ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TIẾN TRỰC ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG 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 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ kỷ) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ kỷ) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ kỷ) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XẢ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự 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 TỤ DO NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Giải toán động học thuận, động học ngược, động lực học ngược robot song song hai bậc tự - Kiểm tra kết toán động học động lực học phần mềm máy tính - Hoạch định quỹ đạo điều khiển robot - Mô 3D máy tính II NGÀY GIAO NHỆM vụ : • / /2017 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/06/2017 IV CÁN BỘ HUỚNG DẢN: TS NGUYỄN QUỐC CHÍ Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HUỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRUỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Nguyễn Quốc Chí huớng dẫn tận tình cho tơi thời gian thục luận văn Tôi xin cảm ơn bạn Control and Automation Laboratory nhiện tình giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Cùng với sụ huớng dẫn tận tình thầy khoa Cơ Khí thầy Bộ môn Cơ điện tử giảng dạy truyền đạt nhiều kiến thức quý báu bổ ích suốt trình học tập Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, ủng hộ thời gian qua Trân trọng biết ơn! Tp Hồ Chỉ Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2017 NGUYỄN TIẾN TRỰC TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày tốn động học thuận, động học ngược toán động lực học robot song song bậc tự Chọn quỹ đạo thẳng quỹ đạo cong với phương pháp điều khiển tính toán momen để điều khiển điểm cuối robot song song di chuyển theo quỹ đạo hoạch định, thời gian quy định trước Kết toán động học, động lực học điều khiển kiểm chứng phần mềm mơ máy tính (Matlab, Maple) ABSTRACT This Thesis solved the problems of forward and reverse kinematic, dynamic of a parallel robot 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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu -NGUYỄN TIẾN TRỰC thực hướng dẫn Thầy TS NGUYỄN QUỐC CHÍ Các kết trình bày trưng thực, rõ ràng tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng thích phần cuối luận văn Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tp HCM, ngày 18 thảng năm 2017 NGUYỄN TIẾN TRỤC MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIÊU .8 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 10 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 2.1 Giới thiệu chung robot song song 12 2.1.1 Lịch sử phát triển 12 2.1.2 Khái niệm chung .13 2.2 Tổng hợp tình hình nghiên cứu ngồi nước 15 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG Lực HỌC ROBOT SONG SONG BẬC Tự DO 19 3.1 Mơ hình robot song song bậc tự 19 3.2 Bài toán động học 20 3.2.1 Bài toán động học thận 21 3.2.2 Bài toán động học ngược 24 3.2.3Vùng hoạt động robot 26 3.3 Bài toán động lực học 28 3.3.1 Phương trình Euler-Lagrange tổng quát 28 3.3.2 Thiết lập phương trình Euler-Lagrange cho robot song song 29 3.4 Thuật toán điều khiển 32 CHƯƠNG HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO VÀ MÔ PHỎNG 36 4.1 Hoạch định quỹ đạo 36 4.1.1 Hoạch định góc quay cho động 37 4.1.2 Quỹ đạo đuờng thẳng 38 4.1.3 Quỹ đạo đuờng cong .41 4.2 Mô 43 4.2.1 Mô động học 43 4.2.2 Mô động lực học 49 4.2.3 Mô điều khiển robot song song 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 5.1 Kết luận 59 5.2 Hướng phát triển đề tài 59 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC 60 TÀI LỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC MÔ PHỎNG 63 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình robot song song bậc tự 10 Hình 2.2 Mơ hình robot delta bậc tự 15 Hình 2.3 Mơ hình robot Novel 17 Hình 2.4 Mơ hình robot delta bậc tự 18 Hình 3.1 Mơ hình robot song song hai bậc tự 19 Hình 3.2 Các vị trí cánh tay robot song song bậc tự .26 Hình 3.3 Vùng làm việc robot song song bậc tự 27 Hình 3.4 Mơ hình điều khiển momen cho robot song song 33 Hình 3.5 Biểu đồ đáp ứng over damped .34 Hình 3.6 Biểu đồ đáp ứng critical damped 34 Hình 3.7 Biểu đồ đáp ứng under damped .35 Hình 4.1 Góc quay, vận tốc gia tốc góc cấp cho động .38 Hình 4.2 Quỹ đạo đuờng thẳng 40 Hình 4.3 Quỹ đạo đuờng cong .42 Hình 4.4 Mơ hình Simulink robot song song bậc tự .43 Hình 4.5 Mơ hình khí robot song song bậc tự 44 Hình 4.6 Mơ hình Simulink mơ động học nguợc .45 Hình 4.7 Kết mô động hoc thuận .46 Hình 4.8 Mơ hình Simulink mơ động học nguợc .47 Hình 4.9 Ket mơ động học thuận (đuờng thẳng) .48 Hình 4.10 Mơ hình Simulink mô động lực học 50 Hình 4.11 Ket mơ động lực học 50 Hình 4.12 Mơ hình điều khiển robot song song 52 Hình 4.13 Kết mô robot song song (chua điều khiển) .54 Hình 4.14 Kết mơ robot song song (Over damped) 55 Hình 4.15 Ket mơ robot song song (Critical damped) .56 Hình 4.16 Ket mơ robot song song (Critical damped) .57 Kết điểm cuối robot không theo đường thẳng mà ta hoạch định Do mơ hình bị sai số ta khơng tính momen qn tính vật rắn đó, ngồi q trình mơ sinh sai số tích lũy phép tốn làm tròn máy tính Khi sử dụng điều khiển Kp Ky trường hợp over damped, critical damped under damped Kết cho ta thấy: Trường hợp over damped Ky > 2A;'Kp Đáp ứng bị sai số lớn (hình 4.13a-b) làm cho điểm cuối chưa theo quỹ đạo mà ta hoạch định Trường hợp critical damped Ky = 2yìKp Đáp ứng động song song hay tiệm cận với quỹ đạo ta hoach định sẵn (Hình 4.14a-b) Trường hợp under damped Ky < 2AỊK^ Đáp ứng động bám theo quỹ đạo mà ta hoạch định (Hình 4.15a-b) Tuy nhiên, có số dao động vị trí bé khơng đáng kể Vậy, q trình mơ điều khiển điểm cuối robot song song bậc tự di chuyển theo đường thẳng CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Nhìn chung, đề tài đạt mục tiêu đề sau: giải xác toán động học động lực học cho robot song song hai bậc tự Áp dụng phương pháp điều khiển momen hoạch định quỹ đạo chuyển động thẳng chuyển động cong để mô điều khiển điểm cuối robot hoạt động bám theo quỹ đạo phương pháp giải kết toán kiểm chứng rõ ràng xác phần mơ số phần mềm Solid Works Matlab 5.2 Hướng phát triển đề tài Phát triển mơ hình robot song song hai bậc tự thành mơ hình robot song song bật tự (robot dalta) Giải toán động học, động lực học cho mơ hình robot song song bậc tự Đồng thời xây dựng mơ hình thực tế robot song song giúp ta kiểm nghiệm kết sở lý thuyết giải tin cậy Đe tăng tính học thuật cho mơ hình robot, ta nên áp dụng thuật tốn khác như: điều khiển tối ưu hay điều khiển thông minh vào mơ hình robot song song Nó giúp ta kiểm chứng lý thuyết điều khiển đại DANH MỤC CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC Nguyễn Tiến Trực, Nguyễn Quốc Chí, “Modeling of a high speed 2d delta robot”, hội nghị học máy toàn quốc, 2015 Trần Duy Đỉnh, Nguyễn Tiến Trực, Nguyễn Quốc Chí, “Thiết kế điều khiển robot delta bậc tự do”, hội nghị khoa học công nghệ thường niên, 2016 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T Huang et al (2013, Dec) “Optimal design of a 2-DOF pick-and-place parallel robot using dynamic performance indices and angular constraints.” Mechanism and Machine Theory Vol 70 Pp 246-253 Available: http://sciencedirect.com/science/artical /pii/S0094114X13001547 [2] Dan Zhang Parallel Robotic Machine Tools Oshawa, Canada: Spring Science & Business Media, 2010, pp 1-5 [3] s B Park et al “Dynamics Modeling of a Delta-type Parallel Robot”, Robotics (ISR), 44th International Symposium, Seoul, 2013 [4] T Huang et al "‘'Conceptual Design and Dimensional Synthesis of a Novel 2- DOF Translational Parallel Robot for Pick-and-Place Operations”, Journal of Mechani cal Design Vol 4, pp 449-455, Oct 2015 [5] G Meng, “Inverse dynamic modeling for a 3-RRRT Parallel Manipulator”, presented at International Conferences on Robotics and Biomimetics, China, 2010 [6] D T Greenwood Advanced Dynamics USA: Cambridge Publisher, Nov 2006, pp 73-130 [7] R M Murray et al A Methematical Introduction to Robotics Manipulation Washington, D.C: CRC Press, 1993, pp 190-200 [8] J Lenarcic, M M Stanisi, Advances in robot kinematics, Springer science business media, b.v, USA, 2000 [9] M Maya et al, “Workspace and Payload-Capacity of a New Reconfigurable Delta Parallel Robot”, Int J Adv Robotic Sy, vol 10, USA, 2012 [10] z Zh et al, “Kinematic and dynamic modelling for real-time control of Tau parallel robot”, Mechanism and Machine Theory, Netherlands, 2007 [11] Y Zhao,” Dynamic optimum design of a three translational degrees of freedom parallel robot while considering anisotropic property”, Robotics and Computer- Integrated Manufacturing, Netherlands, 2012 [12] B Zi et al, “Dynamic modeling and active control of a cable-susended parallel robot”, Journal of Mechatronics, 2008 [13] M Affoun et al “Planning Optimal Motions for a DELTA Parallel Robot”, IEEE Publisher, 14th Mediterranean Conference, Italy, June 2006 PHỤ LỤC MƠ PHỎNG Mơ động học • Mơ động học thuận Mơ hình Simulink mô động học thuận robot song song uy theta 11 omega 11 u y gamall u 4k y theta 12 u4y ■- ÕH1 êgal2 u 4k y —*—— gama12 Ket mô mục 4.2.1 Mơ hình Simulink mơ động học ngược u Ýy theta12 u Ạy 1.— omega 12 u4y í gama12 Kêt mơ mục 4.2.1 Mô động lực học Sử dụng phần mềm Maple 18.0, ta mô điểm cuối robot di chuyển theo đường tròn a Vị trí X y c Vận tốc d Gia tốc 7 Kết mô chuyển động quay robot Từ vị trí hoạch định: vị trí (hình a), vận tốc (hình c) gia tốc (hình d), ta thay vào phương trình động học ngược có góc điều khiển cánh tay robot (hình b) Sau ta thay góc quay vào phương trình động học thuận mô Ta kết trùng với quỹ đạo hoạch định Ta kết luận toán động học thuận động học ngược giải xác Mơ điều khiển LI >A IB lanbdal pw® lAmhrtì? íS Install tnetaiz XA Iheta11ilot ihetalSdot xB yA eialldoLddt pva :he1a13dnldat yB 'i Lim Ma LJ »rnjr_p £ rt ĩ Ĩ errorjk' Ù a í B £ £_ :2 Í 7ẼTã fli fl0 fill s v_ậ ĩ-