Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước Sử dụng giải thuật di truyền tìm kiếm thông số PID điều khiển robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

TỔNG QUAN

Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp hiện đại không thể thiếu sự hỗ trợ của các tay máy công nghiệp Robot SCARA là một ví dụ điển hình với khả năng hoạt động linh hoạt, chính xác và dễ điều khiển, dẫn đến việc ứng dụng ngày càng rộng rãi Chính vì vậy, tác giả đã chọn Robot SCARA làm đối tượng nghiên cứu trong khóa luận này.

1.1.1 Một số kết quả nghiên cứu trong nước

Thông qua các kênh thông tin trực tuyến, tạp chí khoa học và luận văn, có nhiều tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu của tác giả.

 Nghiệm thu dự án Thiết kế chế tạo Robot Scara 3 và 4 bậc tự do [7]

Trong hu n hổ chương tr nh chế tạo Robot c ng nghiệp, ngày 04 0 2013,

Sở Khoa học và C ng nghệ thành phố đã tổ chức nghiệm thu dự án “T

S 3 4 ” do ThS han Văn Đức làm chủ nhiệm dự án và C ng ty TNHH

Sản xuất Thương mại D ch vụ AUTE làm Cơ quan chủ tr Sản ph m dự án g m:

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 2

1 tay máy Scara 3 bậc tự do, 1 tay máy Scara 4 bậc tự do và m theo bộ tài liệu g m 1 bài thực hành cơ bản

Hình 1.1: Robot Scara 3 và 4 b c t do Ở , PID ô ố PID ượ ú ừ ươ S , ũ ã ờ ằ ươ ì ô ố PID ù ợ Q ũ ỉ ừ l ở R ê De ì ă ườ ê ườ , ặ l e q ò ằ ươ ọ ượ ( PID ị í) K q ượ : Đ í ị ị l

 Robot Việt Nam dự triển lãm lớn nhất thế giới [8]

Four "made in Vietnam" industrial robot models participated in the International Robot Exhibition (IREX 2009), the world's largest robot exhibition held at Tokyo Big Sight, Japan, from November 25 to 28, 2009.

Công ty CP Robot TOSY Việt Nam vừa giới thiệu các sản phẩm robot mới, bao gồm Arm Robot đa năng có khả năng thực hiện nhiều công việc như hàn, sơn, lắp ráp, đóng gói, di chuyển vật liệu và xếp dỡ pallet Bên cạnh đó, SCARA Robot và Parallel Robot được thiết kế với tốc độ cao, chuyên dụng cho việc gắp sản phẩm trên băng chuyền với độ chính xác lên đến 0,1 mm, tầm hoạt động từ 0,6 đến 2 mét và khả năng tải trọng từ 1 đến 30 kg.

Robot nhảy TOSY, được tạp chí Popular Science Magazine vinh danh là sản phẩm được yêu thích nhất, đã thu hút sự chú ý khi xuất hiện trên các kênh truyền hình lớn của Mỹ như Fox News, NBC và MTV tại triển lãm CES 2013 Sản phẩm này sử dụng công nghệ cảm biến âm thanh tiên tiến.

 Nghiên cứu ứng dụng chuyển động của cánh tay người cho Robot [5]

Mạng thần kinh (Neural network) được phát triển để điều khiển cánh tay robot, nhằm tạo ra các đường di chuyển cho robot Nghiên cứu này sử dụng mạng thần kinh nhiều lớp với phương pháp lan truyền ngược (backpropagation) để tạo ra các đường chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng, dựa trên bộ dữ liệu chuyển động của cánh tay.

Mạng thần kinh đã được huấn luyện để tạo ra các chuyển động theo thời gian thực, dựa trên dữ liệu chuyển động cánh tay người thu được từ hệ thống chụp chuyển động VICON Các chuyển động này được phân loại thành hai loại: loại I, với chuyển động cánh tay đơn giản, có thể lặp lại ổn định nhưng có độ chính xác chưa cao (1.2 cm trên 10 lần lấy mẫu); và loại II, với chuyển động phức tạp hơn, yêu cầu mạng thần kinh được điều chỉnh trước khi thực hiện Một thuật toán huấn luyện hiệu quả đã được phát triển, cho phép tạo ra những chuyển động giống như cánh tay con người.

 Nghiên cứu chế tạo Robot 5 bậc tự do [6]

Luận văn này trình bày quá trình xây dựng cánh tay máy 5 bậc tự do với phương pháp điều khiển điểm đến điểm sử dụng kỹ thuật PWM Tác giả đã phát huy khả năng thiết kế và kỹ năng sử dụng công cụ hỗ trợ, đồng thời thực hành gia công chi tiết và sử dụng các cơ cấu một cách linh hoạt Qua việc điều khiển động cơ RC servo dựa trên nền tảng vi điều khiển, tác giả đã phát triển tư duy lập trình và tính toán, kết hợp hài hòa giữa cơ khí và điện tử Luận văn không chỉ thể hiện mối liên hệ vững chắc giữa lý thuyết và thực hành mà còn giúp tác giả áp dụng lý thuyết vào thực tế và kiểm tra lại các khái niệm lý thuyết thông qua thực hành.

Hì 1.3: R 5 Đâ í l l ướ â ủ T l ă ẫ ò ươ ơ (PMW), q ơ ( ) í ễ ADC â ở ớ ớ ượ l ở, í lặ l ủ l 2.1 ê

15 lầ l ẫ ; N ễ ADC ũ â ì lắ q ì ọ … ư ũ í l ê ứ ắ ữ ê â í ọ ằ (GA) ằ ì ô ố PID SCARA e q ì ò ở l lầ ẽ ô ở l í ADC ằ â ễ ADC ô ố

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

 Vibration Control Comparison Of A Single Link Flexible Manipulator Between Fuzzy Logic Control And Pole Placement Control [8]

Bài viết trình bày hai phương pháp điều khiển là Fuzzy Logic và Đặt cực để kiểm soát dao động và sai lệch ở các khớp đơn Qua việc so sánh, nhóm tác giả đã xây dựng thuật toán trên nền tảng MATLAB Simulink và lựa chọn phương pháp Fuzzy Logic Kết quả cho thấy rằng phương pháp Fuzzy Logic hiệu quả hơn đáng kể trong việc kiểm soát dao động và sai lệch so với phương pháp Đặt cực Tham khảo bảng 1.1.

Kết quả: hương pháp điều khiển

Vọt lố (đơn v độ) với tải trọng 0g

Vọt lố (đơn v độ) với tải trọng 30g

Sai lệch tối đa (đơn v độ) với tải trọng 0g

Sai lệch tối đa (đơn v độ) với tải trọng 30g

Bảng 1.1: Kết quả của hai phương pháp Fuzzy logic và đặt cực

 From Motion Planning to Kinematic control of SCARA robot [9]

Các công nghệ mới trong robot yêu cầu hệ thống ngày càng thông minh hơn, kết hợp nhiều hệ thống phụ để mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Việc phát triển các ứng dụng cụ thể cho robot là cần thiết, và bài viết này trình bày cách thay thế ứng dụng cho robot bằng tay thông qua nhiều kỹ thuật như hoạch định chuyển động, hoạch định và kiểm soát quỹ đạo mục tiêu Điều này bao gồm cấu hình một robot SCARA và thực hiện xác nhận mô phỏng.

Bài báo này trình bày về quỹ đạo điểm đến điểm và quỹ đạo đa điểm, với vận tốc được đề xuất theo dạng tam giác Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là chỉ đưa ra quỹ đạo dạng mô phỏng mà chưa được kiểm chứng thực tế Phương pháp điều khiển áp dụng là động lực học vị trí, sử dụng bộ điều khiển ID.

Hình 1.5: V n tốc với biên d ng tam giác

Hình 1.6: H thố u khi n vòng lặp

 Trajectory Planning Design Equations and Control of a 4 - axes

Bài báo này trình bày thiết kế quỹ đạo di chuyển cho robot SCARA 4 trục trong môi trường phòng thí nghiệm, tập trung vào việc tạo ra quỹ đạo di chuyển liên tục cho cánh tay robot từ điểm đến điểm trong không gian làm việc Mục tiêu là tránh tất cả chướng ngại vật trên quỹ đạo di chuyển, đồng thời áp dụng động học thuận để xác định vị trí và hướng của cánh tay robot trong không gian 3D Bài viết cũng đề cập đến động học ngược để xử lý các biến khớp, đảm bảo sự chính xác trong việc điều khiển vị trí và định hướng Tuy nhiên, kết quả chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng, mà chưa có thông tin về kết quả thực nghiệm.

Hình 1.9: H thống Robot SCARA và máy tính

Hình 1.10: Qu o di chuy n của Robot SCARA

Hình 1.11 thể hiện mối quan hệ giữa vị trí, vận tốc và gia tốc theo thời gian Phương trình quãng đường có dạng bậc 3: \( a*t^3+b*t^2+c*t+d=P \), trong đó \( a=-6 \), \( b=0 \), và \( d=0 \) Vận tốc được mô tả bằng phương trình bậc 2: \( a*t^2+b*t+c+d/t=V \) Gia tốc, là đạo hàm của vận tốc, có dạng bậc nhất: \( 2a*t+b-d/t^2=A \).

Giới thiệu về luận văn

Nghiên cứu và phát triển chương trình mô phỏng sử dụng thuật toán di truyền (GA) nhằm xác định bộ thông số PID cho việc điều khiển tay máy SCARA theo quỹ đạo đường tròn trong môi trường Matlab.

- Kiểm chứng kết quả của giải thuật di truyền trên mô hình thực Robot SCARA

1.2.2 Nhiệm vụ giới hạn của đề tài Đề tài “Sử dụng giải thuật GA tìm kiếm thông số ID điều khiển Robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước” đưa ra ết quả mô phỏng Từ đó, thi c ng và thực nghiệm kết quả mô phỏng trên mô hình thực tế

Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu:

Nhiệm vụ mô hình hóa mô phỏng:

 Tìm ra mô hình toán của hệ thống

 Xây dựng giải thuật tìm kiếm GA

Về phần thiết kế cơ khí đặt ra những nhiệm vụ như sau:

 Thiết kế Robot SCARA trên AutoCAD và Solidworks

 Xây dựng mô hình hoàn chỉnh

 Kiểm tra khả năng hoạt động của mô hình

Về phần mạch điều khiển:

 Thiết kế mạch điện trên OrCAD và sử dụng module PIC18F4431 có bán trên th trường

 Lắp ráp mạch điều khiển tay máy, mạch công suất và mạch giao tiếp

Lập trình bằng ngôn ngữ C, C#:

 Chương tr nh tự động bám theo quỹ đạo đã cho trước

Phương pháp thực hiện được chia thành 3 giai đoạn như sau:

 Nghiên cứu tổ q chọ tài nghiên cứu

 Xây d ng mô hình, ki m chứ ,

* Nghiên cứu tổng quan: Để đáp ứng các mục tiêu, nhiệm vụ đã đề ra, tác giả tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn đề sau:

 Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan đến Robot SCARA và các kết quả nghiên cứu đã c ng bố

 Nghiên cứu và lựa chọn giải thuật cho đề tài

 Lập trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm Matlab

 Nhận xét kết quả mô phỏng - kết luận

 Lập tr nh điều khiển cho Robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

 Nhận xét kết quả thực nghiệm - kết luận

* Thiết kế bộ điều khiển:

Sau khi nắm vững cấu trúc và các phương pháp điều khiển robot tác giả tiến hành thiết kế bộ điều khiển phù hợp với đề tài đã chọn

* Xây dựng mô hình, kiểm chứng và đánh giá:

C ước xây d ng mô hình:

- Lập trình và mô hình hóa mô phỏng trên m i trường Matlab

Cuối cùng, chúng ta cần kết hợp phần cơ khí và phần điều khiển để tạo ra một mô hình hoàn chỉnh Trong quá trình này, việc cân chỉnh giữa phần điều khiển và cấu trúc phần cứng là rất quan trọng để đảm bảo tính hợp lý và hiệu quả của hệ thống.

Sau khi hoàn thành việc xây dựng mô hình, tác giả tiến hành kiểm tra và đánh giá độ chính xác của nó Qua đó, tác giả nhận diện được những ưu điểm và nhược điểm của tay máy, từ đó định hướng các biện pháp khắc phục và phát triển tiếp theo.

1.2.4 Tính mới của luận văn

Sử dụng giải thuật GA tìm kiếm thông số ID điều khiển Robot SCARA bám theo quỹ đạo cho trước

Nghiên cứu về lĩnh vực cánh tay Robot, đặc biệt là SCARA Robot, giúp tôi hiểu rõ hơn về ứng dụng, khả năng điều khiển và phương pháp điều khiển của nó Đề tài nghiên cứu này được giới hạn trong phạm vi kiến thức và thời gian có hạn, tập trung vào việc tối ưu hóa thông số PID bằng thuật toán GA, đồng thời đánh giá kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm trên mô hình thực tế.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID)

Bộ điều khiển PID tính toán sai số bằng cách xác định hiệu số giữa giá trị đo được và giá trị mong muốn Mục tiêu của bộ điều khiển là giảm thiểu sai số này thông qua việc điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong đó, ̇ ∫ và ̇ đại diện cho sai số theo tốc độ.

Điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi là một tập hợp các kỹ thuật tự động điều chỉnh bộ điều khiển trong mạch điều khiển, nhằm duy trì chất lượng ổn định của hệ thống khi các thông số của quá trình điều khiển không được biết trước hoặc thay đổi theo thời gian.

Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA) [17]

Giải thuật di truyền là phương pháp t m iếm trên không gian giả thuyết để xác đ nh tập giả thuyết tốt nhất

Giải thuật di truyền (GA) có cấu trúc chung mặc dù được điều chỉnh cho từng bài toán cụ thể Quá trình này liên tục cập nhật quần thể giả thuyết, trong đó mỗi cá thể được đánh giá dựa trên hàm thích nghi Qua mỗi vòng lặp, quần thể mới được hình thành bằng cách lựa chọn các cá thể có độ thích nghi cao nhất từ quần thể hiện tại, và một số cá thể sẽ được chuyển giao để tạo ra sự đa dạng trong quần thể.

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 15 sẽ giữ nguyên tập giả thuyết mới, trong khi những cá thể còn lại sẽ được sử dụng làm cơ sở để tạo ra các mẫu dữ liệu mới thông qua phương pháp lai ghép và đột biến.

// Fitness: H ướ lượng cho m t gi thuy t

// Fitness_threshold: N ưỡ ịnh vi c k t thúc gi i thu t tìm ki m // p: Số cá th trong quần th gi thuy t

// r: Phần cá th ược lai ghép ở mỗ ước

// m: Tỉ l cá th bị t bi n

- Khởi tạo quần thể: P (Tạo ngẫu nhiên p cá thể giả thuyết)

- Ước lượng: Ứng với mỗi h trong P, tính Fitness(h)

- while [max Fitness(h)] < Fitness_threshold do

1 Chọn cá th : chọn theo xác suất (1 – r)p cá thể trong quần thể P thêm vào P S Xác suất Pr(h i ) của giả thuyết h i thuộc được tính bởi công thức:

2 Lai ghép: chọn lọc theo xác suất cặp giả thuyết từ quần thể P, theo Pr(h i ) đã tính ở bước trên Ứng với mỗi cặp , tạo ra hai con bằng cách áp dụng toán tử lai ghép Thêm tất cả các con vào P S

3 Đ t bi n: Chọn m% cá thể của PS với xác suất cho mỗi cá thể là như nhau Ứng với mỗi cá thể biến đổi một bit được chọn ngẫu nhiên trong cách thể hiện của nó

5 Ướ lượng: Ứng với mỗi h trong P, tính Fitness(h)

- Trả về giả thuyết trong có độ thích nghi cao nhất

Cơ sở lý thuyết Robot

Đây là robot có cấu hình kiểu RR, cánh tay chuyển động xoay xung quanh trục đứng Hệ tọa độ gắn lên các hâu như h nh vẽ:

Hình 2.1: Mô hình ng học robot SCARA 2 khớp quay

Xác định tham số động học thuận tay máy dùng phương pháp Denavit-

Bảng thông số DH của robot được xác đ nh như sau: thanh (khâu)  i  i a i d i

Hình 2.2: Hình chi u c nh mô hình ng học robot SCARA 2 khớp quay

Hình 2.3: Hình chi u bằng mô hình ng học robot SCARA 2 khớp quay

 Hệ {0} được gắn vào đế robot

 Hệ {1} được gắn vào cuối của khâu 1

 Hệ {0} được gắn vào cuối của khâu 2

Phương trình động học thuận là công cụ quan trọng trong việc xác định vị trí và hướng của tay robot thông qua các biến khớp, bao gồm góc quay của khớp quay và độ dịch chuyển tịnh tiến của khớp tịnh tiến Bằng cách sử dụng phương trình này, khi biết vị trí của các khớp, ta có thể dễ dàng xác định được vị trí và hướng của tay robot.

Quan hệ giữa hai khung toạ độ o 1 x 1 y 1 z 1 và o 0 x 0 y 0 z 0 được xác đ nh như sau:

Quay xung quanh trục z 0 một góc  1 sao cho trục x 0 trùng với phương chiều của trục x 1 , tham khảo hình 2.2

T nh tiến dọc theo trục x 1 (phương pháp tuyến chung) một đoạn bằng a 1 vậy phép biến đổi tổng hợp như sau:

: phép biến đổi từ hệ {0} sang hệ {1} trong đó: rot(z 0 ,  1 ) là phép quay quanh trục z 0 một góc  1

(2.3) trans(a 1 ,0,0) là phép t nh tiến khung toạ độ o 0 x 0 y 0 z 0 theo trục x 0 một đoạn bằng a 1 trans(a 1 ,0,0) 

(2.4) vậy được tính như sau:

= rot(z 1 ,  2 ) trans (a 1 ,0,0) HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 19

(2.6) Quan hệ giữa hai khung toạ độ o 2 x 2 y 2 z 2 và o 1 x 1 y 1 z 1 được xác đ nh như sau: Quay xung quanh trục z 1 một góc  2 sao cho trục x 1 trùng với phương của trục x 2

T nh tiến dọc theo trục x 2 (phương pháp tuyến chung) một đoạn bằng a 2 Vậy phép biến đổi tổng hợp như sau:

= rot(z 1 ,  2 ) trans (a 2 ,0,0) (2.7) rot(z 1 ,  2 ) là phép quay quanh trục z 1 một góc  2 rot(z 1 , 2) 

(2.8) trans(a 2 ,0,0) là phép t nh tiến khung toạ độ o 1 x 1 y 1 z 1 theo trục x 1 một đoạn bằng a 2 trans(a 2 ,0,0) 

(2.9) vậy được tính như sau:

= rot(z 1 ,  2 ) trans (a 2 ,0,0) HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 20

2 2 sin a cos sin cos a sin cos

(2.11) hương tr nh động học thuận được xác đ nh như sau:

1 sin a cos sin cos a sin cos

(2.12) Nhân hai ma trận trên và rút gọn ta có:

1 sin a sin a cos sin cos a cos a sin cos hay:

Như vậy hệ phương tr nh động học thuận của robot như sau: n x = cos ( 1 +  2 ) n y = sin ( 1 +  2 ) n z = 0 o x = - sin ( 1 +  2 ) o y = cos ( 1 +  2 ) Hướng o z = 0 a x = 0 a y = 0 a z = 1 p x = a 1 cos 1 + a 2 cos ( 1 +  2 ) p y = a 1 sin 1 + a 2 sin ( 1 +  2 ) V trí p z = 0

Xây dựng phương trình động học ngược cho robot là quá trình xác định các giá trị biến khớp dựa trên vị trí và hướng mong muốn của tay robot Tuy nhiên, phương trình động học ngược thường gặp khó khăn trong việc giải quyết và không có lời giải chung cho tất cả các loại robot.

Ta thấy rằng ma trận đã biết, tức là v trí và hướng của khung toạ độ tay robot, cần xác đ nh giá tr các biến khớp 1 và 2:

Nhân hai vế của phương tr nh trên với ma trận ngh ch đảo của ma trận là ( ) -1 ta có phương tr nh sau:

P a o n cos P sin P cos a sin a cos o sin o cos n sin n a sin P cos P sin a cos a sin o cos o sin n cos n

Cân bằng hai vế của hai ma trận tại cột thứ 4 ta được hệ phương tr nh sau:

Với các thông số p x , p y và a 1 , a 2 đã biết giải hệ phương tr nh này ta được các biến khớp  1 và  2 như sau: ta có:

B nh phương hai vế 3.17 và cộng vế theo vế ta được:

B nh phương hai vế và cộng vế theo vế của 3.1 ta được:

Tác giả sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển SCARA Robot, một giải pháp phổ biến trong công nghiệp hiện nay Qua quá trình nghiên cứu, tác giả nhận thấy nhiều thuật toán tìm kiếm thông số PID mà trước đây chưa biết, trong đó giải thuật di truyền được lựa chọn cho đề tài này Trước đây, việc xác định thông số PID thường yêu cầu xây dựng hàm truyền dựa trên mô hình với đầy đủ thông tin, gây khó khăn cho tác giả, đặc biệt khi mô hình là hộp đen hoặc hệ thống phức tạp Tuy nhiên, với giải thuật di truyền, vấn đề này sẽ được giải quyết hiệu quả hơn.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

Trong chương này, tác giả sẽ xây dựng mô hình toán cho Robot SCARA 2 bậc tự do và thiết kế bộ điều khiển theo quỹ đạo tròn Mục tiêu là chuẩn bị cho nhiệm vụ mô phỏng ở chương tiếp theo Cuối chương, tác giả sẽ lưu lại giải thuật di truyền phục vụ cho lập trình mô phỏng trong chương 4.

Xây dựng mô hình toán

Hình 3.1: Hình chi u bằng Robot Scara

Các thông số được cho như sau:

= 0,0028Kg.m 2 : Moment quán tính của cánh tay 1

= 0,0017 Kg.m 2 : Moment quán tính của cánh tay 2 = 0,001 Kg.m 2 : Moment quán tính của tải trọng

M e q í ối với thanh dẫ ồng ch t có tr c quay ở m ầu thanh

Trong bài viết này, chúng ta xem xét hệ thống cơ học với các thông số như sau: khối lượng tải m = 0,05 Kg, khối lượng của thanh nối 1 và 2 lần lượt là m1 = 0,5 Kg và m2 = 0,3 Kg Chiều dài cánh tay 1 và 2 đều là a1 = a2 = 0,13 m Khoảng cách từ trọng tâm của thanh nối đến khớp quay thứ i được ký hiệu là agi, và hệ số truyền động của khớp nối 2 là ke = 1.

V 1 = 1Kg.m 2 /s: Hệ số ma sát của khớp nối 1

V 2 = 0,5Kg.m 2 /s: Hệ số ma sát của khớp nối 2

Tín hiệu vào moment của 2 động cơ DC (hoặc điện áp)

Tín hiệu ra là góc của hai hớp

Tính động năng và thế năng từng khớp:

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 28 hương tr nh động lực học của Robot SCARA như sau: ̇ ̇

Trong hệ thống robot, q1 và q2 đại diện cho góc quay của hai trục động cơ DC cũng như góc quay của hai khớp xoay Do tỷ số truyền giữa chúng là 1:1, nên mô-men xoắn cần thiết phải được tạo ra tại các khớp động để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot.

Vậy phương tr nh động lực học của cánh tay robot là: ̇ ̈

Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo hình tròn

Mục đích điều khiển là tín hiệu ra y(t) bám theo quỹ đạo thiết kế u(t) Để cánh tay Robot di chuyển theo quỹ đạo hình tròn, ta có:

{ trong đó: r là bán ính đường tròn, t là thời gian di chuyển

  và tọa độ điểm trong vùng làm việc của cánh tay Robot được xác đ nh bởi:

Tọa độ điểm trong vùng làm việc: {

Mô hình giải thuật điều khiển GA-PID

Chúng tôi áp dụng giải thuật di truyền (GA) để xác định các hệ số Kp, Ki và Kd phù hợp với yêu cầu của hệ thống Đầu vào của giải thuật GA là sai số góc quay tương ứng với ba đầu ra Kp, Ki.

K d cho bộ điều khiển PID

Hình 3.2: Mô hình gi i thu u khi n GA-PID

MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG

Sơ đồ mô phỏng Simulink

Hình 4.1: Mô hình hóa mô phỏng bằng Simulink

Các thông số của bộ PID, cùng với sai số e1 và e2, được kết nối với Workspace Khi chạy chương trình thuật toán tìm kiếm GA dưới dạng m-file, kết quả sẽ được xuất ra để phục vụ cho việc mô phỏng trong Simulink Các thông số cần thiết được cập nhật từ Workspace Khối Robot Arm bao gồm các thông tin về tay máy như chiều dài, khối lượng và moment quán tính Hướng đi của quỹ đạo hình tròn được thiết lập trong khối Subsystem1.

Hình 4.2: C u hình các thông số cho khối Robot Arm

Hình 4.3: Thi t l ươ ì q o hình tròn

B ng 4.1: K t qu tìm ki m bằng gi i thu t GA Kết quả mô phỏng:

Hình 4.4: Qu o di chuy n củ ầu công tác

Hệ thống đã được thống kê đáp ứng ngõ ra như thể hiện trong bảng 4.2 Ứng dụng yêu cầu vọt lố h ng vượt quá 25%, và kết quả cho thấy đáp ứng ngõ ra đã đáp ứng đầy đủ yêu cầu của bài toán.

Vọt lố Thời gian xác lập Thời gian tăng lên

B ng 4.2: Thông số áp ứng ngõ ra

Hình 4.6: Tín hi u khi n khớp 1

Moment khớp 1 được kích hoạt ở 0,1s đầu và sau đó ổn đ nh ở 0

Hình 4.7: Tín hi u khi n khớp 2

Moment ở khớp 2 sẽ ích thích động cơ quay ngược chiều kim đ ng h để bám tham theo biên dạng 0,2 đơn v

Kiểm tra hệ thống với nguồn xung vuông (Pulse Generator)

Đáp ứng ngõ ra của hệ thống không thể theo kịp tín hiệu ngõ vào dạng xung vuông do thời gian đáp ứng là 4.5 giây, trong khi chu kỳ của nguồn xung vuông chỉ là 2 giây Điều này dẫn đến hiện tượng ngõ ra không đồng bộ với tín hiệu ngõ vào.

Hình 4.9: Qu o củ ầu công tác khi dùng nguồn xung vuông

>> Quỹ di chuyển sai khác rất nhiều khi ta sử dụng ngu n xung vông Đầu công tác dã không bám theo quỹ đạo h nh tròn như mong muốn

Kiểm tra hệ thống với nguồn xung tam giác

Hình 4.10: Đ ứng ngõ ra với nguồn xung tam giác

Khi sử dụng ngu n xung tam giác, hệ thống cho ra ngõ ra dạng sóng Sin với chu kỳ 1 giây, đạt được kết quả như mong đợi Tuy nhiên, do đáp ứng của hệ thống chậm, nó không thể theo kịp tín hiệu có biến động liên tục hoặc chu kỳ nhỏ hơn thời gian xác lập 4.5 giây.

Hình 4.11: Qu o củ ầu công tác khi dùng nguồn xung tam giác

Khi áp dụng ngu n xung tam giác, quỹ đạo của robot SCARA không còn đơn thuần là hình tròn Do đó, phương pháp này không thể được sử dụng để điều khiển robot SCARA theo quỹ đạo tròn.

Kiểm tra hệ thống với nguồn sóng sin (Sin wave)

Hình 4.12: Đ ứng ngõ ra với nguồn sóng sin

Tín hiệu đã b triệt tiêu ở bán âm, đáp ứng ngõ ra hệ thống ở bán kỳ dương là tương đối ổn

Hình 4.13: Qu o củ ầu công tác khi dùng nguồn sóng sin

>> Khi ta sử dụng ngu n sóng sin thì biên dạng đã có dạng hình tròn

Kiểm tra hệ thống với hàm bước (Step)

Hệ thống có đáp ứng ngõ ra tương đối tốt với vọt lố đạt 20,6% và thời gian đáp ứng là 3 giây, cho thấy kết quả đã đáp ứng được yêu cầu.

>> Sử dụng hàm bước sẽ cho ra quỹ đạo tròn như mong muốn.

Giao diện điều khiển giám sát bằng Visual #

Hình 4.16: Giao di u khi n và giám sát

THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG

Giới thiệu sơ bộ về mô hình

Hình 5.1: Mô hình thi t k 3D Robot SCARA

Hình 5.2: Mô hình Robot SCARA th c t

Vật liệu sử dụng chủ yếu là mika Loại động cơ được sử dụng là DC Servo

12VDC, có bộ giảm tốc với tỷ số truyền 1:3 Encoder loại 200 xung, bao g m 3 kênh

Hình 5.3: Sơ ồ nguyên lý m ch Drive và nguồn cho DC servo

LM7812 là mạch ổn định điện áp cung cấp 12VDC, trong đó tụ C6 giúp lọc điện áp ngõ ra, còn tụ C7 có nhiệm vụ lọc nhiễu tần số cao Hai IC IR2184 nhận tín hiệu xung để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

HVTH: LÊ MINH NGỌC Trang 46 điều khiển từ chip trung tâm để điều khiển đóng nhắt 4 FET IRF 40, giúp động cơ chạy thuận ngh ch

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	2,2 MB