Xem mẫu
- MỘT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT CƠ CẤU SONG SONG
Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn
Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học - 264 Đội Cấn, Ba Đình, Hà Nội
E-mail: mechatronic@hn.vnn.vn
Tóm tắt: 2. Lựa chọn hệ thống điều khiển
Với nhiều lợi thế mà robot cơ cấu song song đem lại
Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển
như: độ chính xác, độ cứng vững cao, tốc độ làm
việc lớn, tiện lợi trong quá trình di chuyển, lắp đặt… Mỗi hệ thống tự động bất kỳ đều gồm ba phần cơ
robot cơ cấu song song ngày càng được quan tâm và bản: bộ điều khiển (Controller), đối tượng điều
ứng dụng rộng rãi. Bài báo đưa ra một giải pháp khiển (Object) và thiết bị đo (Measure) (hình 2).
hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song. Đầu
tiên là một số phân tích về xử lý song song, xử lý
phân tán trong điều khiển robot tiếp theo sẽ trình
Set point u y
C O
bày về ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-loop
trong mô phỏng điều khiển robot, cuối cùng đưa ra
lựa chọn thiết bị và thuật toán điều khiển robot cơ M
cấu song song mà phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học
đang phát triển.
Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống tự động
1. Đặt vấn đề
Robot cũng là một hệ thống tự động với các nhiệm
Robot cơ cấu chuỗi đã được ứng dụng trên thế giới vụ khác nhau tuỳ theo yêu cầu đặt ra.
từ rất sớm và ngày càng được phát triển. Tuy nhiên,
do tính chất kết cấu nên nó vẫn bộc lộ một số nhược Để thiết kế robot với các nhiệm vụ phức tạp người ta
điểm vì vậy khả năng ứng dụng còn hạn chế. thường phân chia nhiệm vụ phức tạp thành các
nhiệm vụ đơn giản hơn và thiết kế nhiều bộ phận (là
Ra đời và phát triển sau nhưng với nhiều lợi thế hơn các hệ tự động đơn giản với các thành phần cơ bản
so với robot cơ cấu chuỗi, robot cơ cấu song song nêu trên) để mỗi bộ phận chịu trách nhiệm xử lý một
bắt đầu được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: nhiệm vụ đơn giản và các bộ phận sẽ được phối hợp
cơ khí, y tế, quân sự, vật lý, hàng không… quản lý để đạt được mục tiêu chung của toàn hệ
Nhận thấy khả năng ứng dụng rất lớn cùng những thống. Cách phân chia như vậy được gọi là “xử lý
thế mạnh của robot cơ cấu song song, phòng Cơ điện phân tán theo chức năng”. Theo cách này, mỗi bộ
tử - Viện Cơ học đã triển khai nghiên cứu nhằm mục phận sẽ chỉ phải xử lý một nhiệm vụ đơn giản do đó
đích chế tạo robot cơ cấu song song mẫu ứng dụng sẽ thuận lợi hơn cho việc phân tích, thiết kế và xử lý
trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác. lỗi; mặt khác, các công việc được xử lý đồng thời sẽ
tăng được tốc độ của toàn hệ thống.
Sau khi nghiên cứu khả năng ứng dụng và khả năng
phát triển của các loại robot cơ cấu song song, robot Với robot Hexapod mà đặc trưng là một chuỗi nhiều
cơ cấu song song 6 bậc tự do (Hexapod) đã được khâu khép kín, để thực hiện một di chuyển của tấm
chọn, đóng vai trò là bàn gá phôi cho máy phay trên robot theo một quỹ đạo yêu cầu, cần đồng thời
thông thường để gia công khuôn mẫu (hình 1). có các tác động điều khiển tới sáu chân của robot và
chuyển động của các chân này phải có sự liên hệ
chặt chẽ. Không như robot chuỗi, nếu không có
được sự liên hệ chặt chẽ này sẽ gây ra hiện tượng
“giằng”, “xé” nhau giữa các chân. Chính vì vậy, yêu
cầu về độ chính xác của điều khiển robot Hexapod
đòi hỏi cao hơn, quá độ của mỗi khâu cũng phải
được kiểm soát chặt chẽ. Và cuối cùng là việc phối
hợp giữa các khâu đóng vai trò đặc biệt quan trọng
quyết định tới độ chính xác của quỹ đạo robot.
Hệ thống điều khiển
Để đạt được các yêu cầu trên, phương án thiết kế hệ
điều khiển cho robot Hexapod được chọn như trên
hình 3, trong đó:
− ĐKPH: bộ điều khiển phối hợp,
Hình 1: Hexapod làm bàn gá phôi
trong gia công cơ khí − ĐKTP: các bộ điều khiển thành phần.
- cơ servo, xác định tham số cho mô hình để từ đó
ĐKPH chọn tham số của các thuật toán điều khiển.
RTS (Run Time Simulation) là phần mềm được phát
triển bởi phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, với mục
đích tạo ra một công cụ hỗ trợ cho việc mô phỏng
thời gian thực. Giao diện chính của RTS được đưa ra
ĐKTP ĐKTP ĐKTP trên hình 4.
Phần mềm RTS được phát triển theo cấu trúc
module, gồm 3 module sau:
Hình 3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cho Hexapod
+ Module giao tiếp: module này có nhiệm vụ tạo
Các bộ ĐKTP chịu trách nhiệm điều khiển bộ phận mối liên hệ giữa mô hình của đối tượng và bộ
mình phụ trách, để đạt được những yêu cầu cục bộ. điều khiển. Hiện tại, có hai phương thức giao
Thực chất chúng là các bộ điều khiển vị trí, có tiếp được hỗ trợ là giao tiếp qua cổng nối tiếp và
nhiệm vụ đưa các chân tương ứng của robot tới độ qua card AD/DA.
dài mong muốn theo một vận tốc nào đó. Ở đây, mỗi
+ Module tính toán: module này thực hiện tất cả
chân robot được chọn sử dụng một hệ truyền động
các công việc tính toán, ví dụ như giải phương
động cơ, do đó bộ điều khiển sẽ là bộ điều khiển vị
trình vi phân để tính đáp ứng đầu ra của đối
trí động cơ.
tượng khi có kích thích đầu vào vv...
Bộ ĐKPH sẽ chịu trách nhiệm phối hợp các bộ
ĐKTP để đạt được yêu cầu tổng thể. Bộ ĐKPH ở + Module đồ họa: module này có nhiệm vụ thể
đây sẽ lấy thông tin của toàn hệ là độ dài thực của hiện đáp ứng đầu ra của đối tượng dưới dạng mô
các chân robot so với độ dài yêu cầu được tính bằng hình và đồ thị, biểu diễn sự thay đổi trạng thái
phần mềm tính toán động lực học hệ nhiều vật của đối tượng trong quá trình mô phỏng (ví dụ
alaska để đưa ra các quyết định điều khiển cho từng trong trường hợp này là vị trí và tốc độ của động
bộ ĐKTP, [1]. cơ).
Các thuật toán điều khiển được thực hiện ở từng bộ Phần mềm RTS cho phép thể hiện mô hình thời gian
ĐKTP cũng như bộ ĐKPH. Để đảm bảo được độ thực của một số đối tượng điều khiển trên máy tính.
chính xác của robot trong quá trình hoạt động, các Khi có tín hiệu điều khiển, mô hình thời gian thực
thuật toán điều khiển đóng vai trò rất quan trọng. của đối tượng sẽ cung cấp đáp ứng đầu ra cho hệ
thống giống như đối tượng thật phản ứng khi có tín
hiệu điều khiển. Bằng cách ghép nối bộ điều khiển
Mô phỏng Hardware-in-the-loop
với mô hình thời gian thực của đối tượng ta có thể
Mô phỏng thời gian thực các hệ tự động theo nguyên kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển trong quá
lý Hardware-in-the-loop nhằm: trình thiết kế.
− Kiểm tra hiệu lực của thuật toán điều khiển.
− Giảm chi phí trong quá trình thiết kế.
− Tránh được những sai sót không đáng có khi
ứng dụng thực tế.
Mô phỏng thời gian thực (real time simulation) theo
nguyên lý Hardware-in-the-loop nghĩa là có sử dụng
phần cứng (hardware) để mô phỏng vòng điều khiển.
Mô phỏng thời gian thực không chỉ cho phép ta đánh
giá khả năng phần cứng mà còn giúp ta đánh giá khả
năng của phần mềm điều khiển dưới điều kiện diễn
biến thời gian sát với thực tế. Điều này có ý nghĩa
quan trọng khi ta phải kiểm tra các thiết bị hỗn hợp
nhiều phần tử.
Hình 4. Giao diện phần mềm RTS
Để tìm được thuật toán điều khiển tốt nhất, động cơ
được chọn đã được mô phỏng theo nguyên lý trên, Việc mô phỏng Hexapod đã được tiến hành theo các
bằng cách sử dụng một số công cụ sau: bước sau:
− Phần mềm: Matlab, RTS. − Mô hình hóa động cơ servo.
− Phần cứng: PLC, PC, Card AD/DA. − Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng offline.
Matlab/Simulink được sử dụng như là công cụ hỗ − Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý
trợ cho việc xây dựng và tối giản mô hình toán của Hardware-in-the-loop.
đối tượng điều khiển trong trường hợp này là động
- Bước 1: Mô hình hoá động cơ servo Bước 2: Tìm khâu điều khiển bằng mô phỏng
offline
Tuy có sự khác nhau về kết cấu và nguyên lý làm
việc nhưng động cơ servo có thể được mô hình hóa Matlab/ Simulink đã được sử dụng để tiến hành mô
giống như động cơ điện một chiều. Thông qua biến phỏng offline với mục đích lựa chọn thuật toán điều
phức s, sự cân bằng điện của phần ứng được mô tả khiển và tham số của bộ điều khiển.
bởi phương trình, [2]:
Trên nền Simulink có thể xây dựng hệ thống điều
Va = ( Ra + sLa ) I a + V g chỉnh bao gồm đối tượng điều khiển, khâu điều
khiển, phản hồi tín hiệu đầu ra với hệ số là 1. Bằng
Trong đó: cách dùng tín hiệu đầu vào có dạng bước nhảy đơn
vị, thay đổi thực nghiệm tham số của bộ điều khiển
− Va , Ra , La , I a lần lượt là điện áp, điện (phương pháp dò tìm) và quan sát đáp ứng để lựa
trở, điện kháng, dòng điện phần ứng. chọn bộ tham số tốt nhất.
− Vg là sức điện động của phần ứng, tỷ lệ với Bước 3: Mô phỏng thời gian thực theo nguyên lý
Hardware-in-the-loop
vận tốc góc ω của rotor, V g = k v ω
Bước cuối cùng này nhằm thử nghiệm thiết bị điều
Hệ số k v thể hiện quan hệ giữa vận tốc góc của khiển, với thuật toán điều khiển chạy trên phần cứng
thực, ở đây là PLC S7-300 với các module cần thiết.
rotor và sức điện động. Nó phụ thuộc kết cấu của
động cơ và tính chất điện từ của phần cảm. Đối tượng điều khiển được thực hiện dưới dạng mô
hình thời gian thực, tức là mô hình chạy trực tiếp
Tương tự, phương trình cân bằng cơ học của động trên phần cứng tốc độ cao.
cơ có dạng:
Trong trường hợp này, mô hình của đối tượng được
C m = ( Fm + sI m )ω + C r thực hiện với sự trợ giúp của máy tính. Tín hiệu đầu
ra dưới dạng tương tự của thiết bị điều chỉnh sẽ được
Cm = kt I a biến đổi thành dạng tín hiệu số nhờ bộ biến đổi A/D
để điều khiển mô hình của đối tượng, được thực hiện
với: trên máy tính. Ngược lại, đáp ứng đầu ra của mô
hình lại được biến đổi thành tín hiệu tương tự nhờ bộ
− C m và C r là mô men chủ động và momen biến đổi D/A.
phản lực,
− I m và Fm là mô men quán tính và hệ số cản
nhớt trên trục động cơ.
− k t Hệ số tỷ lệ biểu diễn quan hệ giữa mô
men của động cơ và dòng điện phần ứng.
Nếu hệ số cản nhớt rất nhỏ so với hệ số hãm điện
năng, nghĩa là ( Fm
- sát các trạng thái đang diễn biến trong quá robot Hexapod. Sơ đồ hệ điều khiển này được đưa ra
trình mô phỏng. trên hình 6, [3].
Bộ điều khiển và mô hình của đối tượng được ghép
nối qua card AD/DA. Card AD/DA phải có tốc độ Thiết bị lập trình
biến đổi và bộ nhớ đủ lớn để không ảnh hưởng tới (PC)
việc giao tiếp giữa bộ điều khiển và đối tượng điều
khiển. Hình 5 giới thiệu sơ đồ ghép nối giữa bộ điều
khiển và mô hình của đối tượng qua card AD/DA. Bộ điều khiển trung tâm
(PLC S7 - 300)
Kết quả cho thấy, với thuật toán điều khiển động cơ
tìm được, các động cơ khi hoạt động đã thỏa mãn
những yêu cầu đặt ra như: độ chính xác, độ quá điều
chỉnh, tốc độ đáp ứng... Module chức năng
(FM 357 – 2)
Lựa chọn thiết bị cho điều khiển robot Hexapod
Để đạt được tính đồng thời, phương án thiết bị phải Bộ khuếch đại công suất
đảm bảo một số yêu cầu cơ bản: khả năng nhớ và (SIMODRIVE 611)
quản lý từng khâu động học độc lập. Bộ điều khiển
theo kiểu này là một tập hợp các phần tử xử lý độc
lập liên lạc với nhau qua trao đổi thông tin.
Động cơ
- Phương án tự thiết kế mạch dùng bộ vi xử lý
Mỗi bộ xử lý độc lập đóng vai trò là bộ ĐKTP sẽ
thực hiện các chỉ thị của chính nó và làm việc trên Hình 6: Sơ đồ khối hệ điều khiển robot Hexapod
một tập các dữ liệu riêng biệt. Các bộ ĐKTP này sẽ dùng PLC
được ghép nối và giao tiếp với bộ ĐKPH (có thể là FM357-2 kết hợp với SIMODRIVE 611 tạo thành
một máy tính) thông qua các cổng vào ra. các bộ ĐKTP điều khiển tốc độ và vị trí của động cơ
Phương án này có ưu điểm là gọn nhẹ nhưng khả theo như sơ đồ trên hình 6. Trong đó:
năng linh hoạt kém, tính phức tạp của hệ thống cao, − Vòng điều khiển vị trí chân robot (hình 7) do
độ ổn định và độ chính xác khó đảm bảo bởi hoạt module FM357-2 chịu trách nhiệm. Tín hiệu
động của robot cơ cấu song song rất phức tạp. phản hồi vị trí động cơ từ encoder được đưa về
- Phương án sử dụng PLC FM357-2, kết hợp với vị trí yêu cầu để đưa ra
tốc độ yêu cầu (set point) cho bộ khuếch đại
PLC (Programable Logic Control) là thiết bị điều công suất. Mỗi module FM357-2 chỉ điều khiển
khiển logic khả trình cho phép thực hiện các thuật được tối đa 4 trục, do đó để điều khiển 6 chân
toán điều khiển thông qua một ngôn ngữ lập trình, robot, ta cần dùng 2 module này.
thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch
điện tử. PLC là một thiết bị điều khiển nhỏ gọn, có − Bộ khuếch đại công suất SIMODRIVE 611
thể thay đổi thuật toán một cách linh hoạt và đặc biệt (KĐCS) đảm nhiệm việc điều khiển tốc độ. Bộ
thuận lợi cho việc trao đổi thông tin do đây là một hệ KĐCS sẽ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ từ
đã được chuẩn hóa. Toàn bộ chương trình điều khiển encoder so sánh với tốc độ yêu cầu nhận được
được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các từ FM357-2 và đưa ra tín hiệu điều khiển động
khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu kỳ cơ.
vòng quét. Cấu trúc module được sử dụng để tăng
tính mềm dẻo trong các ứng dụng thực tế [3]. FM357-2 Đặt tốc độ
Với những ưu điểm của mình, phương án sử dụng ĐC Servo Encoder
PLC được chọn dùng để xây dựng hệ điều khiển cho ĐK vị trí
KĐCS M
robot Hexapod.
Tốc độ thực
DAC
Độ dài của 6 chân quyết định vị trí của tấm trên Vòng ĐK tốc độ
robot, và được điều khiển bởi 6 động cơ. Động cơ
được chọn phải có khả năng hoạt động ở một dải tốc Vị trí thực
độ rộng, có thể duy trì mô men xoắn thích hợp để
giữ tải tại một vị trí nhất định. Với những tiêu chí
trên thì động cơ servo là một lựa chọn phù hợp cho
Hình 7: Sơ đồ điều khiển vị trí.
bài toán.
Vòng điều khiển ngoài cùng là vòng điều khiển thực
Hệ thống thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-
hiện nhiệm vụ phối hợp hoạt động của các chân
300 của Siemens cùng với module chức năng điều
khiển động cơ FM357-2 và bộ khuếch đại công suất robot, quản lý toàn bộ 6 chân để đạt được yêu cầu
chung của hệ thống do CPU S7-300 thực hiện. Như
SIMODRIVE 611 được chọn cho hệ điều khiển
- vậy CPU S7-300 sẽ đóng vai trò là bộ ĐKPH. Và − k = 0 ÷ 5 là chỉ số của bộ ĐKTP
như trên đã nói, thuật toán điều khiển ở phần này là
đặc biệt quan trọng, quyết định tới quỹ đạo chuyển
động của robot. Bắt đầu
3. Tính toán thông số điều khiển robot
Đưa robot về vị trí 0
Từ hình dạng của mỗi khuôn mẫu cần gia công, lập
quỹ đạo chuyển động của bàn gá phôi (tấm trên của
robot) trong không gian và rời rạc hóa quỹ đạo Nhận dữ liệu về độ dài
chuyển động này. Tại mỗi điểm, tiến hành giải bài chân robot
toán động học ngược để xác định tọa độ và hướng
của tấm trên. Tiếp theo là tính độ dài của các chân
robot sao cho tấm trên của robot chuyển động theo i=0
một quỹ đạo và hướng cho trước với vận tốc yêu cầu
(hình 8). Tất cả những công việc này được phần
mềm alaska đảm nhiệm, [5]. k=0
Bắt đầu
Xuất tham số điều
khiển thứ i cho bộ
Nhập dữ liệu về khuôn ĐKTP thứ k
i=i+1 k=k+1
mẫu cần gia công
S
k=5
Đưa ra quỹ đạo chuyển động
Đ
S
Tính tọa độ và hướng của i = n -1
tấm trên robot
Đ
Kết thúc
Tính độ dài của các chân
Hình 9: Thuật toán điều khiển cho bộ ĐKPH
Đưa ra dữ liệu về độ dài chân
và vận tốc dịch chuyển Bắt đầu
Kết thúc
Nhận giá trị vị trí
yêu cầu từ ĐKPH
Hình 8: Sơ đồ thuật toán tính các thông số điều
khiển robot
Nhận giá trị vị trí
thực của động cơ
Việc rời rạc hóa quỹ đạo chuyển động của robot phải
dựa trên yêu cầu về chất lượng của khuôn mẫu cần
gia công, khả năng đáp ứng của hệ điều khiển...
So sánh và đưa ra
4. Thuật toán điều khiển tốc độ yêu cầu
cho động cơ
Độ dài tính được ứng với các điểm trên quỹ đạo làm
việc chính là dữ liệu đầu vào của bộ ĐKPH (PLC
S7-300). Trên cơ sở những dự liệu này Bộ ĐKPH sẽ
điều khiển lần lượt các bộ ĐKTP (FM 357-2) theo Kết thúc
thuật toán điều khiển được trình bày trong hình 9,
trong đó:
Hình 10: Thuật toán điều khiển cho các bộ ĐKTP
− n là số điểm rời rạc trên quỹ đạo làm việc
- Mỗi bộ ĐKTP sẽ nhận từ bộ ĐKPH tham số điều
khiển là vị trí của động cơ tương ứng rồi so sánh với
vị trí thực tế để đưa ra tín hiệu điều khiển vị trí và
tốc độ quay cho động cơ đó theo thuật toán được
đưa ra trên hình 10.
5. Kết luận
Bài báo đã đưa ra một giải pháp điều khiển robot
Hexapod, từ lựa chọn phương án điều khiển, mô
phỏng để tìm ra tham số cho bộ điều khiển đến lựa
chọn thiết bị điều khiển. Trong thời gian tới robot
Hexapod này sẽ được chế tạo và đưa vào ứng dụng
cụ thể.
Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của
Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự
nhiên.
6. Tài liệu tham khảo
[1] Institute of Mechatronics, Inc., Chemnitz:
alaska, version 3.0, User Manual, Simulation
Tool in Multibody System Dynamics. 1998
[2] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật robot; NXB KH&KT,
2003.
[3] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước: Tự
động hóa với SIMATIC S7-300; NXB
KH&KT, 2000.
[4] Siemens: FM357-2 manual, SIMODRIVE
manual, Sinumerik & Simodrive.
[5] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ
Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Mô phỏng và
thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác;
Báo cáo Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ
2, 5/2004, tp. Hồ Chí Minh.
nguon tai.lieu . vn