Điều khiển bám quỹ đạo cho đầu công tác tay máy 6 bậc tự do

Tay máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi với yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác. Bài viết giới thiệu một phương pháp điều khiển đầu công tác tay máy 6 bậc tự do bám theo quỹ đạo liên tục cho trước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển bám quỹ đạo cho đầu công tác tay máy 6 bậc tự do Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ĐẦU CÔNG TÁC TAY MÁY 6 BẬC TỰ DO Trần Tân Tiến*, Phạm Minh Tân, Trần Trung Kiên, Đặng Nam Kiên, Nguyễn Duy Trung Tóm tắt: Tay máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi với yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác. Trong những bài toán thực tế, không chỉ yêu cầu tay máy di chuyển chính xác về tọa độ vị trí (di chuyển điểm-điểm như bài toán gắp nhả và di chuyển sản phẩm không có vật cản) trong không gian, mà còn yêu cầu đầu công tác của tay máy phải di chuyển chính xác trên cả đường quỹ đạo di chuyển liên tục trong không gian thao tác (như bài toán sơn sản phẩm nhiều chi tiết, hàn theo đường liên tục...). Bài viết giới thiệu một phương pháp điều khiển đầu công tác tay máy 6 bậc tự do bám theo quỹ đạo liên tục cho trước. Từ khóa: Tay máy 6 bậc tự do, Quỹ đạo chuyển động, Điều khiển bám. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong [1], nhóm tác giả đã trình bày một phương pháp giải bài toán động học cho tay máy 6 bậc tự do (tay máy Hitachi M6100) phục vụ điều khiển đầu công tác di chuyển chính xác các tọa độ trong không gian. Song trong thực tế có nhiều bài toán đòi hỏi đầu công tác của tay máy không chỉ di chuyển chính xác theo tọa độ trong không gian, mà còn phải chính xác trên cả quỹ đạo di chuyển và có thể phải tránh vật cản theo đường thẳng, đường tròn, elip .... Hình 1. Một số quỹ đạo di chuyển cơ bản. Việc điều khiển bám quỹ đạo đầu công tác của tay máy nhằm đáp ứng yêu cầu trên có thể phân chia thành 2 bài toán quan trọng là: xây dựng quỹ đạo chuyển động cho các trục và điều khiển bám đồng thời đồng bộ chuyển động bám của các trục tay máy. Hiện nay, có nhiều phương pháp hiện đại đã được nghiên cứu để điều khiển bám quỹ đạo cho đầu công tác tay máy nhiều bậc tự do như: điều khiển tối ưu [4], điều khiển trượt mờ [5], điều khiển mờ lai [6]... và tương ứng là bài toán xây dựng quỹ đạo chuyển động cho các trục [4], [5], [7]. Các phương pháp này đều giải quyết tốt bài toán điều khiển bám với quỹ đạo bất kỳ trong không gian làm việc của tay máy. Tuy nhiên, bài viết sau sẽ trình bày một phương pháp giải quyết vấn đề đã nêu một cách đơn giản hơn mà vẫn đảm bảo độ chính xác và các yêu cầu kỹ thuật đồng thời dễ dàng triển khai trong một số ứng dụng thực tế. Trong một số ứng dụng của tay máy 6 bậc tự do như: trong hàn đường, sơn sản phẩm nhiều chi tiết... một chu trình làm việc có thể được ghép nối từ nhiều quỹ đạo thành phần; hay trong nhận dạng và phân loại sản phẩm, chỉ cần xây dựng đường cong chuyển động cho đầu công tác đi qua một số điểm nhất định để tránh vật cản... Trên mỗi quỹ đạo thành phần ấy, có thể xấp xỉ quỹ đạo chuyển động cho mỗi trục dưới dạng một đa thức bậc cao theo thời gian. Do đó, bài toán điều khiển bám quỹ đạo đầu công tác trở thành bài toán điều khiển bám cho mỗi trục tay máy theo phương trình chuyển động tương ứng với biến thời gian cụ thể như sau: 44 T. T. Tiến, P. M. Tân, …, “Điều khiển bám quỹ đạo cho đầu công tác tay máy 6 bậc tự do.” Nghiên cứu khoa học công nghệ - Trong từng chu kỳ trích mẫu để tính toán tín hiệu điều khiển, việc tính toán quỹ đạo chuyển động được quy về tính toán trên 6 đa thức bậc cao cho 6 trục đã được xấp xỉ từ trước. - Việc đồng bộ chuyển động cho 6 trục được tự động thực hiện do 6 đa thức bậc cao được tính toán trên cùng một biến thời gian. - Chất lượng của hệ thống còn lại là phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển bám PIV cho mỗi trục. Việc thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho đầu công tác của tay máy 6 bậc tự do cho những ứng dụng như đã phân tích sẽ được trình bày ở phần sau. 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO ĐẦU CÔNG TÁC CỦA TAY MÁY 2.1. Xây dựng bài toán điều khiển bám quỹ đạo Giả sử cần điều khiển đầu công tác của tay máy 6 bậc tự do di chuyển theo quỹ đạo tròn trong không gian thao tác, sơ đồ giải pháp thực hiện như trên hình 2. Hình 2. Sơ đồ giải pháp thực hiện. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 49, 06 - 2017 45  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ sơ đồ giải pháp, nhận thấy để thực hiện được yêu cầu điều khiển đầu công tác di chuyển theo quỹ đạo liên tục trong không gian cần giải quyết được 2 bài toán cơ bản sau: Bài toán 1: Xây dựng quỹ đạo chuyển động cho các trục. - Xây dựng phương trình quỹ đạo chuyển động của đầu công tác theo thời gian. - Rời rạc hóa quỹ đạo chuyển động thành nhiều điểm theo thời gian, thu được quỹ đạo chuyển động rời rạc của đầu công tác. - Giải bài toán động học ngược cho từng điểm rời rạc ấy, chọn nghiệm theo phương pháp tối ưu khoảng cách dịch chuyển ta sẽ thu được quỹ đạo chuyển động rời rạc cho mỗi trục. - Xấp xỉ hàm cho từng trục từ chuỗi những điểm rời rạc tương ứng bằng phương pháp bình phương tối thiểu, thu được quỹ đạo chuyển động liên tục cho mỗi trục là 1 đa thức bậc cao theo theo thời gian, có dạng: θi = fi(t). Tùy theo độ phức tạp của quỹ đạo cũng như yêu cầu về độ chính xác để lựa chọn bậc của đa thức. Trong đó: θi: góc quay trục thứ i (i=1÷6); fi(t): hàm xấp xỉ trục thứ i (i =1÷6) Lời giải cụ thể cho bài toán này được trình bày trong [3]. Bài toán 2: Điều khiển bám và đồng bộ chuyển động các trục. - Xây dựng bộ điều khiển bám cho mỗi trục (PIV), để mỗi trục chuyển động bám theo quỹ đạo chuyển động riêng đã được lập trình ở trên. - Đồng bộ chuyển động của các trục theo biến thời gian bằng bộ điều khiển trung tâm. Phần sau đây sẽ trình bày một phương pháp thết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho các trục của tay máy. 2.2. Thiết kế bộ điều khiển bám cho các trục tay máy 2.2.1. Mô hình đối tượng điề ...