Tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cánh tay máy bằng cách thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng

Nội dung text: Tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cánh tay máy bằng cách thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng

1. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG OPTIMIZATION OF ENERGY CONSUMPTION IN ROBOTIC ARM: DESIGN OF A COUNTER-BALANCING SYSTEM TS. Trần Ngọc Đảm , Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh KS. Nguyễn Thị Thu Hiền- Học viên Cao học Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy- Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Tóm tắt — Trong tương lai, việc giảm năng lượng tiêu thụ của thiết bị công nghiệp là rất quan trọng. Hiện nay hầu hết các robot làm việc trong công nghiệp không được tối ưu năng lượng tiêu thụ. Trong bài báo này, năng lượng tiêu thụ của robot được tối ưu để giải quyết vấn đề năng lượng bằng cách thêm vào một hệ thống cân bằng đối trọng là một lò xo nối giữa trục quay và tay robot. Chuyển động của tay robot là chuyển động xoay của một vật rắn quanh một điểm cố định được mô tả bằng góc giữa trục hoành và tay robot. Khi tay robot di chuyển xuống, lò xo bù một phần khối lượng của robot và do đó giảm bớt tải đặt trên động cơ. Mô hình toán và hàm tiêu thụ năng lượng được sử dụng. Các tham số của lò xo và điểm kết nối giữa lò xo và tay robot được tối ưu hoá sử dụng phương pháp tối ưu hoá toán học. Mô hình thật tay robot với cơ cấu cân bằng đối trọng được xây dựng cho việc kiểm tra. Kết quả cho thấy tổng năng lượng tiêu thụ của tay robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài và vị trí điểm đặt lò xo. Với giải pháp này, năng lượng tiêu thụ của robot có thể giảm xuống từ 10% đến 20% phụ thuộc vào khối lượng robot Từ khóa: Robot, tối ưu năng lượng, điều khiển kín, mô hình robot Abstract — For reaching a sustainable enrgy, the reduction of consumed energy is very important. However, almost robotics working in industry has not optimized energy. In this study, the consumed energy of robots was optimized to solve about disadvantages by adding a counterbalancing system that is a spring suspended between the rotating column and the link arm of the robot. The motion of the robot arm is a rotation of a rigid body about the fixed point described by the angle measured between the horizontal axis and the link arm. When the link arm is moved down this spring compensates a part of the weight of the robot arm and thus reduces the load on the motor actuating the second axis. The mathematical model and the consumed energy function of the robot arm with the counterbalancing system were used. The parameters of spring and the connection point between spring and link arm are to be optimized using numerical optimization methods. The real model of the robot arm with the counterbalancing system was setup of testing. The results show that total consumed energy of robot strongly depends on the undeflected length l, and connected point between spring and link arm and between spring and based arm. The optimal consumed energy by adding counterbalancing system is easily and efficiently and can be solved for all kind of robot. At the optimal solution, the consumed energy of robot can be reduced about 10% to 20% dependence on total mass of robot. Keywords: Industrial robotic, optimal energy, feedback control, modeling robotic 1
2. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 1.Giới thiệu: robot để khảo sát năng lượng tiêu tốn cho hệ thống Robot được ứng dụng rất rộng rãi Từ đây ta tiến hành thiết kế mô hình trong công nghiệp, và cũng tiêu thụ một tay máy để thực nghiệm. lượng năng lượng điện rất lớn. Để giải Ở đây có thể có nhiều phương án quyết vấn đề năng lượng, rất nhiều loại giảm năng lượng tiêu thụ ở khớp này, ví dụ robot cần có hệ thống cân bằng để giảm như: năng lượng tiêu thụ. Robot như trong hình - Sử dụng động cơ phụ 1 được trang bị một hệ thống cân bằng đối - Ứng dụng các giải thuật điều khiển trọng. Hệ thống cân bằng đối trọng được thông minh cho robot nối giữa cột xoay và cánh tay của robot. - Sử dụng hệ thống cân bằng lò xo Khi cánh tay di chuyển xuống (góc của Ta chọn phương án cuối cùng: hệ trục robot thứ hai giảm xuống) đối thống cân bằng bằng lò xo gắn vào như trọng này bù một phần khối lượng của hình 2. cánh tay robot và do đó giảm tải trọng đặt lên động cơ tác động lên trục thứ hai. Tuy nhiên cơ cấu cân bằng đối trọng được thiết kế và lắp ráp như thế nào để tối ưu năng lượng điện sử dụng của cánh tay là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này trình bày cách thiết kế cơ cấu đối trọng nhằm giải quyết yêu cầu trên. (a) Hình 1. Robot với hệ thống cân bằng đối (b) Hình 2: Mô hình tay máy thực trọng nghiệm (a), mô hình thực (b) 2.Phân tích và giải quyết vấn đề: Hình 3 mô hình động học cánh tay Qua khảo sát, góc quay thấp nhất của robot với cơ cấu cân bằng là lò xo. Hệ robot tốn nhiều năng lượng nhất do mang thống với sáu biến: vị trí điểm gốc lò xo tổng khối lượng lớn nhất và cánh tay đòn (điểm A) trên hệ trục xoay là Xra, Yra; dài nhất do đó ta chọn khớp trong cùng của chiều dài và độ cứng lo xo l, k; và vị trí 2
3. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh điểm đặt lò xo (điểm B) tọa độ r và góc β 1.5 103 N Độ cứng lò xo k . như trong hình 3. m Một vị trí tối ưu của điểm kết nối x d.cos( ) giữa lò xo và cánh tay được tính toán sử C y d.sin( ) dụng các phương pháp tối ưu hóa số học. C là hằng số: góc lệch giữa trọng tâm C và góc quay Phương trình cân bằng động học của cánh tay robot được biểu diễn nhu hình 4, hệ thống cân bằng đối trọng. Tọa độ điểm A và B:  xB r.cos(  )  yB r.sin(  ) r  x ; y  : vị trí của điểm A Hình 3. Mô hình động hoc của robot AAA 3. Mô hình toán của robot rBBB  x ; y  : vị trí của điểm B Chuyển động của tay robot được xem Khoảng cách từ A tới B là chuyển động xoay của một vật rắn 2 2 quanh một điểm cố định O mô tả bởi góc LAB x A x B y A y B đo được giữa trục x nằm ngang và tay Lực gây ra bởi hệ thống cân bằng đối robot như hình 3. trọng: Vị trí của trọng tâm C được cho bởi khoảng cách d và góc α. m y y sin  BA Khối lượng của toàn bộ tay robot với l0 tải trọng m = 5kg, x x cos BA l Moment quán tính theo trục xoay là θ 0 F = 0.27kgm2 .  bk  Vị trí của điểm B được mô tả bởi β và r Điểm A được cho theo khung tọa độ {O,x,y} bởi vector Hình 4. Hệ thống cân bằng đối trọng F r r k l r [ 0.085, 0.145, 0]T m, b B A 0 k: độ cứng lò xo Lò xo có chiều dài là l0 . l0 : độ dài lò xo 3
4. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh LAB l0 Giải thuật tính toán l0 : độ biến dạng lò xo LAB Phương trình năng lượng tiêu thụ của Moment gây ra bởi hệ thống cân cánh tay robot phụ thuộc vào các biến bằng đối trọng trạng thái được biểu diễn như lưu đồ giải thuật hình 5. Mb F b r E Moment gây ra bởi khối lượng m (hay trọng tâm C) : M Mm m. g . d m .cos( ) Khoảng cách, lực Momen gây ra bởi hệ số tắt dần khớp (ví dụ ma sát nhớt trong hộp số) 2 A B C Lò xo Md d  gearR  x, y x, y l, k Momen gây ra bởi moment quán tính xAA, y BB CC của tay robot 2 r, M  d gearR 1 Với gearR là hệ số khớp Hình 5. Lưu đồ giải thuật tính toán 9 Sơ đồ điều khiển Moment cân bằng trong robot Robot được dẫn động bởi một động MMMMM  d b m cơ. Động cơ được điều khiển bởi một bộ điều khiển liên tục theo thời gian (hình 6) Với động cơ ta có: với hai bộ điều khiển tỉ lệ đơn giản. Bộ M C. ia điều khiển bên trong để điều khiển điện áp phần ứng của động cơ u và bộ điều khiển M: moment ngõ ra của robot bên ngoài tính toán tốc độ động cơ yêu cầu i dòng điện phần ứng động cơ a d từ sai số bám vị trí. K hằng số động cơ Le điện cảm cuộn dây kích thích ie dòng kích thích Ue ie C K Le i e Hình 6. Điều khiển hồi tiếp Re 4
5. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 4. Kết quả Để đánh giá chất lượng của một điểm B được chọn, tay robot di chuyển lên xuống theo góc d mong muốn trong hình 7 Hình 9: năng lượng tiêu thụ của tay máy khi không có cơ cấu cân bằng đối trọng Hình 7. góc quay yêu cầu Chuyển động thực của tay robot chậm hơn hoặc sớm hơn chuyển động yêu cầu phụ thuộc vào chiều chuyển động của robot (robot di chuyển lên hoặc xuống) Tại thời điểm t1 = 2s: phi – phiDemanded = 0.5 rad Hình 10. năng lượng tiêu thụ của tay máy Tại thời điểm t2 = 5.2s: phi – khi có cơ cấu cân bằng đối trọng phiDemanded = -0.5 rad Hình 11. năng lượng tiêu thụ của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng đã tính toán Hình 8: chuyển động robot theo quỹ đạo tối ưu Thực hiện mô phỏng theo một chu kỳ quay 5
6. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Kết quả thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng, ta thu được bảng giá trị sau: Giá trị Công suất tiêu thụ [rad, m, m] [W] [0.125, 0.12, 0.08] 39.6 [0.225 0.13, 0.09] 33 [0.349; 0.12; 0.10] 25.4 35.2 Hình 12. Công suất tiêu thụ của động cơ trên [0.300, 0.15, 0.12] tính toán và thực tế [0.320, 0.14, 0.11] 33 Mô phỏng tính toán tối ưu hóa vị trí điểm B theo chuyển động cho trước với các giá trị khởi tạo ban đầu lần lượt là  và r , ta được: ta thấy với Giá trị ban Giá trị tính Năng lượng  0.349 ; r 0.12 ; l 0.10 đầu toán tiêu thụ Thì tay máy tiêu thụ năng lượng ít nhất [rad, m] [rad, m] [J] 5.Kết luận [0.125; 0.13] 140 [0.122;0.12] Kết quả mô phỏng cho thấy đã xây dựng [0.349;0.15] [0.125; 0.13] 140 được mô hình toán của tay máy với cơ cấu cân Mô phỏng tính toán tối ưu hóa mở rộng với bằng đối trọng dùng lò xo; đồng thời thấy được năng lượng tiêu thụ của robot phụ thuộc mạnh biến chiều dài lò xo l : 0 mẽ vào chiều dài lò xo và điểm nối giữa cơ cấu và thân robot. Với giải pháp tối ưu hóa này, Giá trị ban đầu Giá trị tính Năng năng lượng tiêu thụ của robot có thể được [rad, m, m] toán lượng tiêu giảm xuống đáng kể từ 10% đến 20% tùy [rad, m, m] thụ thuộc vào tải trọng. [J] Kết quả thực nghiệm cho thấy tính đúng [0.349; 0.12; 105 đắn của giải pháp. Từ đó ta có thể tiến hành tối [0.122;0.12;0.11] 0.10] ưu nhiều biến hơn như vị trí điểm đặt A và độ [0.349; 0.12; 105 cứng lò xo để giảm đến mức thấp nhất năng [0.30;0.15;0.10] 0.10] lượng tiêu thụ của robot. [0.349; 0.12; 105 [0.25;0.13;0.15] 0.10] 6
7. Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh 6. Lời cảm ơn: [2]. TS. Phạm Đăng Phước, Robot Xin chân thành cảm đến thầy TS công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. Trần Ngọc Đảm, giảng viên khoa Cơ khí [3]. D.B. Marghitu, Kinematic chế tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ Chains and Machine Component Design, thuật Tp.HCM đã hỗ trợ trong suốt thời Elsevier, Amsterdam gian hoàn thành nghiên cứu này. [4]. F. Reuleaux, The Kinematics of Machinery, Dover, New York 7.Tài liệu tham khảo: [5]. R.L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design, Prentice Hall, Upper [1]. PGS.TS. Đào Văn Hiệp, Kỹ Saddle River, NJ Thuật Robot, Nhà xuất bản Khoa học kỹ [6]. Design, Development and thuật. Manufacture of Engine and Gearbox Systems and Components 7
8. 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.