Lịch sử phát triển robot
Khái niệm robot lần đầu tiên xuất hiện vào ngày 09/10/1922 tại New York, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc, Karel Čapek, tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động tự động, phản ánh niềm mơ ước của con người thời bấy giờ.
Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người Đến năm
Năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã phát triển một tay máy đôi trang bị động cơ servo, có khả năng nhận diện lực tác động lên khâu cuối.
Năm 1956 hàng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm đại dương,
Năm 1968, R.S Mosher từ General Electric đã phát triển một cỗ máy đi bằng 4 chân, được vận hành bởi động cơ đốt trong và sử dụng hệ thống servo thủy lực cho mỗi chân.
Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh
Hình 1.1 Robot shakey Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng
Trong giai đoạn hiện nay, nhiều quốc gia đang tiến hành nghiên cứu để phát triển robot điều khiển bằng máy tính, được trang bị cảm biến và thiết bị giao tiếp giữa con người và máy móc.
Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạo gọn hơn, thực hiện được nhiều chứ năng hơn, thông minh hơn
Robot tự hành đang thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia, với sự phát triển đa dạng trong các chuyển động của chúng, từ việc bắt chước chân người đến các loài động vật như bò sát và động vật bốn chân Các loại xe robot và cánh tay robot đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt, cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này trong ngành công nghiệp.
Từ những năm 1980, đặc biệt là vào thập niên 1990, sự phát triển của vi xử lý và công nghệ thông tin đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể số lượng robot công nghiệp với nhiều tính năng vượt trội Điều này đã giúp robot công nghiệp trở thành một phần quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại ngày nay.
Trong ngành công nghiệp tự động, các loại robot phổ biến bao gồm robot có khớp nối, robot SCARA và robot gantry, thường được gọi là robot tọa độ đề-cac hay robot x-y-z Hầu hết các robot công nghiệp được phân loại dựa trên tính năng của tay robot, trong đó robot có khớp nối (Articulated robot) là loại thông dụng nhất hiện nay.
Robot có khớp nối là loại robot sở hữu các khớp quay, với cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp, có thể bao gồm hơn 10 kết cấu tương tác Chúng được sử dụng để nâng các chi tiết nhỏ với độ chính xác cao và thường đảm nhận các nhiệm vụ như hàn, cắt, sơn, lắp ráp, gắp chi tiết và đánh bóng.
Trên thế giới hiện có hơn 200 công ty sản xuất robot, trong đó nổi bật là Yaskawa, Fanuc, Honda và Toyota Những sản phẩm robot tiêu biểu như robot Asimo, EMIEW 2, Simroid và Yasakawa đang được áp dụng rộng rãi Vì vậy, nghiên cứu về robot là một lĩnh vực thiết yếu đối với các quốc gia đang phát triển.
Một số khái niệm định nghĩa về Robot
Robot được định nghĩa là một cấu trúc cơ khí với hình dạng đa dạng, được chế tạo nhằm thực hiện các công việc thủ công thay cho con người, theo từ điển New World College.
Robot là các máy móc tự động, thường được thiết kế với nhiều chức năng và khả năng lập trình để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, như di chuyển và gắp các đối tượng Định nghĩa của Hiệp hội Robot Công nghiệp Nhật Bản mô tả robot là một cơ cấu gồm nhiều phân đoạn, có khả năng hoạt động thông qua các khớp quay hoặc khớp trượt Theo chuẩn AFNOR của Pháp, robot có thể lặp lại các chương trình và di chuyển vật thể theo các hành trình đã được lập trình Hiệp hội Robot Công nghiệp Hoa Kỳ định nghĩa robot là tay máy đa chức năng, còn Hiệp hội Robot Anh nhấn mạnh khả năng lập trình lại để thực hiện các nhiệm vụ gia công khác nhau Cuối cùng, định nghĩa GOST của Nga cho rằng robot là tay máy tự động kết hợp với hệ thống điều khiển, thực hiện các chu trình công nghệ thay thế cho con người.
Phân loại Robot
Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kĩ thuật khác nhau Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:
Phân loại robot theo số bậc tự do rất quan trọng trong lĩnh vực robotics Một robot lý tưởng có 6 bậc tự do, cho phép nó cầm nắm đối tượng tự do trong không gian ba chiều Chúng ta gọi robot có 6 bậc tự do là robot tổng quát (General Purpose Robot) Nếu robot có nhiều hơn 6 bậc tự do, nó được gọi là robot dư (Redundant Robot), trong khi robot có ít hơn 6 bậc tự do được gọi là robot thiếu.
Robot được phân loại theo cấu trúc động học thành ba loại chính: robot chuỗi hở, robot song song và robot hỗn hợp Robot chuỗi hở có cấu trúc động học dạng chuỗi hở, trong khi robot song song có cấu trúc động học dạng chuỗi đóng Robot hỗn hợp bao gồm cả hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng.
Phân loại theo hệ thống truyền động:
Hệ truyền động gián tiếp kết nối các cơ cấu chấp hành với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động cơ khí phổ biến như hệ thống bánh răng thường, bánh răng hành tinh, bánh răng song, dây đai và bộ truyền xích Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là mòn gây ra khe hở động học, dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ tăng cao Hơn nữa, hiệu suất của hệ thống giảm do tiêu hao công suất trên các bộ truyền.
Hệ truyền động trực tiếp kết nối các cơ cấu chấp hành trực tiếp với nguồn động lực, giúp cấu trúc gọn nhẹ và khắc phục nhược điểm của truyền động gián tiếp Tuy nhiên, thách thức đặt ra là cần thiết kế và chế tạo động cơ với số vòng quay phù hợp, đồng thời cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.
Phân loại theo phương pháp điều khiển:
Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển của qui tắc điều khiển cơ bản:
- Điều khiển quĩ đạo liên tục
Trong hoạt động của robot, việc phân loại độ chính xác là rất quan trọng, bao gồm độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại, nhằm đánh giá mức độ tin cậy trong từng chu kỳ làm việc cũng như trong quá trình làm việc lâu dài Để đánh giá độ chính xác trên các miền kích thước hoặc phạm vi chức năng rộng hơn, người ta còn sử dụng khái niệm độ chính xác phân giải, giúp đánh giá mức độ chính xác trong các miền phân giải khác nhau.
Ứng dụng của robot công nghiệp
Mục tiêu của việc ứng dụng robot công nghiệp là nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm chi phí sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng cường khả năng cạnh tranh, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc Những lợi ích cơ bản của robot chính là nền tảng cho những mục tiêu này.
Robot công nghiệp có khả năng thực hiện quy trình thao tác hiệu quả, ổn định và vượt trội hơn so với thợ lành nghề trong suốt thời gian làm việc Nhờ đó, robot công nghiệp đóng góp quan trọng vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm và tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Việc ứng dụng robot trong sản xuất giúp giảm đáng kể chi phí lao động, từ đó giảm giá thành sản phẩm Sự xuất hiện của robot còn nâng cao năng suất của dây chuyền công nghệ, vì chúng có khả năng duy trì nhịp độ sản xuất khẩn trương mà không gặp phải sự mệt mỏi như con người.
Robot có khả năng cải thiện điều kiện lao động, đây là một trong những lợi ích quan trọng nhất mà chúng ta cần chú ý Trong thực tế sản xuất, nhiều công nhân phải làm việc trong môi trường độc hại hoặc có nguy cơ cao về tai nạn lao động.
Robot SCARA
Robot SCARA ( selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay robot
Robot SCARA với chuyển động đơn giản và dễ dàng điều khiển đang ngày càng được ưa chuộng trong ngành công nghiệp Một ví dụ tiêu biểu cho loại robot này là Robot Serpent.
Robot Serpent được trang bị động cơ truyền động cho cổ tay gắn trên trục cơ bản, kết nối với cổ tay qua đai truyền, đảm bảo góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình hoạt động Hai khớp của tay máy và cổ tay được điều khiển bởi động cơ servo một chiều với phản hồi vị trí, tạo thành một vòng điều khiển kín Chuyển động thẳng đứng được thực hiện nhờ piton nén, trong khi chiều cao của robot có thể điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân trên trục cơ bản, giúp tay máy linh hoạt trong việc thay đổi công việc và phạm vi hoạt động.
Robot SCARA có thể được lập trình qua máy tính bằng cách nhập dữ liệu cho từng trục, hoặc điều khiển bằng tay thông qua thiết bị lái điện, sử dụng cuộn dây điện từ trong pendant để điều khiển tay máy.
Mô hình robot scara tại phòng thí nghiệm
Robot scara tại phòng thí nghiệm là robot serpent với tình trang hiện tại:
- Phần kết cấu cơ khi gần như hỏng hoàn toàn và rỉ sét
- Có thể tận dụng được phần khung của robot
Với những điều kiện thực tế như vậy nên nhiệm vụ được giao của nhóm đồ án là:
- Bảo dưỡng và phục hồi lại phần cơ khí của robot
- Thay thế động cơ truyền động
Thiết kế và xây dựng lại các mạch điều khiển tốc độ và vị trí cho từng khớp bằng phương pháp điều khiển số sử dụng vi điều khiển, nhằm phục vụ cho việc điều khiển thử nghiệm Qua đó, có thể phát triển hệ điều khiển số cho robot một cách hiệu quả hơn.
Động học robot
Trong bài toán động học thuận, chúng ta cần xác định hướng của bàn kẹp trong hệ tọa độ gắn với giá đỡ của robot công nghiệp, dựa trên một vector chứa các biến khớp của robot.
Cơ cấu chấp hành của robot thường là một hệ thống hở, bao gồm chuỗi các khâu liên kết bằng các khớp Để đảm bảo robot có khả năng thao tác linh hoạt, khâu cuối cùng cần được thiết kế để di chuyển dễ dàng theo một quỹ đạo nhất định và có định hướng phù hợp Khâu cuối thường là bàn kẹp hoặc khâu gắp kết hợp với dụng cụ làm việc Điểm tác động cuối là yếu tố quan trọng nhất, vì vậy cần chú ý đến vị trí và hướng của khâu cuối trong không gian làm việc của robot.
Trong nghiên cứu động học robot, cần gắn hệ tọa độ động thứ n vào điểm tác động cuối và mỗi khâu động với một hệ tọa độ khác, đồng thời gắn một hệ tọa độ cố định lên giá đỡ Các hệ tọa độ này được đánh số từ 0 đến n, bắt đầu từ giá cố định Để khảo sát chuyển động của robot, việc xác định vị trí và định hướng của điểm tác động cuối là rất quan trọng, bên cạnh đó, cũng cần biết vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cũng như các điểm khác của robot Những yếu tố này là nền tảng để thiết lập các mối quan hệ tọa độ động so với hệ tọa độ cố định.
Với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với khâu làm việc.
Ta có ma trận chỉ hướng và vị trí của khâu tác động cuối được viết như sau:
Bài toán động học thuận nhằm tìm các tham số nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz dựa trên các biến khớp Bằng cách so sánh các phần tử của hai ma trận 0 Tn và TE, chúng ta có thể xác định được các tham số này từ phương trình (2.1).
Bài toán động học ngược của robot là một chủ đề quan trọng, vì nó cung cấp cơ sở cho việc xây dựng chương trình điều khiển chuyển động theo quỹ đạo đã định Các giải pháp hiện có chủ yếu chỉ áp dụng cho những trường hợp cụ thể, tận dụng các đặc điểm động học riêng biệt để thiết lập các mối quan hệ cần thiết trong quá trình tìm kiếm lời giải.
Xuất phát từ phương trình động học cơ bản ta có:
Hai ma trận trong phương trình đều là ma trận thuần nhất 4x4, dẫn đến việc so sánh các phần tử tương ứng tạo ra 6 phương trình độc lập Để giải bài toán động học ngược, có hai phương pháp khả thi.
Cách 1:Ta có thể viết:
Trong biểu thức Tn = T1 i Tn (2.4) với i = 1…n, mỗi giá trị I sẽ tạo ra 6 phương trình độc lập khi so sánh các phần tử tương ứng của hai ma trận Những phương trình này cho phép xác định biến khớp qi (i = 1…n).
Cách 2: Từ hệ phương trình (2.3) ta có thể xác định sáu phương trình độc lập để xác định các biến khớp qi (i=1…n)
Từ (2.3) ta có các phương trình độc lập:
(2.5) Tùy theo cấu trúc của robot mà ta xác định 3 phương trình còn lại:
Giải bài toán động học ngược của cơ cấu robot rất phức tạp và chưa có thuật giải tổng quát Để đơn giản hóa việc tính toán, người ta thường dựa vào một số tính chất của các cơ cấu cụ thể, như đặc điểm hình học và ràng buộc của biến khớp Phương pháp giải tích thông thường gặp nhiều khó khăn và đôi khi không thể giải quyết được, vì vậy phương pháp số được sử dụng để giải bài toán động học ngược cho robot.
Khi giải bài toán động học ngược, ta thường nhận được một tập hợp nghiệm và cần xác định nghiệm tối ưu nhất Để lựa chọn nghiệm phù hợp, cần thực hiện tối ưu hóa các thí nghiệm dựa trên những tiêu chí nhất định, chẳng hạn như tối ưu thời gian điều khiển hoặc tối ưu năng lượng.
Động lực học robot
Trong bài toán động học, chúng ta đã xác định vị trí, động học vi sai, cấu trúc hình học và các chuyển động của robot, nhưng chưa xem xét các lực tác động gây ra chuyển động Khi di chuyển, robot sẽ tiếp xúc với môi trường và sinh ra lực cần thiết để di chuyển vật và thực hiện công việc, chẳng hạn như robot SCARA gắp một chi tiết đến vị trí định sẵn theo yêu cầu.
Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể theo quan hệ sau:
∑ 𝐹̅ = 𝑚𝑎̅ (2.7) Tương tự moomen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thê là
Để robot di chuyển tịnh tuyến hoặc quay, cơ cấu chấp hành cần tạo ra lực hoặc mômen đủ lớn Mối quan hệ giữa lực, mômen của các khớp với vị trí, tốc độ và gia tốc được mô tả trong phương trình động lực học Trong phương trình này, lực và mômen đóng vai trò là các tín hiệu đầu vào Dựa vào phương trình động lực học, chúng ta có thể tính toán lực và mômen cần thiết để robot đạt được tốc độ và gia tốc mong muốn, từ đó thiết kế hệ thống điều khiển robot hiệu quả.
Lagrange Quá trình tiến hành theo 5 bước:
- Tính tốc độ của điểm bất kỳ trên thanh nối
- Tính momen và lực của các khớp
2.2.1 Phương trình động lực học robot
Từ phương trình Lagrange bậc hai:
- K và P là động năng và thế năng của hệ
- 𝐹 𝑀𝑖 là lực động hình thành trong khớp động thứ i
- 𝑞 𝑖 là biến khớp𝑞 𝑖 ̇ là đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian
Giải phương trình (2.9) ta sẽ tìm được lực động sinh ra khi robot chuyển động Động năng:
- Ki là động năng của khâu thứ i (i = 1,2,3,4)
- dKi là động năng của một chất điểm khối lượng dm thuộc khâu i
- rii là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ tọa độ thứ
- roi là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ tọa độ cơ bản : roi = (xo,yo,zo,1) T Ta có:
TrA = ∑ 4 𝑖=1 𝑎 𝑖𝑖 ; 𝑈 𝑖𝑗 𝑣 = 𝑇 𝑜𝑗−1 𝐷 𝑗 𝑇 𝑗−1𝑖 (2.11) Đối với khớp quay:
] (2.12) Đối với khớp tịnh tiến:
Với: ∫ 𝑟 𝑖𝑖 𝑟 𝑖𝑖 𝑇 𝑑𝑚 là ma trận quán tính Ji của khâu i:
Vì động năng của robot bằng tổng đại số động năng của các khâu trên:
Thế năng Pi của khâu i:
𝑃 𝑖 = −𝑚 𝑖 𝑔𝑟 𝑖𝑖 = −𝑚 𝑖 𝑔(𝑇 𝑜𝑖 𝑟 𝑖𝑖 ) (𝑖 = 1,2,3,4) (2.17) Với g là vecto gia tốc trọng trường: g=(0,0,-g,0)
Suy ra thế năng của cơ cấu robot:
Phương trình động lực học cơ cấu robot SCARA
Thay (2.9) và (2.11) vào (2.6) ta được:
𝐹 𝑀 (𝑡) là vec tơ (4x1) lực động tạo nên ở 4 khớp động:
𝐹 𝑀 (𝑡) = [𝐹 𝑀1 (𝑡), 𝐹 𝑀2 (𝑡), 𝐹 𝑀3 (𝑡), 𝐹 𝑀4 (𝑡)] T (2.21) 𝑞(𝑡) là vec tơ (4x1) biến khớp:
𝑞(𝑡) = [𝑞 1 (𝑡), 𝑞 2 (𝑡), 𝑞 3 (𝑡), 𝑞 4 (𝑡)] T (2.22) 𝑞̇(𝑡) là vecto (4x1) tốc độ thay đổi của biến khớp:
𝑞̇(𝑡) = [𝑞 1 ̇ (𝑡), 𝑞 2 ̇ (𝑡), 𝑞 3 ̇ (𝑡), 𝑞 4 ̇ (𝑡)] T (2.23) 𝑞̈(𝑡) là vecto (4x1) gia tốc của biến khớp:
𝑞̈(𝑡) = [𝑞 1 ̈ (𝑡), 𝑞 2 ̈ (𝑡), 𝑞 3 ̈ (𝑡), 𝑞 4 ̈ (𝑡)] T (2.24) D(q) là ma trân (4x4) có các phần tử Dik như nhau:
ℎ(𝑞, 𝑞̇) là vecto (4x1) lực ly tâm và Coriolit
𝑐(𝑞) là vecto (4x1) lực trọng trường
Từ (2.27), (2.28), (2.29) và (2.30) ta thiết lập đựơc phương trình động lực học của cơ cấu robot SCARA.
Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot
Hệ thống điều khiển của robot có chức năng đảm bảo rằng tay robot di chuyển theo quỹ đạo đã được xác định trong không gian làm việc Chuyển động này được thực hiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot Có hai loại hệ thống điều khiển chuyển động: điều khiển ở không gian khớp và điều khiển ở không gian làm việc Trong hệ thống điều khiển khớp, đại lượng điều khiển là vị trí của khớp robot, bao gồm góc quay cho khớp quay và độ dịch chuyển thẳng cho khớp tịnh tiến Bộ điều khiển được thiết kế để duy trì vị trí khớp bám sát vị trí đặt, với sai lệch tối thiểu Vị trí đặt của khớp được xác định thông qua tính toán động học ngược từ vị trí của tay robot trong không gian làm việc.
Hệ thống điều khiển ở không gian khớp có ưu điểm là bộ điều khiển tác động trực tiếp đến hệ thống truyền động của khớp Tuy nhiên, nó gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác vị trí của tay robot khi có sai lệch cơ khí hoặc thiếu thông tin về mối quan hệ vị trí giữa tay robot và đối tượng Trong khi đó, hệ thống điều khiển không gian làm việc có chức năng duy trì sai lệch vị trí của tay robot ở mức không Lượng đặt của hệ thống điều khiển vị trí bao gồm vị trí mong muốn của tay trong không gian làm việc và vị trí phản hồi thực tế của tay Khâu tính toán động học ngược sẽ được thực hiện trong mạch vòng điều khiển phản hồi.
Hệ thống điều khiển không gian làm việc có ưu điểm là tác động trực tiếp lên các biến không gian, giúp cải thiện hiệu suất Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp này là khối lượng tính toán cao, do cần thực hiện tính toán động học ngược trong mạch vòng điều khiển.
2.3.1 Hệ thống điều khiển độc lập các khớp a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm ba mạch vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị trí, tương ứng với ba bộ điều khiển Ra(p), Rw(p) và Rp(p) Bộ điều khiển trong cùng Ra(p) được thiết kế theo dạng tỷ lệ - tích phân (PI) nhằm đảm bảo sai lệch tĩnh bằng không Trong khi đó, các bộ điều khiển vòng ngoài có thể sử dụng cấu trúc tỷ lệ (P) Các hệ số Ka, Kw và Kp lần lượt đại diện cho hệ số phản hồi của gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.
Cấu trúc các bộ điều khiển có dạng:
Rp(p) = KRp, Rw(p) = KRw, Ra = 𝐾 𝑅𝑎 1+𝑇 𝑅𝑎 𝑝
Phương pháp điều khiển phản hồi áp dụng cho mô hình hệ thống lý tưởng, bỏ qua hằng số thời gian của động cơ và bộ biến đổi, cũng như tính đàn hồi của bộ truyền lực Để đạt hiệu quả, hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn, nhưng trong thực tế, phương pháp này không thích hợp do chất lượng hệ thống bị suy giảm bởi đặc tính động học của hệ thống cơ điện.
Phương pháp này không đáp ứng được độ chính xác với gia tốc và tốc độ khớp cao b) Hệ thống điều khiển tiền định
Hệ thống điề khiển tiền định gồm 3 vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị trí khớp
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định Hàm truyền hệ thống kín có dạng:
Hệ thống điều khiển bù tiền định giúp giảm sai số vị trí với chỉ một tham số KD Để đạt độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo, các tham số trong bộ điều khiển và khâu bù tiền định cần phải tương ứng với tham số của đối tượng Sự sai lệch về tham số sẽ làm giảm độ chính xác bám quỹ đạo Các khâu bão hòa trong hệ thống điều khiển có vai trò giới hạn các đại lượng như tốc độ, gia tốc và điện áp động cơ trong quá trình quá độ Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển tiền định cơ bản, ta có thể phát triển sơ đồ hệ thống điều khiển PIDD 2, một dạng hệ thống điều khiển chuẩn trong công nghiệp.
2.3.2 Hệ thống điều khiển tập trung a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển này có khả năng bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành, với chức năng chính là tạo ra momen cần thiết để điều khiển khớp robot Điều này đảm bảo rằng khớp robot luôn duy trì vị trí đã được xác định.
Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD
Hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc PD đơn giản được thiết lập với giả thiết momen trọng lực G(p) đã được bù hoàn toàn Tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí thực của khớp q, và sai lệch này được đưa vào khâu khuếch đại với hệ số Kp Tín hiệu ra từ khâu tỷ lệ được cộng với tín hiệu tỷ lệ với tốc độ của khớp và truyền đến cơ cấu chấp hành của robot Một dạng hệ thống điều khiển khác bổ sung thêm tín hiệu đặt tốc độ và sai lệch tốc độ vào khâu khuếch đại KD, giúp hệ thống ổn định toàn cục Để cải thiện độ chính xác, cần tăng hệ số Kp, tuy nhiên, Kp và KD lớn có thể làm giảm độ ổn định và chất lượng quá độ, dẫn đến hiện tượng quá điều chỉnh và thời gian quá độ tăng Ngoài ra, ảnh hưởng của momen trọng lực cũng làm giảm chất lượng hệ thống Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển PD, bộ điều khiển cấu trúc PID được áp dụng.
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ b) Hệ thống điều khiển momen tính toán
Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển này là lựa chọn luật điều khiển nhằm khử các thành phần phi tuyến của phương trình động lực học robot và phân ly đặc tính động lực học các thanh nối Điều này giúp tạo ra một hệ thống tuyến tính, dễ dàng thiết kế theo các phương pháp kinh điển, đảm bảo độ chính xác yêu cầu Phương trình mô tả bộ điều khiển moment tính toán.
Phương pháp này có nhược điểm là yêu cầu phải nắm rõ các thông số và đặc tính động lực học của robot Những thông số này có thể thay đổi trong quá trình hoạt động, do đó để loại bỏ hoàn toàn các thành phần phi tuyến và phân ly động lực học của các khớp, cần phải ước lượng chính xác các thông số của robot trong suốt quá trình làm việc.
Thuật toán tính toán luật điều khiển momen tính toán sẽ liên quan đến các phép toán trung gian nên khối lượng tính toán sẽ lớn
Vì vậy phương pháp này sẽ khó áp dụng được trong các robot công nghiệp c) Hệ thống điều khiển bù trọng lực với bộ điều khiển PD
Mục tiêu của phương pháp này là xác định cấu trúc bộ điều khiển nhằm đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt đối quanh điểm cân bằng, không phụ thuộc vào khối lượng của các thanh nối và tải Luật điều khiển được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn ổn định Liapunov trực tiếp.
Mức độ ổn định và chất lượng quá trình động phụ thuộc vào giá trị Kp và KD
Hệ thống điều khiển bù trọng lực với cấu trúc PD có chất lượng quá trình quá độ kém, không phù hợp cho ứng dụng trong robot công nghiệp.
Kết luận Đối với hệ thống điều khiển độc lập các khớp:
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi chỉ hiệu quả trong các trường hợp lý tưởng Khi áp dụng cho robot thực tế, chất lượng điều khiển thường thấp và không đáp ứng được yêu cầu.
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển tiền định giúp khắc phục nhược điểm về độ chính xác so với hệ thống điều khiển phản hồi, cho phép đạt được độ chính xác di chuyển cao với gia tốc và tốc độ khớp lớn Nhờ đó, hệ thống điều khiển PIDD 2 đã trở thành tiêu chuẩn phổ biến trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống điều khiển tập trung.
- Với phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển phản hồi sử dụng bộ điều khiển PID sẽ đáp ứng được độ chính xác cao của hệ thống
Phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển bằng momen tính toán gặp khó khăn trong việc ước lượng thông số và thực hiện tính toán, dẫn đến hiệu quả không cao và hạn chế khả năng áp dụng trong ngành công nghiệp.
- Với phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển bù trọng lực với bộ điều khiển
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN
Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mô hình hóa
Để xây dựng mạch vòng tốc độ, trước tiên cần tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn modul tối ưu Sau đó, dựa trên các thông số đã mô phỏng, ta tiến hành xây dựng mạch điều khiển cho vòng tốc độ.
Rϕ 𝑅 𝜔 𝑅 𝐼 BBĐ Đo dòng Đo tốc độ Đo vị trí ĐộngCơ Encoder
R : Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng
Ru: Điện trở phần ứng
J: Moment quán tính của động cơ
Ti = R.C: Hằng số thời gian của mạch RC
Tv: Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu
Hình 3.3 Sơ đồ thu gọn của vòng điều chỉnh dòng điện
Từ sơ đồ trên ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện:
(3.1) Thay Tsi = Ti + Tv
