Luận án tiến sĩ - Lê Ngọc Trúc: Phân tích và điều khiển tay máy công nghiệp khi tổn thất cơ chế chấp hành tại ĐHBK Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Ngọc Trúc PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CÔNG NGHIỆP TRONG TÌNH TRẠNG TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Ngọc Trúc PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CÔNG NGHIỆP TRONG TÌNH TRẠNG TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của người hướng dẫn khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2021 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án GS. Nguyễn Phùng Quang Lê Ngọc Trúc i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình của Thầy GS. Nguyễn Phùng Quang trong suốt quá trình thực hiện luận án từ giai đoạn hình thành ý tưởng của đề tài đến xây dựng kế hoạch từng bước thực hiện để hoàn thành luận án. Tôi xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở và nghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để thực hiện luận án.

Và quan trọng hơn cả đó là đã có những đóng góp trao đổi sâu sắc và thiết thực về nội dung nghiên cứu của tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động (Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội) đã có những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần thiết và giá trị. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Động lực, và các thầy cô đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Tôi xin được cảm ơn các anh/chị/em nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, và Viện Điện (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã động viên, khích lệ, và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu.

Tôi xin cảm ơn những người bạn thân thiết với chương trình ANOT đã giúp tôi có thêm nghị lực trong giai đoạn quan trọng của luận án. Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình tôi, đặc biệt là vợ tôi, EYVTTJ, đã ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần lẫn vật chất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Tác giả luận án Lê Ngọc Trúc ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.

vi DANH MỤC CÁC BẢNG. xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xv MỞ ĐẦU. Sự cần thiết của đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Những đóng góp của luận án. Bố cục của luận án .1 Giới thiệu về robot công nghiệp .2 Các cấu hình cơ bản của robot công nghiệp .3 Các thành phần chính của robot công nghiệp .4 Cơ chế chấp hành .5 Vấn đề tổn thất cơ chế chấp hành và khả năng điều khiển .1 Các dạng tổn thất cơ chế chấp hành .2 Tình hình nghiên cứu về tổn thất cơ chế chấp hành ở tay máy robot .3 Phân tích khả năng điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành .1 Phân tích động học của một kiểu tay máy công nghiệp có 6 khớp quay điển hình khi bị tổn thất một cơ chế chấp hành .2 Các khả năng điều khiển tay máy công nghiệp điển hình khi bị tổn thất cơ chế chấp hành.6 Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án .1 Hướng nghiên cứu của luận án .2 Dự kiến các đóng góp mới.7 Kết luận chương 1. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT .2 Vận tốc tịnh tiến và vận tốc quay của khâu .3 Phương trình Euler-Lagrange.4 Mô hình động lực học dạng toán học .5 Mô hình bán vật lý cho tay máy robot .2 Mô hình CAD 3D của tay máy robot .3 Phương pháp dùng mạng vật lý để mô hình hóa hệ thống vật lý .1 Phương pháp dùng Simulink truyền thống .2 Phương pháp dùng mạng vật lý .4 Mô hình bán vật lý khi chưa xét tới ma sát khớp .1 Mô phỏng đáp ứng động lực học .2 Mô phỏng mô hình robot có vòng điều khiển.5 Mô hình bán vật lý có ma sát khớp .6 Kết luận chương 2. TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 54 3.1 Ảnh hưởng của tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô men .2 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo khớp .1 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng PDT .2 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng BDT .3 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng BDTR .3 Ảnh hưởng xét theo quỹ đạo điểm công tác .1 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng PDT .2 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng BDT .3 Ảnh hưởng của tổn thất một cơ chế chấp hành dạng BDTR .2 Phương pháp điều khiển khi có tổn thất cơ chế chấp hành .2 Khái quát về lý thuyết điều khiển trượt .3 Khái quát về lý thuyết điều khiển thích nghi .4 Mô hình hệ thống khi có tổn thất cơ chế chấp hành dạng PDT .5 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi khi có tổn thất cơ chế chấp hành dạng PDT .6 Áp dụng cho tay máy robot 2-DOF .7 Áp dụng cho robot công nghiệp 6-DOF .3 Kết luận chương 3.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM CHO MỘT DẠNG TAY MÁY ROBOT .1 Giới thiệu robot Serpent 1 .1 Động học thuận .2 Động học ngược .3 Mô hình động lực học .1 Mô hình toán học .2 Mô hình bán vật lý .4 Lập quỹ đạo chuyển động .5 Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm .1 Kết quả mô phỏng.2 Kết quả thực nghiệm.6 Kết luận chương 4. 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO .PL1 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Toán tử tích Kronecker ⃗⃗⃗⃗ Ký hiệu cho dạng vector hình học ̇ Ký hiệu đạo hàm cấp một của biến “ ” theo thời gian ̈ Ký hiệu đạo hàm cấp hai của biến “ ” theo thời gian Ma trận đơn vị có chiều m/s2 Gia tốc tịnh tiến dọc theo đoạn AB m Độ dài của pháp tuyến chung giữa trục khớp và trục khớp đo dọc trục (tham số D-H) m/s2 Gia tốc tịnh tiến lớn nhất trên một quỹ đạo tổng quát m/s2 Gia tốc tịnh tiến lớn nhất dọc theo đoạn AB m/s2 Gia tốc tịnh tiến lớn nhất dọc theo đoạn OA m/s2 Gia tốc tịnh tiến dọc theo đoạn OA m/s2 Gia tốc tịnh tiến dọc trục ( là , , ) m/s2 Gia tốc tịnh tiến lớn nhất dọc trục ( là , , ) m/s2 Vector gia tốc tịnh tiến của khâu EE trong hệ tọa độ cơ sở với các thành phần dọc trục , , Hệ số dương thứ của đa thức thu được sau khi khai triển biến trượt thành đa thức m Các thành phần của vector trong hệ tọa độ cơ sở Vector chỉ hướng trục của EE ̂ Vector tham số được ước lượng bởi bộ ước lượng A Điểm đầu mút của quỹ đạo điểm làm việc Một điểm tùy ý ở trên khâu Ma trận đường chéo tính theo vector Khoảng bão hòa trong hàm sat() ̂ Vector tham số được cập nhật bởi luật thích nghi B Điểm đầu mút của quỹ đạo điểm làm việc Ma trận tham số chứa các thành phần bất định ̂ Ma trận giá trị nhận dạng được của ̃ Ma trận sai lệch giữa và ̂ Biểu diễn cho hàm Biểu diễn cho hàm 1, 2 Các ma trận đường chéo với các hệ số dương Vị trí điểm trọng tâm của khâu Đường giao giữa miền giới hạn và mặt cầu (tâm là điểm làm việc , bán kính ) C Ma trận Coriolis/ly tâm vi ̂ C Ma trận C với các giá trị nhận dạng được C Ma trận Coriolis/ly tâm của robot 2-DOF m Độ dài của pháp tuyến chung giữa trục và trục đo dọc trục (tham số D-H) Vùng không gian làm việc đầy đủ của robot Vùng không gian làm việc bị hạn chế của robot khi cơ chế chấp hành thứ bị bó cứng Phần tử hằng số dương ở cột , hàng rad Sai lệch bám giữa khớp đặt thứ và đáp ứng khớp rad Vector sai lệch bám giữa khớp đặt và đáp ứng khớp Vector cột thứ của ma trận đơn vị m Vector sai lệch vị trí với các thành phần , , Vector sai lệch giữa và rad Sai lệch góc của vector Hàm phi tuyến trong hệ affine SISO Hàm phi tuyến thứ trong hệ affine MIMO ̂ Ước lượng của hàm trong hệ affine MIMO Vector tham số chứa các thành phần bất định ̂ Vector giá trị nhận dạng được của ̃ Vector sai lệch giữa và ̂ Hằng số dương thứ m/s2 Gia tốc trọng trường Vector thành phần trọng lực ̂ Vector với các giá trị nhận dạng được Vector thành phần trọng lực của robot 2-DOF m/s2 Vector gia tốc trọng trường xét trong hệ tọa độ cơ sở Hàm phi tuyến trong hệ affine SISO Hàm phi tuyến trong hệ affine MIMO ̂ Ước lượng của hàm trong hệ affine MIMO Phần tử thứ của vector Vector thay thế cho tích ̇ Vector các hàm phi tuyến Ma trận các hàm [ ] trong hệ affine MIMO ̂ Ma trận các hàm [ ̂ ] trong hệ affine MIMO kg.m2 Mô men quán tính chính của khâu theo trục kg.m2 Ma trận tensor quán tính của khâu xét trong hệ tọa độ thứ kg.