Robot hàn tự động

Nội dung text: Robot hàn tự động

1. ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG WELDING MOBILE ROBOT Nguyễn Thanh Phương, Phan Vân Hoàn Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh TÓM TẮT Bài báo đề nghị một phương pháp đơn giản dùng trong hàn tự động. Hệ thống bao gồm một robot di động ba bánh xe và một bộ dụng cụ hàn. Robot di động được điều khiển bằng bộ điều khiển ổn định đơn giản dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng được dùng để kiểm chứng độ ổn định của bộ điều khiển. Thí nghiệm đã được thực hiện cho thấy khả năng ứng dụng của phương pháp đề nghị. ABSTRACT This paper proposes a simple methol for welding. The system includes a three wheeled- mobile robot flatform and a tool for welding. A simple robust nonlinear controller design method based on Lyapunov stability for tracking trajectory and velocity of welding. The effectiveness of the proposed controller is shown throung simulation and experimental results. Từ Khóa: Robot di động, Lyapunov. 1. Giới thiệu mặt phẳng nềnkhông hoàn toàn phẳng, Ngày nay, hàn được sử dụng rộng rãi robot sẽ làm việc không tốt vì bánh xe trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là không tiếp xúc được với nền. Điều này có công nghiệp đóng tàu. Vì môi trường hàn thể khắc phục được khi dùng robot di động là một môi trường độc hại nên rất nhiều ba bánh. nghiên cứu về tự động hóa quá trình hàn đã 2. Mô hình hệ thống. được thực hiện với mục đích nâng cao chất Robot hàn tự động (hình1) gồm: 1 robot lượng hàn, nâng cao năng suất hàn và cải di động ba bánh(hai bánh truyền động độc thiện điều kiện lao động. Trong công lập và một bánh đa hướng giữ thăng bằng), nghiệp đóng tàu, các kết cấu hàn thường là 1 giá đỡ mang mỏ hàn có thể chuyển động những tấm thép phẳng liên kết khối hộp theo phương lên xuống và vào ra, 1 bình với nhau nên đây là một trong những điều nhiên liệu hàn. kiện lý tưởng để áp dụng việc hàn tự động. Theo hướng đơn giản và rẻ tiền, bài báo này đề nghị một phương pháp hàn tự động mới là sử dụng xe di động ba bánh. Các nghiên cứu [1-3] đề cập đến vấn đề mô hình hóa, điều khiển robot hàn di động hai bánh và đã ứng dụng thành công trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên để ứng dụng vào thực tế, cần có sự cải tiến về hệ thống ① Cảm biến đo góc; ② Cánh tay hàn đỡ của robot. Trong robot di động hai ③,④ Mô tơ điều khiển hai bánh trái, bánh, thân robot được nâng đỡ bởi hai phải; ⑤ Điểm cần hàn; ⑥ Cảm biến đo bánh xe và hai biên bi đỡ. Do đó robot tiếp khoảng cách xúc với mặt phẳng nền qua bốn điểm. Khi Hình 1 Mô hình Robot hàn 1
2. Giới hạn hàn của robot: Robot chỉ được của robot được biểu diễn như phương trình thiết kế để hàn đường tiếp xúc giữa hai đối sau: tượng hàn thỏa mãn các điều kiện sau: 표푠휙 0 푣 = (1) (1) Hai đối tượng này phải được đặt 푠푖푛휙 0 휔 vuông góc với nhau. 휙 0 1 Đối tượng đặt theo phương đứng phải Tương tự đối với điểm cần hàn W(xw,yw) có dạng mặt cong trơn và có bán kính ta có: cong của đoạn bất kỳ không bé hơn 푤 표푠휙푤 0 푣 푤 khoảng cách từ tâm robot đến mặt 푤 = 푠푖푛휙푤 0 (2) (2) 휔푤 cong này. 휙 푤 0 1 Đối tượng đặt theo phương ngang Phương trình đường thẳng t tiếp tuyến phải có dạng là một mặt phẳng. với mặt cong đứng tại điểmW(xw,yw) có Để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều dạng: khiển, mô hình robot hàn tự động được (x –xw)sinϕw– (y –yw)cosϕw =0(3) (3) đưa vào một hệ trục tọa độ tuyệt đối Có được phương trình tiếp tuyến ttừ (xem hình 2). Thông qua hệ trục tọa độ công thức (3) ta dễ dàng tính được khoảng này ta có thể dễ dàng tìm được mối quan cách từ tâm Robot đến đường thẳng này: hệ giữa các thông số. d = (x –xw)sinϕw – (y –yw)cosϕw(4) (4) T Sai số e = [e1, e2] được tính bởi công thức: 푒 = − 1 (5) (5) 푒2 = 휙 − 휙푤 Với: 푒1:sai số về khoảng cách từ tâm robot đến mặt cong đứng. 푒2: sai số về góc giữa đầu robot với tiếp tuyết của mặt cong đứng tại điểm khảo sát. Vấn đề đặt ra là phải thiết kế bộ điều Hình 2 Biểu diễn mô hình robot hàn trong khiển sao cho e1, e2 → 0 khi t → ∞ hệ trục tọa độ tuyệt đối Trong đó: 3. Thiết kế bộ điều khiển. (x,y): hệ trục tọa độ tuyệt đối Đạo hàn phương trình (4), thế các kết [m,m] quả từ (1) và (3) vào ta được: r: bán kính bánh xe của Robot [m] = − 푤 푠푖푛휙푤 b: khoảng cách từ tâm Robot đến + − 푤 휔푤 표푠휙푤 bánh xe [m] − − 푤 표푠휙푤 ϕ: góc nghiêng của Robot [rad] + − 푤 휔푤 푠푖푛휙푤 ϕw:góc nghiêng của mặt cong đứng = − 푤 휔푤 표푠휙푤 [rad] + − 푤 휔푤 푠푖푛휙푤 (6) W(xw,yw): điểm cần hàn[m,m] − 푣sin(휙 − 휙푤 ) Với giả thiết là các bánh xe chỉ quay, Mặt khác: không trượt, phương trình chuyển động 2
3. sin휙 (thỏa mãn tiêu chuẩn ổn định Lyapunov) − 푤 = cos 휙푤 − 휙 Với : 1 푣à 2 ≥ 0là các hệ số của hàm (7) Lyapunov. cos휙 − = − Tìm được 푣 푣à 휔, ta tính được vận tốc 푤 cos 휙푤 − 휙 hai bánh xe phải và trái (ωr,ωl) theo công Thế (7) vào (6): thức: = 휔 tan⁡(휙 − 휙 ) − 푣sin(휙 − 휙 )(8) 휔 1/ / 푣 푤 푤 푤 = (14) Đạo hàm hai vế (5): 휔푙 1/ − / 휔 푒 = − 1 4. Đo lường sai số. 푒 = 휙 − 휙 2 푤 Ở phần trên e = [e , e ]T được tính toán Suy ra: 1 2 dựa trên một hệ trục tọa độ tuyệt đối do ta 푒1 = 휔푤 tan⁡(휙 − 휙푤 ) − 푣sin(휙 − 휙푤 ) không có cảm biến thật. Trên thực tế thông 푒 2 = 휔 − 휔푤 Với = 푒 + qua các cảm biến ta có thể dễ dàng đo 1 T được e = [e1, e2] như hình 3. 푒1 = 푒1 + 휔푤 tan 휙 − 휙푤 −푣sin(휙 − 휙푤 ) (9) 푒 2 = 휔 − 휔푤 Chọn hàm Lyapunov có dạng: 1 2 1−cos 푒2 = 푒1 + ≥ 0(10) 2 k2 Đạo hàm V: 푒 2sin 푒2 = 푒1 푒1 + (11) k2 Thay các giá trị 푒1 , 푒 2từ (9) vào (11): = 1 1 Hình 3 Tính toán sai số 푠푖푛푒2 −푣푒1 + 푒1 + 휔푤 푒1 2 2 표푠푒2 Dựa vào hình 3 ta tính 푒1 = 푙 표푠푒2 + 푠 − + 휔 − 휔푤 (12) được: (15) 푒 = − ∠( , ) 2 2 1 3 1 Để ≤ 0 ta chọn luật điều khiển như sau: 5. Kết quả mô phỏng, thực nghiệm. 푣 = 푣 Chương trình mô phỏng được viết bằng 푒1 + 휔푤 phần mềm Matlab phiên bản R2010b. Mô 휔 = 2푒1 푣 − (13) 표푠푒2 phỏng được thực hiện dựa trên bảng số − 1푠푖푛푒2 + 휔푤 liệu 1 với quỹ đạo kết hợp đường thẳng, Thế 푣 푣à 휔 từ (13) vào (12): cung lồi, cung lõm. 1 2 = − 푠푖푛 푒2 ≤ 0 2 Bảng 1 Số liệu mô phỏng 3
4. là: quỹ đạo tròn và quỹ đạo cong ngẫu nhiên. 5.1 Kết quả mô phỏng. 5.2.1 Thực nghiệm với quỹ đạo tròn: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển robot Hình 5 thể hiệnkết quả thực nghiệm với hàn được thiết kế ở mục 3 theo bảng số quỹ đạo tròn bán kính 0.5 m. liệu 1 được thể hiện trong hình sau: e1 (mm) e2 (độ) 4A 4B T(s) T(s) Hình5Thực nghiệm với quỹ đạo tròn Y(m) ωr,ωl(RPM) 5.2.2 Thực nghiệm với quỹ đạo ngẫu nhiên: 4C 4D Hình 6 thể hiện kết quả thực nghiệm với quỹ đạo cong ngẫu nhiên dài 2.3 m. X(m) T(s) Hình 4A: Kết quả mô phỏng sai số e1 theo thời gian. Hình 4B: Kết quả mô phỏng sai số e2 Ký Giá Đơn theo thời gian. Giải thích Hình 4C: Kết quả mô phỏng quỹ đạo hiệu trị vị di chuyển của robot. Vận tốc mong vr 0,06 m/s Hình 4D: Kết quả mô phỏng vận tốc muốn hai bánh xe theo thời gian. Tham số của bộ Hình 4 Mô phỏng với quỹ đạo kết hợp k điều khiển 3 đường thẳng, cung lồi và cung lõm. 1 Nhận xét : Lyapunov Quan sátHình 4A và hình 4B ta thấy Tham số của bộ được khả năng hội tụ của bộ điều khiển đã k2 điều khiển 300 thiết kế (e1, e2 → 0 khi t → ∞). Hình Lyapunov 4Dbiểu diễn sự thay đổi của vận tốc hai Khoảng cách mong bánh xe theo thời gian nhưng vận tốc trung muốn giữa tâm bình không đổi (thỏa mãn yêu cầu robot di dr 0,18 m Robot và mặt cong chuyển với vận tốc đều). đứng. 5.2 Kết quả thực nghiệm. Khoảng cách từ Để kiểm tra khả năng ứng dụng của bộ b tâm robot đến bánh 0.07 m điểu khiển, tác giả đã thi công robot thật xe và tiến hành thực nghiệm khả năng hoạt r Bán kính bánh xe 0.05 m động của robot này trên hai dạng quỹ đạo 4
5. toán bám tường dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh khả năng hội tụ và ổn định của bộ điều khiển phi tuyến này. Bài báo cũng đã ứng dụng bộ điều khiển trên vào công nghệ hàn(Robot hàn tự động) nhằm góp phần làm tăng chất lượng mối hàn đồng thời tiết kiệm sức lao động, cách ly con người khỏi môi trường bức xạ cao và khí độc hại. Hình6Thực nghiệm với quỹ đạo cong ngẫu nhiên 7. Tài liệu tham khảo 6. Kết luận Bài báo đã thiết kế và kiểm chứng được bộ điều khiển cho Robot di động theo thuật [1] Nguyễn Tấn Tiến và đồng sự, Engineering, ( Code; 02-02-E04, “Control of Two-Wheeled Welding accepted to publish). Mobile Robot: Part I – Kinematic Model Approach”, Hội nghị Khoa [4] Lagoudakis, Michail G., “Mobile học và Kỹ thuật lần thứ 8, Đại học Robot Local Navigation with a Bách Khoa Tp.HCM, Việt Nam , PolarNeural Map”, MSc Thesis, pp.7-14, tháng 4,2002. University of Southwestern Louisiana, 1998. [2] Nguyễn Tấn Tiến và đồng sự, “Control of Two-Wheeled Welding [5] P. van Turennout, G. Honderd, L.J. Mobile Robot: Part II – Kinematic van Schelven, “Wall following Model Approach”, Hội nghị Khoa control of aMobile Robot”, học và Kỹ thuật lần thứ 8, Đại học International Conference on Robotics Bách Khoa Tp.HCM, Việt Nam , and Automation, Nice, France, 1992, pp.15-22, tháng 4,2002. p. 280-285. [3] T.T.Nguyễn, T.L.Chung, T.H.Bui, and [6] P.Gonzalez De Santos, M.A. Armada S.B.Kim, “ A Simple Nonlinear and M.A Jimernez, “Ship Building Control of Two-Wheeled Welding with Power”, IEEE Robotics & Mobile Robot”, Korean Transaction Automation Magazine, pp. 35-43, on Control, Automation and Systems Dec.2000. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2011 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) 5
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.