Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ điều khiển bền vững thích nghi cho robot Almega 16

Bài viết Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ điều khiển bền vững thích nghi cho robot Almega 16 đề cập đến vấn đề xây dựng thuật toán điều khiển bền vững thích nghi trong không gian khớp cho robot Almega 16.

KHOA HỌC – CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO ROBOT ALMEGA 16 BUILDING EXPERIMENTAL MODEL OF ROBUST ADAPTIVE CONTROL FOR ROBOT ALMEGA 16 Võ Thu Hà Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Cơng nghiệp Đến Tịa soạn ngày 08/01/202, chấp nhận đăng ngày 08/03/2021 Tóm tắt: Bài báo đề cập đến vấn đề xây dựng thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi khơng gian khớp cho robot Almega 16 Mục đích thuật tốn điều khiển kết hợp ưu điểm hạn chế nhược điểm điều khiển thích nghi điều khiển bền vững Bộ điều khiển khơng u cầu biết xác thơng số động lực học hệ thống giải việc ước lượng thống số giảm thiểu khối lượng tính tốn on-line đồng thời đảm bảo ổn định tiệm cận thêm nhiễu ngoại tác động Kết mô thực nghiệm cho thấy hệ chuyển động robot almega 16 đáp ứng yêu cầu điều khiển: đảm bảo sai số khớp quay nhanh chóng đạt tới khơng với thời gian q độ nhỏ Từ khóa: Thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi, robot Almega 16 Abstract: The article has memtioned to problems of building up a robust adaptive control algorithm for motion of the Robot Almega 16 in joint space Purpose of the controller is to combine both robust and adaptive algorithm to receiver their main advantages and limited the disadvantages The proposed controller not require to determiner exactly dynamic parameters of systems resolved estimated parameters, amount of calculation can be minized and ensure stability under effect of external noises Results are simulated and experimented show that the robot Almega16 motion has meet controlled requirements: Steady – state error of joint angle conveges to zero very fast with transient time is small Keywords: Robust adaptive control algorithm , Robot Almega 16 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong báo [2], [4], [3] việc xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi Li - Slotine cho robot Almega 16 cho thấy ưu điểm phương pháp xác thơng số động lực học robot Almega 16, luật điều khiển thích nghi theo Li - Slotine giải vấn đề việc ước lượng thống số đó, làm khối lượng tính tốn giảm nhiều so với phương pháp điều khiển khác [1], [5] mà đảm bảo robot TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 Almega 16 vận hành linh hoạt, đồng thời khử thành phần sai lệch góc khớp vị trí khâu tác động cuối làm cho hệ chuyển động robot Almega 16 ổn định, xác với thời gian độ nhỏ Nhược điểm lớn phương pháp điều khiển u cầu khối lượng tính tốn on-line lớn, khơng bền vững có tác động nhiễu ngoại Trong điều khiển bền vững có ưu điểm khối lượng tính tốn on-line nhỏ ổn định bền vững hệ có nhiễu ngoại 43 KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ Nhược điểm phương pháp điều khiển yêu cầu xác định trước vùng bao tham số hệ thống xuất nhiễu ngoại dẫn đến đảm bảo bền vững tiệm cận sai số bám quỹ đạo Chính kết hợp điều khiển bền vững thích nghi có ưu điểm điều khiển thích nghi điều khiển bền vững hạn chế nhược điểm chúng với tác động nhiễu ngoại khối lượng tải, hệ số ma sát, nhiễu ngoại (2), sử dụng hàm tỷ lệ dương  , xác định:   w (3) Như [Dawson et al.1990], đặc tính vật lý cánh tay robot sử dụng phương trình (2) giới hạn sau:     1 e   e  w THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI Trong đó: Đối tượng nghiên cứu robot Almega 16, [1], [2] Phương trình động lực học xây dựng, mô tả bởi:   M (q)q  Vm (q, q )q  G(q)  Fd sign(q )  Fs (q )  Td (1) Trong đó: M: ma trận quán tính; V: vectơ tương hỗ ly tâm, G: vectơ trọng trường; Fd: ma trận đường chéo xác định dương nn, ma trận dùng để mô tả ma sát động; Fs: vectơ n1 số ma sát tĩnh; Td : vectơ n1 mô tả nhiễu ngoại chưa biết Bộ điều khiển bền vững thích nghi sử dụng thuật toán tương tự điều khiển bền vững, kết hợp điều khiển phụ trợ để chặn giá trị giới hạn tham số bất định [5], [6] Giá trị giới hạn tham số bất định hàm vô hướng tổ hợp chuẩn sai số số giới hạn dương Xét hệ thống có mơ hình động lực học mô tả bất định điều khiển bền vững cho bởi: w  M (q)(qd  e)  Vm (q, q)(q  e)  G(q)  Fd q  Fs (q)  Td (2) Để xác định giới hạn thông số bất định 44 (4) e  e    : sai số khớp quay e (5)  , 1  : số giới hạn dương Trong điều khiển bền vững, yêu cầu vùng bao số giới hạn dương xác định trước tính tốn sở giá trị lớn khối lượng tải, khối lượng nối, hệ số ma sát, nhiễu ngoại,… Bộ điều khiển bền vững thích nghi phát triển "học" số giới hạn on-line cánh tay robot chuyển động Đó là, lúc tiến hành điều khiển, không yêu cầu biết xác số giới hạn, nữa, yêu cầu tồn số giới hạn đảm bảo theo (4) Bộ điều khiển bền vững thích nghi đề xuất sau:   K v r  vR (6) Trong đó: Kv : ma trận đường chéo xác định dương nn; r : sai số bám quỹ đạo; xác định bởi: r  e  e ; vR : vectơ n1 điều khiển phụ trợ Bộ điều khiển phụ trợ vR (6) định nghĩa bởi: TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ ~ rˆ vR  ˆ r   (7) Trong đó:   k  ;  (0)  (8)     ˆ (14) Bộ điều khiển phụ (6) robot với (1), (2) cho sai số hệ thống: k : thông số điều khiển tỷ lệ dương; M (q)r  Vm (q, q )r  Kv r  w  vR ˆ : hàm tỷ lệ định nghĩa bởi: Dựa vào tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, chọn hàm xác định dương, trơn: ˆ  ˆ0  ˆ1 e  ˆ2 e (9) ˆ0 , ˆ1 ˆ2 : ước lượng động học thông số động học bị chặn  , 1  Những ước lượng giới hạn đánh dấu “ ^ ” cập nhật on-line dựa luật thích nghi cập nhật Viết đơn giản (9): ˆ  Sˆ (10) Trong đó: S = [1 ||e|| ||e|| ]  ˆ  ˆ0 ˆ1 ˆ2  (11)    1   T Có thể nhận thấy giống cơng thức ma trận hồi qui phương pháp điều khiển thích nghi cơng thức cho (10) Đặc biệt, ma trận S (13) cấu thành “ma trận hồi quy” vectơ ˆ tạo “vectơ ước lượng tham số” Những ước lượng giới hạn định nghĩa (10) cập nhật on-line quan hệ:  ˆ  S T r (12) Trong đó: Thay (13) (15) vào (17) ta có: ~ V  r T K v r  S r  r T ( w  v R )  k1 T  r ( M (q)  2Vm (q, q )) r Do M+2Vm ma trận nghiêng đối, dễ thấy dịng thứ hai (18) khơng Từ (18), dùng (14) (11) để thay vào giới hạn V theo biểu thức: ~ V  r T K v r  S r  S r  r T vR  k1 (19) Thay (7), (8), (10), (14) vào (19) ta có: r T r ( Sˆ) V  r T K v r    Sˆ r  Sˆ r   (20) Có thể viết lại: r ( Sˆ) T ˆ  V  r K v r    S r  Sˆ r   Sˆ r V  r T K v r    Sˆ r   Phương trình (12) viết lại thành: ~ ~ ~ V  r T M (q)r  r T M (q)r   T  1  k1 (17) (21) Hoặc:  : số điều khiển tỷ lệ dương   S T r (16) (18) Từ viết rút gọn(4) nh sau: Trong đó: T 1~ ~ r M (q)r   T  1  k1 2 Đạo hàm (16) theo thời gian:  T   S V (15) (13) Trong đó: TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 (22) Do tổng số hạng cuối (22) ln nhỏ 0, thiết lập giới hạn V : 45 KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ V  r T K v r giới hạn (23) Từ kết chứng minh cho thấy sai lệch vị trí e trạng thái ổn định tiệm cận MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO KHỚP ĐẦU ROBOT ALMEGA 16 Tổng quát thuật toán thiết kế điều khiển bền vững thích nghi sau: rˆ   Kvr  ˆ r   Mơ hình động học robot Almega 16 xác định bởi: (25) 2q1  0.5 sgn( q1 )  0,2 sin(3t ) (24) Trong đó: K v r : thành phần đảm bảo bền vững rˆ : thành phần thích nghi Với giá trị ˆ r   e e   e  e     ˆ0 ˆ1 ˆ2   (26) 2q  0.5 sgn( q )  0,2 sin( 3t ) (27) Bộ điều khiển momen  ,  ,  bền vững thích nghi (6): (28a) 1   K v r1  r1ˆ ˆ  r  ước lượng ˆ thiết kế sau (10):  ˆ  Sˆ  1  2q  0.5 sgn( q )  0,2 sin(3t )  T r  e  e,   k  Luật cập nhật ước lượng giới hạn cho tham số    1   T :  ˆ  S T r    K v r2  r2 ˆ ˆ r   (28b)    K v r3  r3 ˆ ˆ r   (28c) Trong đó: Kv= kvI; r  e  e ;   k  ; Sai số vị trí e trạng thái ổn định tiệm cận Ước lượng giới hạn ˆ sai số bám vận tốc r  r12  r22  r32   k   t   T ( S  0 S r d )   r t   T  r S  S r d  e    + vR +  + ROBOT + Kv r r e q d qd + + + _ + e _ + + Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bền vững thích nghi 46 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC – CƠNG NGHỆ Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bền vững thích nghi mô Matlab/Simmechenic Hàm giới hạn ˆ cho bởi:  ˆ  Sˆ  e e ˆ ˆ ˆ  T Trong đó: e  e12  e22  e32  e12  e22  e32 Ước lượng giới hạn thông thường cập nhật bởi:    ˆ0   r , ˆ1   e r , ˆ2   e r, Bộ điều khiển bền vững thích nghi mô tham số điều khiển, điều kiện đầu, số cho trước chọn: Hình Vị trí góc đo cảm biến đặt khớp, robot chuyển động theo quỹ đạo thiết kế trước kv= 50,  = 5,  (0)  1, k  1, ˆ0 (0)  20, q1 (0)  q (0)  q3 (0)  q1 (0)  q (0)  q (0)  ˆ (0)  ˆ (0)  Sơ đồ biểu diễn hệ thống điều khiển thích nghi bền vững (hình 1), tính tốn tham số khảo sát hệ thống phần mềm Matlab/Simmechenic mô hệ thống (hình 2) Kết mơ phỏng: TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 Hình Vị trí góc đo cảm biến đặt khớp, robot chuyển động điểm - điểm 47 KHOA HỌC – CƠNG NGHỆ Nhận xét: khơng gian ba chiều X, Y, Z (3D) với khớp đầu robot Almega 16 Mục tiêu phần thực nghiệm đặt ra: Đảm bảo sai số điều khiển quỹ đạo nhỏ để đánh giá chất lượng điều chỉnh bám xác hệ chuyển động TMCN Từ kết thực nghiệm đạt lấy làm sở để khẳng định kết nghiên cứu lý thuyết mô Từ kết thực nghiệm đạt minh chứng làm sở cho việc ứng dụng điều khiển hệ động lực học phi tuyến khác có thông số không xác định xác cho hệ chuyển động linh hoạt thực tế Sơ đồ cấu trúc xác định điều khiển bền vững thích nghi cho khớp biểu diễn hình Các kết mơ cho thấy khớp chuyển động tương đối độc lập, bị ảnh hưởng chuyển động Vị trí góc khớp robot Almega 16 bám xác với quỹ đạo thiết kế chuyển động điểm - điểm, đảm bảo sai số góc khớp đặt (qd) góc khớp thực(qthuc) nhanh chóng đạt tới khơng với thời gian q độ nhỏ MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO KHỚP ĐẦU ROBOT ALMEGA 16 Xây dựng mơ hình thực nghiệm ứng dụng điều khiển bền vững thích nghi cho hệ chuyển động TMCN nhiều bậc tự do, với yêu cầu điều khiển bám quỹ đạo chuyển động MÁY TÍNH PCIBus FlexMotion6C OMNUCi Nội suy quỹ đạo q d1 , q d2 , q d3 e +  1  1d DAC Khớp  1t Tính tốn Bộ BV-TN - q t1 , q t2 , q t3 e d dt + q d1 , q d2 , q d3 r Chia xung e ĐC1 E1 q -t1 , q t2 , q t3 V P OMNUCi DAC Chia xung  2  2d Khớp  2t ĐC2 E2 OMNUCi DAC Chia xung  3d  3 Khớp  3t E3 ĐC3 Hình Cấu trúc xác định điều khiển bền vững thích nghi cho khớp robot 48 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC – CÔNG NGHỆ Kết thực nghiệm: KẾT LUẬN Các thông số sơ đồ cấu trúc xác định điều khiển bền vững thích nghi cho khớp tính tốn cho kết thực chạy chương trình ta thu kết biểu diễn hình Bộ điều khiển bền vững thích nghi kết hợp ưu điểm hạn chế nhược điểm điều khiển bền vững điều khiển thích nghi Việc giảm đáng kể khối lượng tính tốn online phương pháp điều khiển thích nghi, giúp hệ thống nhanh chóng ổn định đảm bảo tính thời gian thực xử lý điều khiển quan trọng với hệ thống công nghiệp nói chung yếu tố định khả đáp ứng yêu cầu công nghệ robot hệ nói riêng Bộ điều khiển bền vững thích nghi ln đảm bảo hoạt động ổn định cánh tay robot giới hạn nhiễu Việc tính tốn xác vùng bao, giới hạn điều khiển bền vững gặp nhiều khó khăn, đơi khơng thể thực được, điều khiển bền vững thích nghi giải pháp tốt khả thi Việc có ý nghĩa quan trọng nghiên cứu điều khiển bền vững thích nghi cho Robot có số bậc tự lớn Hình Đáp ứng vị trí sai lệch vị trí cho khớp robot Almega 16 Nhận xét: Đường quỹ đạo đặt đường quỹ đạo đáp ứng bàn kẹp robot Almega 16 có sai lệch nhỏ (0.2.103) Thời gian độ lớn hệ thống nhỏ (tqd=452 ms) Giá trị trung bình sai lệch vị trí khớp sử dụng điều khiển bền vững thích nghi cho khớp nhỏ (0,01 %) Thông qua đồ thị sai lệch vị trí khớp (khớp 1, khớp 2, khớp 3) ta thấy hệ bị dao động nhỏ trạng thái ổn định TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 Đồng thời báo đề cập đến vấn đề chứng minh lại thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi mơ hình thực nghiệm (hình 5), điều khẳng định lý thuyết xây dựng thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi đắn, độ bám quỹ đạo cải thiện đảm bảo ổn định hệ thống phương pháp điều khiển bền vững thích nghi có tính khả thi thực tế Bộ điều khiển bền vững thích nghi cài đặt Card điều khiển chuyển động FlexMotion-6C kết hợp với hệ truyền động biến tần - động hãng Omron Đo thực nghiệm với quỹ đạo 3D (X, Y, Z) hệ chuyển động robot Almega 16 chạy ổn định cho kết bám xác quỹ đạo đặt Ngồi với thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi có nhược điểm khối lượng tính tốn lớn cần phải biết số thơng bản, 49 KHOA HỌC – CƠNG NGHỆ ngày với vi xử lý kỹ thuật tốc cao đáp ứng theo yêu cầu Qua kết mô thực nghiệm cho thấy giải pháp ứng dụng thuật tốn điều khiển bền vững thích nghi phù hợp cho hệ chuyển động robot công nghiệp nhiều bậc tự TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Phạm Thục Anh, Võ Thu Hà, “Xây dựng thuật toán điều khiển chuyển động Robot IRB 2400”, tuyển tập báo khoa học, hội nghi khoa học lần thứ 20, trang 226, năm (2006) [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Phạm Thục Anh, Võ Thu Hà, “Xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi Li-Slotine cho [3] Robot IRB 2400”, tạp chí khoa học cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, số 69, năm (2009) Ha.V.Th., “Một số giải pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng chuyển động tay máy công nghiệp”, luận án tiến sỹ, (2012) [4] Thái Hữu Nguyên, Phan Xuân Minh, Nguyễn Cơng Khoa, “Điều khiển trượt rron thích nghi bền vững cho robot bậc tự do”, tạp chí Khoa học Công nghệ, số 52, (2014) [5] Neil Munro, Frank L.Lewis; “Robot Manipulator Control Theory and Practice”, Marcel Dekker, (2004) [6] Lorenzo Sciavico, Bruno Siciliano, “Modeling and control of Robot Manipulator, McGraw-Hill Company”, (1993) Thông tin liên hệ: Võ Thu Hà Điện thoại: 0913024989 - Email: vtha@uneti.edu.vn Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp 50 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 ... BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO KHỚP ĐẦU ROBOT ALMEGA 16 Xây dựng mơ hình thực nghi? ??m ứng dụng điều khiển bền vững thích nghi cho hệ chuyển động TMCN nhiều bậc tự do, với yêu cầu điều khiển. .. điều khiển bền vững thích nghi cho khớp tính tốn cho kết thực chạy chương trình ta thu kết biểu diễn hình Bộ điều khiển bền vững thích nghi kết hợp ưu điểm hạn chế nhược điểm điều khiển bền vững. .. giới hạn điều khiển bền vững gặp nhiều khó khăn, thực được, điều khiển bền vững thích nghi giải pháp tốt khả thi Việc có ý nghĩa quan trọng nghi? ?n cứu điều khiển bền vững thích nghi cho Robot có