BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài Điều khiển mờ cho Robot 2 bậc tự do để phục[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Điều khiển mờ cho Robot bậc tự để phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển thông minh Mã số đề tài: 21/1DTSV02 Chủ nhiệm đề tài: Lâm Quang Hoàng Thiện Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, 11/2021 LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, nhóm em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh tài trợ kinh phí tạo điều kiện để nhóm em hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Công nghệ Điện tạo điều kiện chúng em vận dụng kiến thức tiếp thu trình học tập để thực trình nghiên cứu Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS.Trần Hữu Toàn định hướng, hỗ trợ nhóm em từ ngày đầu tìm hiểu đề tài, Thầy người truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu tạo điều kiện tốt để chúng em hồn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học Nhóm em xin chân thành cảm ơn! LỜI MỞ ĐẦU Robotics xu hướng phát triển khoa học nhằm ứng dụng trình tự động hóa sản xuất để tăng hiệu kinh tế Trong đó, nghiên cứu giải thuật điều khiển cho robot hướng nghiên cứu mở Cụ thể, việc phát triển thuật tốn điều khiển thơng minh cho hệ phi tuyến robot để thay điều khiển cổ điển thu hút nhiều nỗ lực nghiên cứu lĩnh vực Các điều khiển cổ điển nhờ vào tính ổn định đơn giản (ví dụ điều khiển PI, PID…) nên sử dụng phổ biến rộng rãi điều khiển robot Tuy nhiên, để thiết kế điều khiển đòi hỏi phải xác định mơ hình tốn đối tượng Trong hệ thống ngày trở nên phức tạp phải làm việc điều kiện chịu ảnh hưởng yếu tố bất định (môi trường, thơng số đối tượng…) Chính vậy, việc phát triển thuật tốn điều khiển thơng minh cho hệ phi tuyến robot để thay điều khiển cổ điển thu hút nhiều nỗ lực nghiên cứu lĩnh nêu Hiện có nhiều cơng trình nghiên cứu điều khiển mờ cho robot giảng dạy ứng dụng vào công nghiệp Tuy nhiên hầu hết cơng trình có điểm chung giá thành cao so với nhu cầu sử dụng, đồng thời độ phức tạp cao khiến người chưa có kiến thức sâu, đặc biệt sinh viên gặp nhiêu khó khăn tiếp cận Nhận thức điều này, nhóm em thực nghiên cứu phát triển đề tài “Điều khiển mờ cho Robot bậc tự để phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển thông minh” Mục tiêu nhằm đưa sản phẩm Robot tay máy bậc tự đảm bảo đặc tính kỹ thuật, đơn giản, dễ sử dụng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy chuyên ngành liên quan phịng thí nghiệm điều khiểu khiển thơng minh khoa Công Nghệ Điện Tử MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI MỞ ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu 10 Phương pháp nghiên cứu 11 Tổng kết kết nghiên cứu 12 Đánh giá kết đạt kết luận 20 Tóm tắt kết 21 III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 22 Kết nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3) 22 IV Tình hình sử dụng kinh phí 22 V Kiến nghị (về phát triển kết nghiên cứu đề tài) 23 VI Phụ lục sản phẩm 24 PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 25 I Xây dựng cấu hình động học robot 25 Xây dựng cấu hình xác định vùng làm việc robot 25 Xác định phương trình động học thuận robot 26 Xác định phương trình động học ngược robot 27 Xác định phương trình động lực học robot 29 II Tổng quan phần cứng điều khiển 31 Sơ đồ tổng quan phần cứng 31 Các thông số đặc điểm kỹ thuật card NI PCI-6221 32 Các thông số đặc điểm kỹ thuật driver ZR5002 34 4 Các thông số đặc điểm kỹ thuật động servo 34 Các thông số đặc điểm kỹ thuật encoder 35 III Thiết kế khí cho mơ hình robot 36 Kết cấu khí cho phần đế mơ hình robot 37 Kết cấu khí cho phần cánh tay robot 37 Kết cấu khí cho khâu chấp hành cuối 38 Thiết kế bảng điều khiển cho mơ hình 39 Kết cấu chi tiết mơ hình robot 40 IV Thiết kế điều khiển PID mờ cho robot 41 Thiết kế điều khiển PI mờ 42 Thiết kế điều khiển PD mờ 45 V Nội suy quỹ đạo cho robot 45 VI Lưu đồ điều khiển 48 VII Sơ đồ đấu nối phần cứng điều khiển 49 VIII KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52 Sản phẩm mơ hình robot bậc tự 52 Kết thực nghiệm 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM 64 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Cánh tay robot liên kết với động khâu chấp hành cuối 13 Hình Mơ hình 3D Robot bậc tự 13 Hình Bảng điều khiển mơ hình 14 Hình Hình ảnh phần cứng điều khiển 15 Hình Hình ảnh mơ hình hồn chỉnh nhìn từ phía trước 15 Hình Hình ảnh mơ hình hồn chỉnh nhìn từ phía sau 16 Hình Mơ hình kết nối với car NI PCI máy tính 16 Hình Chương trình điều khiểu dùng điều khiển PID mờ 17 Hình Robot vẽ quỹ đạo hình elip mặt giấy A4 17 Hình 10 Robot vẽ quỹ đạo hình số mặt giấy A4 18 Hình 11 Thêm tải cho khâu chấp hành cuối Robot 18 Hình 12 Cấu hình robot 2-DOF hệ tọa độ Decart 25 Hình 13 Khơng gian làm việc robot 2-DOF hệ tọa độ Decart 26 Hình 14 Gắn hệ trục tọa độ cho robot 26 Hình 15 Gắn hệ trục tọa độ cho robot 27 Hình 16 Mơ hình hóa hệ robot gắn hệ truc tọa độ 29 Hình 17 Sơ đồ phần cứng điều khiển robot 2-DOF 32 Hình 18 Hình ảnh thực tế card NI PCI-6221 32 Hình 19 Sơ đồ chân card NI PCI-6221 33 Hình 20 Hình ảnh sơ đồ chân driver ZR5002 34 Hình 21 Hình ảnh động servo 35 Hình 22 Hình ảnh encoder 36 Hình 23 Thiết kế khí cho phần đế mơ hình 37 Hình 24 Thiết kế khí cho phần cánh tay robot 38 Hình 25 Thiết kế khớp liên kết động với khâu 38 Hình 26 Thiết kế khí cho khâu chấp hành cuối 39 Hình 27 Cánh tay robot liên kết với động khâu chấp hành cuối 39 Hình 28 Bảng điều khiển mơ hình 40 Hình 29 Mơ hình Robot tay máy 2-DOF 40 Hình 30 Vùng làm việc thực tế robot\ 41 Hình 31 Sơ đồ điều khiển PID Mờ 42 Hình 32 Sơ đồ điều khiển PI mờ 42 Hình 33 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ vào E 43 Hình 34 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ vào DE 43 Hình 35 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ DU 43 Hình 36 Sơ đồ điều khiển PD Mờ 45 Hình 37 Quỹ đạo mong muốn 46 Hình 38 Nội suy góc θ1 47 Hình 39 Nội suy góc θ2 47 Hình 40 Lưu đồ chương trình điều khiển 48 Hình 41 Sơ đồ đấu kết nối cứng điều khiển 49 Hình 42 Sơ đồ thứ tự chân cap DB15 50 Hình 43 Sơ đồ mạch PCB mạch điều khiển 51 Hình 44 Mạch điều khiển thực tế 51 Hình 45 Hình ảnh mơ hình hồn chỉnh nhìn từ phía trước 52 Hình 46 Mơ hình kết nối với car NI PCI máy tính 53 Hình 47 Sơ đồ điều khiển matlab/simulink dùng điều khiển PID mờ 53 Hình 48 Robot vẽ quỹ đạo hình elip mặt giấy A4 54 Hình 49 Robot vẽ quỹ đạo hình số mặt giấy A4 54 Hình 50 Sai lệch quỹ đạo Robot điều khiển PID PID Mờ 55 Hình 51 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 55 Hình 52 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 56 Hình 53 Sai lệch quỹ đạo Robot điều khiển PID PID Mờ 56 Hình 54 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 57 Hình 55 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 57 Hình 56 Thêm tải cho khâu chấp hành cuối Robot 58 Hình 57 Sai lệch quỹ đạo Robot điều khiển PID PID Mờ 58 Hình 58 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 59 Hình 59 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 59 Hình 60 Sai lệch quỹ đạo Robot điều khiển PID PID Mờ 60 Hình 61 Sai lệch quỹ đạo khớp điều khiển PID PID Mờ 61 DANH MỤC BẢNG Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Bảng Định lượng sai số trường hợp thực nghiệm quỹ đạo elip 19 Định lượng sai số trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 19 Các thông số vật lý robot 36 Hệ quy tắc mờ điều khiển 44 Sơ đồ kết nối chân phần cứng với card NI PCI 50 Định lượng sai số trường hợp thực nghiệm quỹ đạo elip 61 Định lượng sai số trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 62 PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng qt 1.1 Tên đề tài: Điều Khiển Mờ Cho Robot Bậc Tự Để Phục Vụ Phịng Thí Nghiệm Điều Khiển Thơng Minh 1.2 Mã số: 21/1DTSV02 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài Lâm Quang Hồng Thiện Sinh Viên Khoa Cơng Nghệ Điện Tử, IUH Chủ nhiệm đề tài Huỳnh Đức Min Sinh Viên Khoa Cơng Nghệ Điện Tử, IUH Thành viên TT (học hàm, học vị) 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 09 năm 2021 1.5.2 Gia hạn (nếu có): khơng gia hạn 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 09 năm 2021 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): khơng thay đổi 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 15 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Robotics xu hướng phát triển khoa học Robot sử dụng để thay người làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm nơi người đặt chân đến Tuy nhiên ngồi ưu điểm, ứng dụng vượt trội robot lại có nhược điểm rập khn làm việc theo lập trình sẵn Chính nhu cầu người ngày cao hơn, đòi hỏi robot phải hiểu người thay người xử lý cơng việc, tình địi hỏi tính tư Một phương thức điều khiển đáp ứng yêu cầu phương pháp điều khiển thơng minh Nhận thấy tầm quan trọng xu hướng phát triển robot phương pháp điều khiển này, đề tài tập trung nghiên cứu, mơ hình hóa láp ráp mẫu robot nhằm phục vụ việc thí nghiệm giảng dạy Đề tài thực mơ hình hóa láp ráp robot bậc tự sở robot hệ tay máy, khâu chấp hành cuối robot thực bám đuổi quỹ đạo cho trước với quỹ đạo thực phương pháp nội suy Đồng thời, đề tài trình bày phương thức điều khiển thông minh dựa sở logic mờ nhằm biểu diễn, xử lý thực thi lại tri thức-trực giác người vấn đề điều khiển robot Nhờ đó, kinh nghiệm người tích hợp vào điều khiển robot thông qua luật mờ trình thiết kế Bộ điều khiển cho robot xây dựng phần mềm Matlab card thu thập liệu National Instrument PCI-6221 Để kiểm chứng hiệu giải thuật điều khiển đề xuất, đề tài tiến hành thực nghiệm mơ hình robot xây dựng so sánh kết điều khiển với phương pháp điều khiển PID cổ điển điều kiện robot chịu tác động yếu tố bất định tải mang Mục tiêu đề tài hướng đến đưa sản phẩm Robot tay máy bậc tự đảm bảo đặc tính kỹ thuật, đơn giản, dễ sử dụng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy chun ngành liên quan phịng thí nghiệm điều khiểu khiển thông minh khoa Công Nghệ Điện Tử Qua giúp sinh viên có thêm hội điều kiện để học tập, nghiên cứu giải thuật điều khiển robot Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng qt Mơ hình hóa, lắp ráp điều khiển mờ cho robot bậc tự nhằm phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển thông minh việc giảng dạy 2.2 Mục tiêu cụ thể Với mong muốn thực đề tài khoa học có khả ứng dụng hỗ trợ giảng dạy, nhóm tác giả đề xuất thực đề tài nhằm giúp sinh viên chuyên ngành kỹ thuật robot, điện tử, tự động hóa tiếp cận nhanh chóng với kiến 10 ... thức điều này, nhóm em thực nghiên cứu phát triển đề tài ? ?Điều khiển mờ cho Robot bậc tự để phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển thông minh? ?? Mục tiêu nhằm đưa sản phẩm Robot tay máy bậc tự đảm... hội điều kiện để học tập, nghiên cứu giải thuật điều khiển robot Mục tiêu nghiên cứu 2. 1 Mục tiêu tổng qt Mơ hình hóa, lắp ráp điều khiển mờ cho robot bậc tự nhằm phục vụ phịng thí nghiệm điều khiển. .. thực nghiệm quỹ đạo elip 61 Định lượng sai số trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 62 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Điều Khiển Mờ Cho Robot Bậc Tự Để Phục Vụ Phịng