Điều khiển thíh nghi ho robot song song adaptive ontrol for parallel robots

Các thuật toán điều khiển cũng được nghiên cứu và cả ến liên tục, làm tăng độ chính xác củi ti a robot lên.. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển Robot cũng như các phương pháp điều

TRƯỜ NG Đ Ạ I H ỌC BÁCH KHOA HÀ NỘ I

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Adaptive control for parallel robots

NGUY Ễ N CAO CƯỜNG

Cuongktz179@gmail.com

Ngành ỹ K thu t ậ Cơ điệ n t ử

Giảng viên hướng d n: TS ẫ M c Th ạ ị Thoa

a GVHD Chữ ký củ

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061132226691000000

CỘNG HÒA XÃ HỘI CH Ủ NGHĨA VIỆT NAM

Độ ậ – ự c l p T do H nh phúc – ạ

H ọ và tên tác gi ả luận văn Nguy n Cao : ễ Cường

Chuyên ngành:K thu t ỹ ậ Cơ điệ ửn t

Tác giả, Người hướng d n khoa hẫ ọc và Hội đồng ch m luấ ận văn xác nhận tác giả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên bản h p Họ ội đồng ngày 25/11/2020

với các nội dung sau:

Đề ngh hị ọc viên chỉnh s a mộ ốử t s l i ch b n, lỗ ế ả ỗi trích dẫn; chuẩn hóa thuật

ngữ; bổ sung/giải thích cụthể hơn các hình vẽ theo các góp ý củ ội đồa h ng

Ngày tháng năm 2020

CHỦ ỊCH HỘ T I Đ ỒNG

ĐỀ TÀI LU ẬN VĂN

Đề tài: Đi u khiề ển thích nghi cho robot song song

Giáo viên hướng d n ẫ

K ý và ghi rõ họ tên

Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên tôi, giúp tôi có quyết tâm hoàn thành luận án này

Tóm tắt n i duộ ng luậ n văn

Đề tài “Điều khiển thích nghi cho robot song song” ập trung nghiên cứ t u vi c s ệ ử

d ng b ụ ộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở thích nghi nơ ron áp dụng cho đối tượng cánh tay robot song song Mục đích nhằ đảm m b o h ả ệ cánh tay robot song song bám được qu ỹ đạo đặt trước Lý do chọn b ộ điều khiển trượt là do bộđiều khiển này có tính bền v ng, kh ữ ả năng chống nhi u t t v i h phi tuy n Tĩnh ễ ố ớ ệ ế

ổn định c a h ủ ệ thông được ch ng minh t viứ ừ ệc xác định hàm Lyapunov Trong quá trình thiết k b ế ộ điều khiển, tôi nhận th y tham s c a b ấ ố ủ ộ điều khiển có ảnh hưởng

lớn đến chất lượng u ra c a b đầ ủ ộ điều khiển, nên luận văn đề xu t s d ng m ng ấ ử ụ ạ

nơ ron nhân tạo RBF để chỉnh định tham s ố điều khi n nhể ằm nâng cao chất lượng điều khi n Luể ận văn tiến hành mô phỏng ki m ch ng k t qu ể ứ ế ả trên Matlab Simulink Các kết qu cho th y b ả ấ ộ điều khiển có khả năng kháng nhiễu cao Phướng phát triển trong th i gian t i là x y d ng b ờ ớ ấ ự ộ điều khiển và cài xuống thi t ế

b ịthực, thi t k giao diế ế ện trên máy tính để điều khiển bám quỹ đạ o cho trước đối

với cánh tay robot song song

MỤ C LỤC

T NG QUAN V ROBOT SONG SONG 1Ổ Ề

1.1 Giới thi u chung v ệ ềrobot 1

1.2 Robot có cấu trúc song song 4

1.3 Nguyên lý cấ ạo và hoạ ộu t t đ ng c a robot song song 4ủ 1.3.1 T ng quan 4ổ 1.3.2 Vận hành Robot song song 6

1.3.3 Yêu cầu điều khi n 6ể 1.3.4 Phương pháp điều khi n 7ể 1.4 ng d ng c a robot song song 8Ứ ụ ủ T K B U KHI NGHIÊN CỨU VÀ THIẾ Ế Ộ ĐIỀ ỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NORON NHÂN TẠO CHO ROBOT SONG SONG 13

2.1 Mô hình toán học của robot song song 13

2.1.1 Mô hình cánh tay song song 13

2.1.2 Mô hình Euler-Lagrange 16

2.1.3 Động học ngược của robot song song 19

2.1.4 Mô hình hóa đối tượng robot song song 20

2.2 Một số ộ điề b u khi n cho robot song song 22ể 2.2.1 B ộ điều khi n PID 22ể 2.2.2 B ộ điều khiển trượt 22

2.2.3 B ộ điều khiển thích nghi sử ụ d ng mạng nơron nhân tạo 22

2.2.4 So sánh các bộ điều khiển đã nêu 23

2.3 N n tề ảng cơ sở ả gi i thuật điều khi n 23ể 2.3.1 Điều khiển trượt 24

2.3.2 Mạng nơron nhân tạo RBF 31

2.4 T ng h p b ổ ợ ộ điều khiển trượt trên cơ sở ạng nơron nhân tạ m o 33

2.4.1 T ng h p b ổ ợ ộ điều khiển trượt 33

2.4.2 T ng h p b ổ ợ ộ điều khiển trượt thích nghi dựa trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo 36

K T QU Ế Ả MÔ PHỎNG 40

3.1 Sơ đồ ấu trúc điề c u khi n 40ể 3.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab 40

KẾ T LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KH O 51Ả

PHỤ Ụ L C 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Mặt Trăng Lunokohod 1 2

Hình 1.2 Robot Shakey 3

Hình 1.3 Mô hình cánh tay robot song song 5

Hình 1.4 Cấ ạu t o kh p quay R (revolute joint) 6ớ Hình 1.5 Mô tả chuyển động của cánh tay robot song song 7

Hình 1.6 Robot song song hai cánh tay trong phòng thí nghiệm 9

Hình 1.7 Robot song song hai cánh tay ứng dụng trong công nghiệp 9

Hình 1.8 Buồng lái mô phỏng máy bay của CAE s dử ụng cơ cấu chấp hành là robot song song 10

Hình 1.9 Bàn gá 6 chân dùng robot song song 10

Hình 1.10 Mô hình cánh tay giả ử ụng cơ cấ s d u chấp hành song song gồm 3 cơ c u chấ ấp hành song song 11

Hình 1.11 Robot song song của ABB dùng trong gia công cơ khí 11

Hình 1.12 Bệ đỡ ổn đị nh anten s dử ụng cơ cấu robot song song 12

Hình 2.1 Mô hình của cánh tay robot song song 13

Hình 2.2 Các lực tác dụng lên vật m 14

Hình 2.3 Sơ đồ ệ ống điề h th u khi n s d ng lu t đi u khiể ử ụ ậ ề ển trượt 29

Hình 2.4 Sơ đồ ạng nơ ron nhân tạ m o 32

Hình 3.1 Tín hiệu đặt (đường màu đen) và góc quay tai các khớp th c t ự ế khi chưa có nhiễu tác động 41

Hình 3.2 So sánh quỹ đạ o trạng thái củ ảa t i tr ng m gi a qu o mong muọ ữ ỹ đạ ốn và thực tế khi chưa có nhiễu tác động 42

Hình 3.3 Nhiễu tác động lên các khớp quay quay c a cánh tay robot (Nm) 43ủ Hình 3.4 Tín hiệu đặt (đường màu đen) và góc quay tai các khớp th c t ự ế khi có nhiễu tác động 43

Hình 3.5 So sánh qu o trỹ đạ ạng thái củ ảa t i tr ng m gi a qu o mong muọ ữ ỹ đạ ốn và thực tế khi có nhiễu tác động 44

Hình 3.6 Tín hiệu đặt (đường màu xanh) và góc quay tai các khớp th c t 45ự ế Hình 3.7 So sánh quỹ đạ ặ i đ t và v trí th c t c a t i tr ng m 46ị ự ế ủ ả ọ Hình 3.8 Góc quay tại các khớp và tín hiệu đặt 47 Hình 3.9 So sánh quỹ đạ ặ i đ t và v trí th c t c a t i tr ng m 48ị ự ế ủ ả ọ

1.1 Giới thiệu chung v robot ề

Robot có lịch s ử phát triển lâu đời, t trưừ ớc khi máy tính điệ ửn t xu t hi n ấ ệKhái niệm “robot” xu t hi n lấ ệ ần đầu tiên năm 1922, trong vở ịch “Rossum’s kUniversal Robot” của nhà soạn k ch Ti p Kh c Karen Kapek, trong đó từ “robot” ị ệ ắdùng để ch m t thi t b t ỉ ộ ế ị ự làm việc do một nhân vật trong v k ch t o ra ở ị ạ

Những robot th c s ự ự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ng d ng ứ ụtrong công nghiệp th c s lự ự ại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên c u ch t o loứ ế ạ ại tay máy đôi điều khi n t ể ừ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế ạo tay máy gần tương tự ử ụng cơ cấu tác độ t s d ng

là những động cơ điện k t h p vế ợ ới các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp

t c ch t o m t dụ ế ạ ộ ạng tay máy đôi ử ụng động cơ servo và có thể s d nh n bi t lậ ế ực tác động lên khâu cuối S d ng nhử ụ ững thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạ ộng trong công việt đ c khảo sát đáy biển

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng k ể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm b m t c a mề ặ ủ ặt trăng Lunokohod 1 được điều khi n t ể ừ trái đất

2

T ừthập niên 50, cùng vớ ự phát triểi s n c a k thuủ ỹ ật điều khiển theo chương trình số NC (Numerical Control) v i s h trợ ủa các cơ cấu Servo và các hệđiệớ ự ỗ c n toán (Computation), ý tưởng k t hế ợp điều khi n NC vể ới các cơ cấu điều khi n t ể ừ

xa được hình thành và triển khai nghiên cứu Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay máy chấp hành cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chấp hành ủ th y lực và điệ ừ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman củn t a General Electric Năm 1954 George C.Devo đã thiế ế ột k m t thi t b ế ị có tên là “Cơ cấu b n l ả ề dùng

để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, m t k ộ ỹ sư công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên

Viện nghiên cứu thuộc Trường Đạ ọc Stanford vào năm 1969 đã thiế ếi h t k robot Shakey di động tinh vi hơn để ự th c hi n nhệ ững thí nghiệm v ề điều khi n s ể ử

d ng h ụ ệ thống thu nhận hình ảnh để nh n dậ ạng đối tượng (hình 1.3) Robot này đượ ập trình trước đểc l nh n dậ ạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến

đối tượng và thực hi n m t s ệ ộ ố tác động trên đối tư ng ợ

Hình 1.1 Xe t ự hành thám hiể m M ặt Trăng Lunokohod 1

Những cu i th k 20 - u th k ố ể ỉ đầ ế ỉ 21, Robot đang dần chuy n sang th h ể ế ệ

m i S ớ ự ra đờ ủa máy tính điệ ử có tốc độ tính toán ngày càng nhanh, có thểi c n t thực hi n nhiệ ều tác vụ cùng lúc, có khả năng lưu trữ ớn là mộ l t cuộc cách mạng lên toàn thế ới Máy tính điệ gi n t dử ần được ứng d ng trong viụ ệc điều khi n robot ểThông qua các chương trình máy tính, robot có thể ự th c hiện các hành động ph c ứ

tạp, khéo léo mà các thế ệ robot trước khó thự h c hiện được Các thuật toán điều khiển cũng được nghiên cứu và cả ến liên tục, làm tăng độ chính xác củi ti a robot lên

Hiện nay, các thành tựu m i c a khoa h c – kĩ thuật đã mởớ ủ ọ ra những hướng nghiên cứu mới như: Trí tuệ nhân tạo, Interner of Things (IoT), Deep Learning,… Trong công nghiệp, s ự ra đờ ủi c a thi t b ế ị điều khi n logic lể ập trình (PLC) tạo ra cuộc cách mạng, thay đổi cách thiế ế ận hành các hệ ốt k , v th ng t ng Cự độ húng đang ngày càng đượ ức ng d ng ụ sâu và rộng trong r t nhiấ ều lĩnh vực của đờ ối s ng

và sản xu t Xu th ng d ng t ấ ế ứ ụ ự động hóa trong dây chuyền s n xuả ất, gia công, lặp ráp ngày các phổ ế bi n Vi c ng dệ ứ ụng các thiế ị ự động hóa, đặt b t c biệt là Robot giúp nâng cao năng suất lao động, t o hi u qu ạ ệ ả cao, làm việc chính xác hay thay

Hình 1.2 Robot Shakey

ta không thể ph nhủ ận, Robot là một ph n t t yầ ấ ếu trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển Robot cũng như các phương pháp điều khiển chúng đang nhận được r t nhi u s ấ ề ự quan tâm của các công ty, trường h c, viọ ện nghiên cứu Cùng vớ ự phát triểi s n c a khoa hủ ọc kĩ thuật, điển hình như trí tuệ nhân tạo, các robot ngày nay ngày càng thông minh hơn và có kế ấu phù hợp, thao tác giống con người, đáp ứng ngày càng cao các t cnhu cầu trong xã hội

1.2 Robot có cấu trúc song song

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962

và sự chú ý ứng d ng c a Robot cụ ủ ấu trúc song song đã được khởi động b i Stewart ởvào năm 1965 Ông là người cho ra đời m t bu ng (pộ ồ hòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được s d ng rử ụ ộng rãi trong nhiều lĩnh vực

c n i vLoại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động đượ ố ới giá cố

định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thư ng s ờ ốchân bằng s b c t ố ậ ự do, được điều khi n b i nguể ở ồn phát động đặt trên giá cố đị nh hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khi n tể ải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chị ả ớu t i l n

1.3 Nguyên lý cấu tạ và hoạ ộo t đ ng ủ c a robot song song

1.3.1 Tổng quan

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được n i vố ới giá cố

định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường s ốchân bằng s b c t ố ậ ự do, được điều khi n b i nguể ở ồn phát động đặt trên giá cố đị nh hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các

Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khi n tể ải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chị ả ớu t i l n

Cũng giống như các loại robot thông thường, robot song song là loại robot

có cấu trúc ạ d ng kín, trong đó các khâu (thanh) được n i v i nhau bố ớ ằng các khớp động, hình 1.1 ểbi u di n c u tễ ấ ạo cơ bản của robot song song hai cánh tay

Cấu trúc cơ bản của tay máy thông thường là các chuỗi n i ti p cố ế ủa các khâu,

t ừ khâu trực tiếp thao tác công nghệ cho tới khâu cuối (g n vắ ới giá cố đị nh) Tuy nhiên với robot song song, khâu cuối được n i vố ới giá cố đị nh b i m t s m ch ở ộ ố ạđộng l c h c, tự ọ ức là nối một cách song song v i nhau, tớ ạo ra các hệ hoạt động song song độ ậc l p v i nhau S ớ ự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệ ề đột v ng h c và đ ng l c h c ọ ộ ự ọ

Và trong đồ án này, đối tượng robot được nghiên cứu là hệ robot hai cánh tay, b n b c t ố ậ ự do Các khớp của robot là các khớp quay d ng R (revolute joint) ạ(hình 1.2), tức là có trục quay vuông góc với tr c c a hai thanh n i ụ ủ ố

Hình 1.3 Mô hình cánh tay robot song song

6

Hình 1.4 C u t o kh p quay R (revolute joint) ấ ạ ớ

1.3.2 Vận hành Robot song song

Để ận hành robot song song hai cánh tay, ta phả ến hành điề v i ti u khiển độc

lập hai cánh tay Mỗi cánh tay được điều khi n bể ẳng hai động cơ ở hai kh p nớ ối,

mỗi động cơ sẽ điều khi n mể ột khâu (thanh), sao cho các thanh chuyển động độc

l p vậ ới nhau trong không gian

Như vậy, ta có bốn cơ cấu chấp hành lần lượt là động cơ ở các kh p tay, khi ớtác động mô men vào từng kh p s khiớ ẽ ến cánh tay robot di chuyển, để di chuy n ể

vật thì chỉ ần điề c u khiển các khớp của cánh tay sao cho chúng đến được đúng vịtrí mong muốn Vậy để ận hành robot, thự v c chất là ta phải vận hành và điều khi n ể

bốn động cơ gắ ại bốn t n kh p quay c a robot ớ ủ

1.3.3 Yêu cầu điều khiển

Như đã trình bày ta phải điều khiển các khớp để sao cho cánh tay có thể mang

v t t v ậ ừ ị trí này đến v ị trí kia theo một qu o ỹ đạ xác định, và đồng thời có thể hoạt động khi các tải có khối lượng và kích thước khác nhau, và momen của ngo i l c ạ ựtác động Như vậy yêu cầu c u cầ ủa bài toán có thể tóm tắt như sau:

- Xác định qu o cho tỹ đạ ừng cánh tay, từ đó tính toán ra các giá trị góc quay

của động cơ

- Điều khiển các động cơ của các khớp sao cho qu o c a cánh tay đi theo ỹ đạ ủ

qu ỹ đạo đã được định s n ẵ

- Thuật toán điều khi n phể ải đáp ứng được yêu cầu là vẫn điều khiển được

h khi tệ ải của hệ thay đổi và hệchịu tác động của ngoại lực

1.3.4 Phương pháp điều khiển

Có thể thấy việc điều khiển có thể chia ra như sau:

 Bài toán động học ngược: T qu ừ ỹ đạo ban đầu được đặt vào hệ, chúng ta

phải tính toán ra được góc quay của từng kh p t do ớ ự

 Bài toán điều khi n cho t ng kh p: v i m i khể ừ ớ ớ ỗ ớp quay chúng ta phả điềi u khiển sao cho giá trị góc của m i khỗ ớp đúng bằng giá trị góc tính toán đượ ừ bài c t toán động h c ngư c ọ ợ

V i mớ ỗi bài toán thì có cách tính toán và điều khiển khác nhau, cụ thể bài toán có thể được gi i quyả ết như sau Với bài toán động h c ngư c, t qu o ban ọ ợ ừ ỹ đạđầu ta tính được qu o cho tỹ đạ ừng cánh tay, với qu o c a tỹđạ ủ ừng cánh tay, ta có thể tính toán động học ngược để tính ra góc củ ừa t ng kh p quay Tiớ ếp theo là bài toán điều khiển góc quay của cánh tay sao cho cánh tay có thể đến được giá trị tính toàn từ bài toán động học ngược Và cuối cùng là bài toán điều khi n momen cho ể

t ng khừ ớp quay, tuy nhiên trong bài này chỉ ừ d ng l i ở ệc mô phỏng và tính toán ạ vigiá trị điều khiển là momen cho từng kh p quay Vi c ớ ệ áp dụng thuật toán vào đối tượng thật có t ể ẽ đượh s c th c hiự ện trong tương lại

Chuyển động của cánh tay có thể được mô tả đơn giản như hình 1.5:

Hình 1.5 Mô tả chuy ển độ ng c ủa cánh tay robot song song

8

Do tính ưu việ ủa Robot song song nên ngày càng thu hút đượt c c nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng đượ ức ng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực:

+ Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thi t b ế ị đo chính xác

+ Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ

+ Ngành Bưu chính viễn thông: Giá đỡ Ăngten, vệ tinh đ a tĩnh ị

+ Ngành chế ạo ôtô: Hệ ố t th ng th t i lử ả ốp ôtô, buồng tập lái ôtô

+ Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặ t trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu ngầm

Để ữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiế ị gi t b

đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, bu ng tồ ập lái máy bay, xe tăng, tầu chi n ếNhìn chung , Robot song song hai cánh tay ợđư c s d ng r t rử ụ ấ ộng rãi trong nhiều lĩnh vực, t vi c ph c v ừ ệ ụ ụ nghiên cứu trong các học vi n hoệ ặc trường đạ ọc i h(hình 1.3) cho đến ứng dụng trong công nghiệ ảp s n xuất (hình 1.4) Do có hai cánh tay làm việc song song độ ậc l p v i nhau, t ớ ừ đó có tính linh ạt cao hơn nhiềho u so

v i robot ch ớ ỉ có một cánh tay, việc này thể ệ ở ệ hi n vi c vận chuyển các vật có kích thướ ớn, rõ ràng chúng ta có thể ấc l th y v i robot ch ớ ỉ có một cánh tay thì việc này

rất khó khăn, do rất khó có thể ữ được vật Tuy nhiên vớ gi i robot hai cánh tay, thì

vấn đề này đã được giải quy t ế

Hình 1.6 Robot song song hai cánh tay trong phòng thí nghi m ệ

Hình 1.7 Robot song song hai cánh tay ứ ng d ng ụ trong công nghiệ p

Hình 1.9 Bàn gá 6 chân dùng robot song song Hình 1.8 Bu ồng lái mô phỏng máy bay củ a CAE s d ử ụng cơ cấ u ch ấp hành là robot

song song

11

Hình 1.10 Mô hình cánh tay giả ử ụng cơ cấ s d u ch p ấ hành song song gồm 3 cơ cấ u ch ấp hành song song

Hình 1.11 Robot song song c ủa ABB dùng trong gia công cơ khí

Hình 1.12 B ệ đỡ ổn đị nh anten s d ử ụng cơ cấ u robot song song

Một số ưu điểm của robot song song có thể liệt kê như sau:

- Khả năng chị ảu t i cao: khối lượng t i chia ra m i ph n ả ỗ ầ nên với cùng kích thước thành phần tay thì sẽ chịu đượ ải cao hơnc t

- Độ ứ c ng v ng ch c ữ ắ hơn do cấu trúc hình học c a chúng ủ

- Các tác động đồng thời được chia s cho t t c ẻ ấ ả các tay, do đó tác động lên

m t tay s giộ ẽ ảm đi

- Có thể ự th c hi n ệ được những thao tác phứ ạc t p v i đ ớ ộ chính xách cao

- Khả năng di động linh ho t ạ trong quá trình làm việc

- T m hoầ ạ ột đ ng của Robot cơ cấu song song rất rộng t viừ ệc lắp ráp các chi tiết nh n nh ng chuyển độỏ đế ữ ng ph c tứ ạp đòi hỏi độ chính xác cao như hàn, phay, Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, robot song song có một số nhược điểm cần khắc phục như sau:

- Khó thiế ết k trong khoảng không gian làm việc nh ỏ

- Việc giải các bài toán động h c, đ ng l c h c ph c t p ọ ộ ự ọ ứ ạ

- Có nhiều điểm suy biến trong không gian làm ệvi c

NGHI DỰA TRÊN MẠNG NORON NHÂN TẠO CHO ROBOT

SONG SONG

Phần xây dựng mô hình toán học được tham kh o t tài li u ả ừ ệ

2.1.1 Mô hình cánh tay song song

Hình 2.1 Mô hình của cánh tay robot song song

H ệ robot song song hai cánh tay có thể được mô tả đơn giản như hình 2.1, trong đó hai cánh tay được g n c nh vắ ố đị ới sàn, mỗi cánh tay gồm hai khớp có thểquay linh hoạt 360độ

Các kí ệu đạhi i lượng c a h : ủ ệ

- b b b b1, ,2 3, 4: lần lượt là hệ số ma sát các trục 1,2,3,4 của hệ

-    1, , ,2 3 4 : lần lượt là góc quay của bốn khớp

- m m m m 1, , ,2 3 4 : lần lượt là khối lượng của bốn trục

- L L L L1, , ,2 3 4 : lần lượt là chiều dài của bốn trục

- I I I I1, , ,2 3 4 : lần lượt là momen quán tính của có bốn trục

- k k k k1, , ,2 3 4 : lần lượt là khoảng cách từ trọng tâm đến tâm quay của bốn trục

Giả sử tải trọng m là vật có dạng như hình, trọng tâm nằm ở chính giữa vật

Trong đó (x m t( ), y m t( ) ) là vị trí trung tâm của tải trọng

T ừ đó ta tính được quỹ đạ o cho từng cánh tay như sau:

 x m t( ) 0

( ) 1

2.1.3 Động học ngược của robot song song

Động học ngược c a robot s ủ ẽ được miêu tả ằng các phương trình sau: b

1 2

0.5 0.5cos

đề ế ti p theo cần được gi i quyả ết đó là xây dựng b ộ điều khi n ể

2.1.4 Mô hình hóa đối tượng robot song song

Để ễ dàng hơn cho việc tính toán và xây dự d ng thuật toán điều khiển, ta có thể ế ại các phương trình toán mô tả đối tượ vi t l ng phở ần trên dướ ại d ng ma tr n, ậ

t ừ đó sẽ giúp việc xác định các tham số điều khi n d ể ễ dàng hơn

Phương trình (1.25), (1.26), (1.27), (1.28) sẽ đư c viợ ết được vi t v d ng ma ế ề ạtrận như sau:

2

3 2 2 1 2 1 1 2

3 1 2 2 2

2

6 4 4 3 4 3 3 2

6 3 4 2 4

sin( , )

T T

x x

2.2 M ột số ộ điề b u khi n cho robot song song ể

2.2.1 Bộ điều khiển PID

B ộ điều khi n PID - Proportional Integral Derivative (B ể ộ điều khi n theo t ể ỷ

l -ệ tích phân đạo hàm) Chúng có từ năm 1939, khi Taylor Instrument và Foxboro

-gi i thi u hai b ớ ệ ộ điều khiển PID đầu tiên Tấ ả các bộ điềt c u khiển ngày nay đều

dựa trên các ch độ ỷ ệ, tích phân và đạo hàm ban đầế t l u

B ộ điều khiển PID được sử ụ d ng ph biổ ến trong lĩnh vực điện, điện tử, dùng PID t ự động điều chỉnh, điều khiển để động cơ tự độ ng và giúp đạt được giá trịchuẩn mong muốn, có độ ỗ l i nhỏ nh ất

2.2.2 Bộ điều khiển trượt

B ộ điều khiển trượt là bộ điều khi n s dể ử ụng phương pháp điều khi n phi ểtuyến đơn giản hi u quệ ả Để thiế ế thành phần điềt k u khiển trượ ầt c n ph i biả ết rõ các thông số của mô hình đối tượng cũng như các chặn trên của các thành phần bất

định của mô hình Bộ điều khiển trượt kinh điển được biết đến v i nhi u nh ng ớ ề ữ

ứng dụng trong điều khiển tác động nhanh Tín hiệu điều khi n c a b ể ủ ộ điều khi n ể

s nhẽ ận giá trị Umax hoặc – Umax Chính vì vậy mà xảy ra hiện tượng trượt (sliding)

và kèm theo hiện tượng rung (chattering - là hiện tượng mà quỹ o trđạ ạng thái

“trượt” zich ắ-z c theo mặt trượ ề ốt v g c to ) Hiạ độ ện tượng này có thể gây hại cho các cơ cấu cơ khí

2.2.3 Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơron nhân tạo

Điều khi n ể thích nghi ử ụs d ng m ng noron ạ nhân tạo có một đặc điểm đó là không đòi hỏi ph i bi t v ả ế ề mô hình toán học c ụthể ủa đối tượng và cho phép tiếp c

c n mậ ột cách trực quan hơn để thiết kế so với các bộ điều khiển kinh điển

Các ế ố ấ ị y u t b t đ nh của mô hình và các nhiễu tác động tác động lên hệ robot song song sẽ được xấp x b ng mỉ ằ ạng noron nhân tạo hướng tâm RBF

2.2.4 So sánh các bộ điều khiển đã nêu

V i k ớ ỹthuật điều khi n PID [2] ể cho chất lượng điều khiển thu đượ tương c đối t tố , bám khá gần qu đạo đặ Tuy nhiên khi xuấỹ t t hiện các trường hợp phát sinh trong th c t ự ế như việc robot hoạt động trong môi trường ch u ị ảnh hưởng của các

y u t ế ố tác động không mong muốn của môi trường, hay nh ng y u t bữ ế ố ất định của bản thân robot phát sinh do nhiều thông số của robot khó đo đạc trong th c t hoự ế ặc

nh ng y u t ữ ế ố khó kiểm soát trong quá trình thiế ế cơ khí, bộ điềt k u khiển PID đáp ứng kém với điều này

Để ả gi i quyết khó khăn này, người ta đã sử ụ d ng b ộ điều khiển trượt V ề cơ

b n b ả ộ điều khiển trượt đã đáp ứng được nh ng vữ ấn đề tồn đọng trên, tuy nhiên bộ điều khiển trượt thường kèm theo hiện tượng rung (chattering - là hiện tượng mà

qu o trỹ đạ ạng thái “trượt” zich ắ-z c theo mặt trượ ề ốt v g c to ) Hiạ độ ện tượng này

có thể gây hại cho các cơ cấu cơ khí Thêm vào đó, trong quá trình thiế ế ật k lu t điều khiển trượt yêu cầu c n biầ ết chính xác và đầy đủ các thông số ủ c a h th ng, ệ ốtrong trường hợp này là cánh tay robot song song Tuy nhiên, trong thự ế điềc t u này là rất khó khăn, các thông số này khó xác đị h chính xác do các thông sốn có

thể khó đo đạc được ho c có th ặ ể thay đổi theo thời gian

Do vậy để kh c phắ ục được hiện tượng rung (chattering) và thiế ết k luật điều khi n cho h ể ệthống với các thông số mô hình bất định, luận án này nghiên cứu sử

d ng b ụ ộ điều khiển trượt thích nghi bằng mạng nơ ron nhân tạo RBF Trong chương này, ta s ẽ nghiên cứ ổng quan cách xây dựng vàu t mô phỏng b điều khi n ộ ểtrượt, sau đó k t h p v i vi c x p x ế ợ ớ ệ ấ ỉ hàm bất định b ng mạng nơ ron thành ộằ b điều khiển trượt thích nghi noron để điề u khi n robot song song ể Các kết qu ả được kiểm chứng trên phần m m ề Matlab Simulink

2.3 Nề n tảng cơ sở ả gi i thuật điều khi n ể

Trong th c t cự ế ủa các bài toán kĩ thuật điều khi n ể thì việc phải điều khi n h bể ệ ất định là không thể tránh khỏi Một trong các phương pháp giải quyết bài toán điều khi n h bể ệ ất định như vậy là điều khiển trượ Đây là phương pháp điềt u khiển được biết đến như một giải pháp điều khiển đơn giản, song lại mang đến m t chộ ất lượng

b n v ng rề ữ ất cao Điều khiển trượt ra đời khoảng đầu những năm 1960 Khi đó nền móng đầu tiên của điều khiển trượt được xây dựng b i Emelyanov, mở ột nhà điều khi n hể ọc người Nga, dưới tên gọi là phương pháp điều khi n h biể ệ ến đổ ấi c u trúc (variable structure systems) Sau đó nó được phát triển d n b i Utkin(1977) vầ ở ới trượ ật b c 1, r i Levant vồ ới trượ ậc 2 Điềt b u khiển trượt ngày càng được hoàn thiện c v ả ề lý thuyết cũng như ứng dụng như chúng ta được biết đế ở ngày hôm n