. Thuật toán đề xuất cꢀ đặc tính
chính đꢀ là độ bền vững và hiꢂu quả chꢁng lại sꢄ thay đổi tham sꢁ khꢁi lượng và
mô men quán tính của robot. Bộ điều khiển được thiết kế chia làm 2 phần , phần 1
là bộ điều khiển động học phi tuyến và phần 2 là bộ điều khiển thích nghi theo mô
hình mꢅu để đáp ứng viꢂc bám theo các giá trị vận tꢁc tịnh tiến và vận tꢁc quay
mong muꢁn. Các luật điều khiển đơn giản và tường minh đꢆ dꢅn đến sꢄ đơn giản
trong viꢂc điều chỉnh các tham sꢁ để đạt được hiꢂu quả mong muꢁn bao gồm bám
sai sꢁ và điều khiển các tín hiꢂu. Độ ổn định của hꢂ thꢁng được thỏa mãn bꢃi viꢂc
lꢄa chọn hàm Lyapunov tương thích. Kết quả mô phỏng đꢆ thể hiꢂn được tính bền
vững và hiꢂu quả của giải pháp này.
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
9
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
động khi cꢀ trượt ngang. Trong các mô hình động học, động lꢄc học đều chứa đꢄng
động học, động lꢄc học của trượt ngang. Sau đꢀ, chúng tôi đꢆ đề xuất một luật điều
khiển theo phương pháp tuyến tính hóa phản hồi vào ra. Tính ổn định của luật điều
khiển đꢆ được kiểm chứng bằng Matlab-Simulink khi tiến hành mô phỏng cho rô
bꢁt bám theo quỹ đạo thẳng và quỹ đạo tròn. Trong tương lai, chúng tôi sẽ khảo sát
và thiết kế bộ điều khiển cho rô bꢁt di động khi vừa cꢀ trượt dọc, vừa cꢀ trượt
ngang
điều khiển. robot để tận dụng được thế mạnh của bộ điều khiển tuyến tính và bộ
điều khiển thông minh. Bộ điều khiển đề nghị gồm hai vòng điều khiển. Vòng thứ
nhất có cấu hình gồm hai nhánh đều sử dụng bộ điều khiển PD mờ. Nhánh thứ nhất
sẽ tính toán góc tham chiếu cho bộ điều khiển cân bằng dꢄa vào vị trí tham chiếu để
giúp robot bám được vị trí. Nhánh thứ hai sẽ cân bằng robot tại góc tham chiếu.
Vòng điều khiển thứ hai là một bộ điều khiển PID tꢄ chỉnh thông sꢁ điều khiển
hưꢃng của robot. Góc nghiêng của robot được đo bằng cảm biến tích hợp MPU6050
kết hợp vꢃi bộ lọc bù. Bộ điều khiển được chạy thời gian thꢄc trên vi điều khiển 32-
bit nhân ARM Cortex-M4 STM32F407VG của hꢆng STMicroelectronic. Để thiết kế
và thꢄc thi bộ điều khiển nhúng, nhóm tác giả phꢁi hợp sử dụng Matlab/Simulink
và hꢂ điều hành nhúng thời gian thꢄc FreeRTOS.
động, pan tilt, camera. Sau đꢀ đề xuất một phương pháp điều khiển mꢃi. Sơ đồ điều
khiển gồm hai vòng kín: vòng ngoài là vòng điều khiển động học, vòng trong là để
điều khiển động lꢄc học. Các thành phần bất định tham sꢁ được bù bằng một luật
học online trong bộ điều khiển thích nghi. Tính ổn định tiꢂm cận của hꢂ thꢁng được
chứng minh bằng tiêu chuẩn Lyapunov.
1.2.2. Ứng dụng Robot trong công nghiệp
Các Robot nꢀi chung được sử dụng rộng rãi vꢃi nhiều mục đích, trong nhiều
lĩnh vꢄc, từ các nhà máy, xí nghiꢂp lꢃn tꢃi các công viꢂc phục vụ trong sinh hoạt
đời sꢁng của con người. Robot có thể làm viꢂc trong môi trường độc hại, nguy hiểm
như trong các lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay trong công viꢂc thám hiểm
không gian, thăm dò các hành tinh thuộc hꢂ Mặt trời. Trong sinh hoạt, có các Robot
trợ giúp, phục vụ người già, cắt cỏ, lau nhà…
Đꢁi vꢃi Robot công nghiꢂp nói riêng, mức độ ứng dụng của nó diễn ra mạnh
mẽ và sâu rộng hơn cả. Hầu hết các dây chuyền tꢄ động hoá sản xuất hiꢂn đại đều
có sꢄ xuất hiꢂn của Robot.
Các Robot công nghiꢂp được ứng dụng trong các lĩnh vꢄc cụ thể sau:
a. Robot công nghiệp trong công nghệ gia công và lắp ráp
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
10
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Độ chính xác định vị và thời gian là yếu tꢁ quan trọng nhất khi thiết kế các
Robot lắp ráp. Có nhiều dây chuyền tꢄ động gồm các máy vạn năng và Robot công
nghiꢂp. Các dây chuyền đạt mức độ tꢄ động hoá cao, tꢄ động hoàn toàn không có
sꢄ tham gia của con người, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lꢃn. Trong đꢀ các
máy và Robot trong dây chuyền được điều khiển bằng cùng một hꢂ thꢁng chương
trình. Đꢀ là các dây chuyền lắp ráp ô tô, các sản phẩm điꢂn tử (Hình 1.1). Yêu cầu
hiꢂn nay đꢁi vꢃi các Robot công nghiꢂp loại này là nâng cao tính linh hoạt để đáp
ứng nhiều loại công viꢂc, hạ giá thành và dễ thích hợp vꢃi các sản phẩm loại nhỏ.
Hình 1. 1. Robot công nghiệp trong công nghệ gia công và lắp ráp
b. Robot công nghiꢂp trong các quá trình hàn và nhiꢂt luyꢂn
Các quá trình này bao gồm các công viꢂc nặng nhọc, độc hại, nhiꢂt độ cao.
Hàn đường thường được thꢄc hiꢂn bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu
chất lượng bề mặt mꢁi hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn vꢃi môi
trường khắc nghiꢂt do khói và nhiꢂt độ phát ra trong quá trình hàn. Không giꢁng kỹ
thuật hàn điểm, ở đꢀ mꢁi hàn có vị trí cꢁ định, mꢁi hàn trong kỹ thuật hàn đường
nằm dọc theo mꢁi ghép giữa hai tấm kim loại. Những hꢂ thꢁng hàn đường thꢄc tế
phụ thuộc vào con người trong viꢂc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn và sau đꢀ
robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trưꢃc. Ưu điểm duy nhất so vꢃi hàn
bằng tay là chất lượng mꢁi hàn được ổn định. Người vận hành chỉ còn thꢄc hiꢂn
một viꢂc đơn giản là kẹp chặt các chi tiết (Hình 1.2).
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
11
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1. 2. Robot trong các quá trình hàn và nhiệt luyện
c. Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn, trong ngành gia công áp lực nơi
mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi
Công viꢂc rất đa dạng điều kiꢂn làm viꢂc khắc nghiꢂt, sản phẩm luôn thay
đổi và đặc biꢂt là chất lượng của sản phẩm phụ thuộc quá nhiều vào quá trình thao
tác. Robot có thể làm các công viꢂc như: rꢀt kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật
đúc ra khỏi khuôn. Ngày nay, ở nhiều nưꢃc trên thế giꢃi, Robot được sử dụng rộng
rꢆi để tꢄ động hoá công nghꢂ đúc nhưng chủ yếu để phục vụ các máy đúc áp lꢄc
(Hình 1.3).
Hình 1. 3. Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn
Ví dụ trong công nghꢂ rèn: Robot có thể thꢄc hiꢂn nhiều viꢂc như: đưa phôi
vào lò nung, vận chuyển phôi sau khi ra khỏi lò… So vꢃi các phương tiꢂn cơ giꢃi và
tꢄ động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng Robot cꢀ ưu điểm là nhanh, chính
xác và cơ động hơn.
d. Robot công nghiệp trong nhà máy sản xuất
Trong sản xuất lꢃn, những robot này là những hꢂ thꢁng được tꢄ động hoá
hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiꢂu
chỉnh các công viꢂc của mình, hầu như ở đây không cần sꢄ giúp đỡ của con người
trừ chương trình điều khiển trong máy tính điꢂn tử. Chỉ vꢃi vài người giám sát công
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
12
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
viꢂc; các máy móc này có thể hoạt động suꢁt ngày đêm; các robot làm tất cả các
công viꢂc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tꢃi công đoạn sản
xuất khác kể cả viꢂc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho (Hình 1.4).
Hình 1. 4. Robot trong nhà máy sản xuất
1.3. Phân loại Robot
1.3.1. Phân loại theo bộ điều khiển
a. Robot gắp - đặt:
Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dꢅn động khí nén. Bộ điều khiển
phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thꢄc hiꢂn điều khiển vòng hở. Robot
hoạt động căn cứ vào các tín hiꢂu phản hồi từ các tiếp điểm giꢃi hạn hành trình cơ
khí đặt trên các trục của tay máy.
Hình 1. 5. Một dạng robot gắp đặt
b. Robot đường dẫn liên tục
Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thꢄc hiꢂn điều khiển vòng kín.
Hꢂ thꢁng điều khiển liên tục là hꢂ thꢁng trong đꢀ robot được lập trình theo một
Học viên: Nguyễn Trọng Quỳnh
13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Tải về để xem bản đầy đủ
83 trang
17581
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ hybrid để điều khiển và giám sát robot công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_ung_dung_cong_nghe_hybrid_de_dieu_khien.pdf
