Phát triển bộ điều khiển chính xác cho robot 3 bậc tự do sử dụng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN PHI TUYẾN THÔNG MINH S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 38 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐINH PHƯỚC NHIÊN S KC 0 9 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN PHI TUYẾN THƠNG MINH SV2021-38 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện – Điện tử SV thực hiện: Đinh Phước Nhiên Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 171512A Năm thứ: Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hoá Người hướng dẫn: TS Đặng Xuân Ba TP Hồ Chí Minh, 10/2021 Mục lục Chương 1: Tổng Quan 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài .3 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu giới hạn đề tài 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4.3 Giới hạn đề tài .4 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Nguyên lý hoạt động robot 2.2 Thuật toán điều khiển 2.2.1 Lý thuyết điều khiển tự động 2.2.2 Cấu tạo hệ thống điều khiển tự động 2.2.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động 2.2.4 Các nguyên tắc điều khiển 11 2.2.5 Lý thuyết robot 14 2.2.6 Lý thuyết điều khiển thông minh 25 Chương 3: Xây dựng mơ hình tốn học điều khiển robot 30 3.1 Động học thuận 30 3.2 Tính tốn động học nghịch thơng minh 30 3.2.1 Phương pháp tính tốn động học ngược 30 3.2.2 Giới hạn di chuyển khớp 31 Chương 4: Mô Kiểm chứng .34 4.1 Mô 34 4.2 Mơ hình thực tế 41 Chương 5: Kết luận Kiến nghị 48 5.1 Kết luận 48 5.2 Kiến nghị 48 Tài liệu tham khảo 49 Phụ lục 50 Danh Mục Bảng Biểu Bảng Bảng phân công công việc Bảng Các thơng số kỹ thuật robot Hình 2.1 Ngun lý hoạt động robot Hình 2.2 Cấu tạo hệ thống điều khiển tự động Hình 2.3 Nguyên tắc tự chỉnh định Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san sai lệch Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp Hình 2.7 Các phận cấu thành robot cơng nghiệp Hình 2.8 Một số quỹ đạo di chuyển khớp Hình 2.9 Vị trí, vận tốc gia tốc thay đổi từ trạng thái bắt đầu đến trạng thái nghỉ Hình 2.10 Quỹ đạo qua vị trí trung gian với vận tốc mong muốn điểm Hình 2.11 Cấu trúc chức điều khiển tự động thơng minh Hình 3.1 Hệ trục robot Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển vận tốc robot Hình 4.1 So sánh tín hiệu ngõ khớp Hình 4.2 So sánh tín hiệu ngõ khớp Hình 4.3 So sánh tín hiệu ngõ khớp Hình 4.4 Sai số điểm đầu cuối với k số Hình 4.5 Sai số điểm đầu cuối với k biến số Hình 4.6 Tín hiệu phản hồi từ khớp Hình 4.7 Sai số vị trị điểm đầu cuối với tác dụng tín hiệu nhiễm Danh Mục Những Từ Viết Tắt b2, b3 thông số điều chỉnh độ rộng hàm gauss Diag: hàm lấy ma trận đường chéo E: sai số hệ thống J: jacobian đóng vai trị độ dốc gradient descent đạo hàm sai số theo theta k2,k3:thông số điều chỉnh biên độ hàm ràng buộc Li: độ dài khớp nối sin(23 )  sin(  3 ) sin(123 )  sin(1    3 ) (•) viết tắt cho thứ viết bên ngoặc Ví dụ: (2x+3y+5z) viết thành (•) 10  : theta max 11  : theta 12  ee : vị trí toạ độ điểm đầu cuối BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN PHI TUYẾN THÔNG MINH - Chủ nhiệm đề tài: Đinh Phước Nhiên - Lớp: 171512A Mã số SV: 17151238 Khoa: Điện – Điện tử - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Huỳnh Vĩnh Nghi 17151234 171512B Điện – Điện tử Khưu Luân Thành 17151257 171512B Điện – Điện tử Phùng Hưng Bình 17151171 171512B Điện – Điện tử - Người hướng dẫn: TS Đặng Xuân Ba Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu phát triển điều khiển robot hoạt động xác bền vững nhiều điều kiện khác sử dụng kỹ thuật điều khiển phi tuyến thơng minh Tính sáng tạo: Đề tài áp dụng thuật toán phi tuyến thông minh để điều khiển robot bậc tự với sai số tối thiểu Thuật toán giúp robot hoạt động cách linh hoạt không gian hẹp, nhiều vật cản Kết nghiên cứu: Thuật toán điều khiển cho redundant robot bậc tự Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Trong tương lai, điều khiển có áp dụng cho cánh tay robot hoạt động vùng không gian chật hẹp, tăng độ xác, giảm thiểu khả va chạm với vật cản dẫn đến hư hỏng Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Kết nghiên cứu nhóm đăng Tập san khoa học Học Viện Hàng Không Việt Nam kỳ 12/2020 Ngày 11 tháng 10 năm 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn song góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Nhóm nghiên cứu đạt kết quan trọng việc đề xuất kỹ thuật điều khiển cho robot giải vấn đề sau: độ xác điều khiển cao, tính ổn định xác môi trường tiếp xúc vật cản ràng buộc không gian khớp Các kết nghiên cứu đánh giá cẩn thận thông qua mô phỏng, thực nghiệm đăng Tập san khoa học Học Viện Hàng Không Việt Nam kỳ 12/2020 Ngày 11 tháng 10 năm 2021 Người hướng dẫn (kí, họ tên) Chương 1: Tổng Quan 1.1 Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, phát triển khoa học kỹ thuật tạo bước trưởng thành đáng kể cho máy móc nói chung robot nói riêng Trong giai đoạn phát triển, robot ngày trở nên đa dạng thông minh nhờ khả xử lý nhanh điều khiển dùng máy tính Tuy nhiên khả thực hóa robot không phụ thuộc vào điều khiển mà khả nhận biết “cơ cấu chấp hành” Theo dự đoán, tương lai robot tâm điểm cách mạng lớn sau internet Con người có nhu cầu sở hữu robot cá nhân nhu cầu sở hữu máy tính để bàn Với xu hướng ứng dụng truyền thông khác robot công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí đặc biệt quốc phịng an ninh thị trường dành riêng cho robot vô to lớn Trong cách mạng robot, giới bước vào kỉ nguyên khám phá sâu môi trường tự nhiên Trái Đất, chí vượt khỏi quy mơ Trái Đất để tiến ngồi vũ trụ Do đó, robot thay hỗ trợ người thực công việc nhàm chán, cơng việc nguy hiểm địi hỏi tốc độ cơng việc địi hỏi độ xác cao vượt khả người Với đề tài nghiên cứu khoa học này, chúng em hướng tới việc xây dựng nên cánh tay robot điều khiển thông minh áp dụng cho robot Ý tưởng vốn vận dụng rộng rãi ngành công nghiệp nặng nhẹ, nhiên mẻ đối tượng học sinh, sinh viên Chúng em lựa chọn đề tài với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu sâu robot nói chung cánh tay robot nói riêng Tình hình ngồi nước Robot có bước tiến đáng kể nửa kỷ qua Robot ứng dụng ngành công nghiệp vào năm 60 để thay người làm công việc nặng nhọc, nguy hiểm mơi trường độc hại Dữ liệu Liên đồn robot quốc tế (IFR) cho thấy, năm 2015, ngành công nghiệp sản xuất có 66 robot 10000 người lao động Năm 2017, liệu tăng lên 77 10000 người lao động Do nhu câu sử dụng ngày nhiều trình sản xuất phức tạp nên robot cơng nghiệp cần có khả thích ứng linh hoạt thơng minh Ngày nay, ngồi ứng dụng sơ khai ban đầu robot chế tạo máy ứng dụng khác y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dưng, an ninh quốc phòng động lưc cho sư phát triển ngành công nghiệp robot Cũng phải nhắc lại theo dư đốn vịng 20 năm người có nhu câu sử dụng robot cá nhân nhu câu sử dụng máy tính PC robot tâm điểm cách mạng lớn sau internet Với xu hướng này, ứng dụng truyền thông khác robot công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải tri đặc biệt an ninh quốc phịng thị trường robot vơ to lớn Bên cạnh đó, số ứng dụng liên quan đến Robot sử dụng nhiều hơn, ví dụ mang robot lên điện toán đám mây hay mạng xã hội Chi phi để sở hữu Robot giảm xuống nhanh, giúp cho trình đại hóa diễn cách thuận lợi Quan trọng hơn, nhận thức chung cộng đồng Robot có nhiều thay đổi Đó dấu hiệu rõ ràng cho thấy ngành công nghiệp thời điểm quan trọng, có nhiều tác động tích cưc đời sống Với sư phát triển xã hội q trình đại hóa nước phát triển nhiều dịch vụ hình thành làm thay đổi quan điểm robot từ robot phục vụ công nghiệp sang phục vụ cho nhu câu xã hội nhu câu cá nhân người Tình hình nước Cùng với Thế Giới, Việt Nam coi thị trường tiềm cho robot cơng nghiệp Đã có nhà máy sử dụng hàng ngàn người máy sản xuất xe ôtô, làm dây chuyền chế biến độc hại Phó Giáo Sư, Tiến sĩ Bùi Văn Hạnh, Phó Viện trưởng Viện Cơ Khi, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhận định: Xu hướng nghiên cứu, ứng dụng robot công nghiệp, gia tăng mơ hình “nhà máy thơng minh” khu công nghiệp xu hướng phát triển mạnh Việt Nam Hiện có nhiều doanh nghiệp thưc thành công số sản phẩm robot thị trường đón nhận Có thể kể đến số loại robot quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot sinh học (Bio Inspired Robots) Robot cá nhân (Personal Robots) Robot tư động nghiên cứu nhiều xe tư hành nước AUV (Autonomoues Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) Với Robot sinh học, nghiên cứu thời gian qua tập trung dạng Robot (Walking Robots) Robot dáng người (Humanoid Robots) Bên cạnh đó, loại robot sinh học nước robot cá, cấu trúc chuyển động theo sinh vật biển nhiều nhóm nghiên cứu phát triển Mặc dù cấu trúc loại robot có khác nghiên cứu hướng ứng dụng dịch vụ hoạt động robot môi trường tư nhiên 1.2 Mục tiêu đề tài Chúng ta muốn điều khiển cánh tay robot cần tính động học thuận động học nghịch với động lực học robot Nhưng thuật tốn điều khiển thơng thường khơng đáp ứng tốt tất trường hợp, thêm vào phần sai số phần cứng thiết kế khơng thể tối ưu cách hồn hảo Tất yếu tố dẫn đến việc sai số cộng dồn lớn Đây mục tiêu nhóm phát triển theo hướng phát triển điều khiển thơng minh Nhóm đặt mục tiêu để hồn thành đề tài cụ thể sau:  Tính tốn xây dựng mơ hình tốn học robot bậc tự  Mơ mơ hình tốn học robot bậc tự  Áp dụng điều khiển thông minh  Viết báo nghiên cứu khoa học 1.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung STT Sản phẩm Người thực Thời gian Phát triển mơ hình tốn đối tượng Mơ hình tốn học tháng Nhiên, Nghi, Bình Hình 4.13 Sai số vị trí điểm đầu cuối có vật cản 46 Hình 4.14 Trạng thái khớp có vật cản Sau kiểm tra, thấy robot phản hồi với sai số tương tự có vật cản mơi trường làm việc Khớp bị khựng lại góc 33,15 độ khớp tạo lượng lớn mômen chống lại vật cản (không nhiều để làm hỏng robot), sai số vị trí giảm 0, mơmen giảm theo 47 Chương 5: Kết luận Kiến nghị 5.1 Kết luận Trong nghiên cứu này, phương pháp thông minh thiết kế cho vấn đề redundant robot với ràng buộc đầu Bài toán động học nghịch phương pháp giải cách hiệu quả, chí người ta cịn giải nhiều phương pháp để làm cho robot linh hoạt tác động bên Kết mô cho thấy chất lượng phản hồi tốt giữ robot giới hạn Vận tốc khớp giảm khớp đạt giới hạn để tránh va chạm vật lý làm vận động khớp Các ràng buộc thích hợp tổng hợp mục tiêu thứ hai sử dụng hàm phi tuyến, hàm độ lợi thêm vào để nhấn mạnh hiệu tác dụng cấu trúc điều khiển chung 5.2 Kiến nghị Trong tương lai, phương pháp thơng minh áp dụng cho đối tượng robot thật để nâng cao hiệu cơng việc tính linh hoạt không gian làm việc 48 Tài liệu tham khảo [1] Keng Peng Tee, Shuzhi Sam Ge, Haizhou Li and Beibei Ren, “Control of Nonlinear Systems with Time-Varying Output Constraints”, IEEE International Conference on Control and Automation, pp 524-529 December 2009 [2] Andreas C Nearchou, “Solving the inverse kinematics problem of redundant robots operating in complex environments via a modified genetic algorithm”, Inverse kinematics problem of redundant robots, vol 33, no 3, pp 273-292, 1998 [3] Panagiotis K Artemiadis, Pantelis T Katsiaris, Kostas J Kyriakopoulos, “A biomimetic approach to inverse kinematics for a redundant robot arm”, Auton Robot, vol 29, pp 293-308, 2010 [4] Ziqiang Mao, T C Hsia, “Obstacle avoidance inverse kinematics solution of redundant robots by neural networks”, Robotica, vol 15, pp 3-10, 1997 [5] Inhyeok Kim, Jun-Ho Oh, “Inverse Kinematic Control of Humanoids Under Joint Constraints”, International Journal of Control”, International Journal of Advanced Robotic Systems, vol 10, no 74, 2013 [6] Javier Moreno, Rafael Kelly, “Velocity control of robot manipulators: Analysis and experiments” International Journal of Control, vol 76, no 17, pp 1420-1427, 2003 [7] Andrew A Goldenberg, B Benhabib, Robert G Fenton, “A Complete Generalized Solution to the Inverse Kinematics of Robots”, IEEE Journal of Robotics and Automation, vol RA-1, no 1, March 1985 [8] Alessandro Tringali, Silvio Cocuzza, “Globally Optimal Inverse Kinematics Method for a Redundant Robot Manipulator with Linear and Nonlinear Constraints”, Robotics, 2020 [9] Paulo Costa, José Lima, Ana I Pereira, Pedro Costa, Andry Pinto “An Optimization Approach for the Inverse Kinematics of a Highly Redundant Robot”, Conference for Industrial Advancement AECIA 2015, Advances in Intelligent Systems and Computing 427, pp 403-442, 2015 49 Phụ lục Bảng vẽ khớp 1: 50 Bảng vẽ khớp 3: Link video vận hành mô hình thực: https://www.youtube.com/watch?v=hOZJZ5ZvNnI 51 Minh chứng sản phẩm đề tài: An Intelligent Control Of Redundant Robots Under Output Constraints in Internal Scientific Journal – Viet Nam Aviation Academy, Vol 2, Dec 2020 52 53 54 55 56 57 58 59 S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG... robot bậc tự Phương pháp điều khiển thơng minh áp dụng cho mơ hình 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Phát triển điều khiển mô hình mơ theo hình dáng robot bậc tự do:  Mơ hình tốn học hồn chỉnh  Bộ điều