Báo cáo khoa học:Điều khiển Tele-manipulator ppt

TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 5 ĐIỀU KHIỂN TELE-MANIPULATOR Từ Diệp Công Thành Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 01 tháng 06 năm 2010, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 27 tháng 10 năm 2010 ) TÓM TẮT: Hiện nay trên thế giới, hầu hết các vần ñề tương tác giữa con người và các môi trường nguy hiểm, ñộc hại, lây nhiễm hoặc vô trùng ñều ñược giải quyết bằng kỹ thuật robot. Trong ñó, một trong những giải pháp mang tính khả thi, ổn ñịnh và trực quan nhất là kỹ thuật Tele-Manipulator. Bằng cách sử dụng tay máy tương tự ñể ghi nhận các chuyển ñộng và hành vi của người ñiều khiển trong môi trường an toàn, sau ñó truyền các thông số này qua mạng LAN cho tay máy chính thực hiện ñúng theo hành vi của người ñiều khiển trong môi trường ñộc hại và nguy hiểm hoặc vô trùng là hướng nghiên cứu ñề xuất trong bài báo này. Từ khoá: Tele-Manipulator, mạng LAN, ñiều khiển. 1.GIỚI THIỆU Tele-Manipulator (TM) là hệ thống ñược ñiều khiển từ xa gồm 2 cánh tay máy: master và slave. Tay máy slave sẽ ñược ñiều khiển ñể thực hiện các chuyển ñộng giống hệt như tay máy master. Để thực hiện ñiều khiển này, tay máy master sẽ ñược con người ñiều khiển. Các chuyển ñộng mong muốn của con người sẽ ñược tay máy master ghi nhận bằng các cảm biến ño góc chuyển ñộng. Và các giá trị này sẽ ñược truyền qua vi mạch ñiện tử ghi nhận, xử lý và gửi ñến bộ ñiều khiển tay máy slave. Tay máy slave hay còn gọi là tay máy thực thi thực hiện các chuyển ñộng theo cánh tay master. Sự chuyển ñộng này thực hiện tức thời dựa vào các giá trị chuyển ñộng mà tay máy master ghi nhận ñược. Thông thường các giá trị này ñược truyền qua từ xa bằng nhiều phương pháp khác nhau như: mạng Lan, internet, sóng vô tuyến v.v nên toàn bộ hệ thống tay máy và ñiều khiển ñược gọi là Tele-Manipulator. Năm 1898, Nikola Tesla ñã ñưa ra mô hình thuyền ñiều khiển bằng sóng radio ñầu tiên ở NewYork thì ñến nay TM ñã có lịch sử phát triển hơn một thế kỷ [1]. Hệ thống TM thực sự ñầu tiên dạng master - slave ñược chế tạo là một cơ cấu thuần cơ khí ñược R.Goertz phát thiển vào cuối năm 1940 tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argone [2]. Năm 1954, R.Goertz phát triển hệ thống thao tác ñiện cơ ñầu tiên với bộ ñiều khiển servo. Với sự phát triển của kỹ thuật ngày càng hiện ñại thì hệ thống TM xuất hiện trong nhiều lĩnh vực phục vụ hiệu quả nhiều cho con người như: tay máy phẫu thuật từ xa trong y tế [3], cánh tay dò tìm chất nổ trong quốc phòng, tay máy trên các tàu thám hiểm, chinh phục không gian [4], tay máy gắp chất ñốt hạt nhân trong công nghiệp ñiện nguyên tử, tay máy trên các tàu lặn nghiên cứu ñáy biển [5], v.v… Để thực thi ñiều khiển TM cũng như khả năng giám sát và ñáp ứng thời gian thực, một số nghiên cứu liên quan ñến thuật toán và mô hình Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 6 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM ñiều khiển hệ thống ñược trình bày như: ñiều khiển thích nghi sử dụng thuật toán ñiều khiển trượt ñược trình bày bởi Platon [6], kỹ thuật giảm thời gian truyền qua mạng trong ñiều khiển TM ñược ñề nghị bởi Lee [7], Sano ñề xuất kỹ thuật bù thời gian trễ trong ñiều khiển TM [8], Towhidkhah với mô hình hoá và ñiều khiển tuyên ñoán [9], và ñiều khiển trơ với sự trễ ngẫu nhiên của thời gian ñược ñề xuất bởi Prokopiou [10], v.v… Trong phạm vi giới hạn của bài báo, thuật toán tự thay ñổi hệ thống ñiều khiển PID theo hướng tính toán của mạng thần kinh nhân tạo ñược ñề xuất ñể ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do thông qua mạng LAN. Kết quả ñạt ñược từ mô hình hệ thống Tele-Manipulator và thực thi ñiều khiển sẽ ñược trình bày thông qua thực nghiệm ñiều khiển hệ thống. 2.XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG Hệ thống ñiều khiển tổng quan ñược trình bày trên hình 1. Hệ thống bao gồm tay máy master ñược ñiều khiển bởi con người và tay máy slave thực thi các chuyển ñộng bắt chước theo tay máy master. Các thông số về chuyển ñộng của tay máy master ñược ghi nhận bởi các encoder (Omron E6C-CWZ1C 1000R/P) và gửi ñến máy tính 1 (Pentum IV 2.4 Ghz) thông qua các mạch vi xử lý hỗ trợ (DSPIC-2010). Máy tính 1 truyền các thông tin này qua mạng LAN ñến máy tính 2 (Pentum IV 2.4 Ghz). Sau ñó máy tính 2 thực hiện các giải thuật ñiều khiển cần thiết ñể ñiều khiển hành vi của tay máy slave sử dụng ñộng cơ DC (Hitachi DC Motor 24VDC, hộp giảm tốc 15 lần, ñĩa xung 100xung/vòng) sao cho ñáp ứng ñúng với các yêu cầu từ tay máy master. Các mạch ñiện hỗ trợ và ñiều khiển ñược thực hiện và sử dụng vi ñiều khiển DSPIC-2010. Phần mềm ñiều khiển và truyền thông qua mạng LAN ñược thực hiện trên nền phần mềm Visual Basic. Sơ ñồ khối của hệ thống ñược trình bày trên hình 2. Hình 1. Sơ ñồ nguyên lý hệ thống TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 7 Hình 2. Sơ ñồ khối hệ thống Hình 3. Qui trình truyền nhận và kết nối giữa 2PC Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 8 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM 3.ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 3.1.Nghi thức giao tiếp truyền nhận qua mạng LAN Phần mềm ñiều khiển và truyền nhận qua mạng LAN ñược xây dựng trên nền Visual Basic. Để truyền nhận qua mạng LAN, Winsock Control ñược ñi kèm với Visual Basic dùng ñể phát triển các ứng dụng cho phép truy xuất các chức năng TCP/IP. Winsock là một chuẩn ñã ñược triển khai bởi Microsoft dựa trên một tập tin thủ tục truyền dữ liệu trên TCP/IP. Các thủ tục này nằm trong các thư viện liên kết ñộng (DLL) và chạy trên Windows. Chúng ta sẽ tạo ra hai chương trình một ở client và một ở server, hai chương trình này sẽ tương tác với nhau ñể truyền dữ liệu qua lại. Client sẽ gởi yêu cầu lên server, server sẽ lấy dữ liệu từ Database và trả dữ liệu về cho client. Để kết nối và truyền dữ liệu qua mạng LAN, trước tiên phải ñều chỉnh các thông số của windows và ñặt hai máy tính cùng một workgroup, ñiều chỉnh IP tĩnh cho hai máy, sau khi kiểm tra hai máy ñã kết nối, tiến hành chạy chương trình. Qui trình truyền nhận, kết nối giữa 2PC ñược trình bày trên hình 3. Hình 4. Lưu ñồ giải thuật ñọc encoder TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 9 Hình 5. Lưu ñồ giải thuật truyền nhận dữ liệu từ vi ñiều khiển lên máy tính thứ nhất 3.2.Lưu ñồ giải thuật ñiều khiển Sau khi ñã kết nối thành công 2 máy tính, chương trình thực hiện quá trình ñiều khiển như sau: • Mạch ñọc encoder thực hiện ñọc giá trị vị trí các góc của tay máy master. Lưu ñồ giải thuật ñọc encoder ñược trình bày trên hình 4 • Thực hiện gửi giá trị encoder về máy tính thứ nhất thông qua chuẩn giao tiếp RS232 và lưu ñồ truyền nhận ñược trình bày trên hình 5. • Máy tính thứ nhất thực hiện gửi giá trị encoder cho máy tính thứ 2 • Máy tính thứ 2 thực hiện gửi giá trị encoder xuống vi ñiều khiển PIC ñể ñiều khiển tay máy slave. Quy trình tương tự như gửi/nhận dữ liệu từ vi ñiều khiển về máy tính thứ 1. • PIC thực hiện tính toán giải thuật ñiều khiển PID theo hướng tính toán của mạng thần kinh nhân tạo và xuất giá trị ñiều khiển theo dạng PWM ñể ñiều khiển ñộng cơ. Lưu ñồ giải thuật ñiều khiển ñộng cơ của tay máy slave ñược trình bày trên hình 6. • Cập nhật giá trị góc tay máy slave và gửi về máy tính thứ 2 • Máy tính thứ 2 gửi vị trí tay máy slave cho máy tính số 1 và hiển thị lên ñồ thị Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 10 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM Hình 6. Lưu ñồ giải thuật ñiều khiển ñộng cơ dùng PIC 3.3.Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ Những năm gần ñây, sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển hiện ñại như ñiều khiển thích nghi (Adaptive Control), ñiều khiển mờ (Fuzzy Logic Control), mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Network), ñã mang ñến những giải pháp tốt hơn cho các bài toán thiết kế trong thực tế. Tuy nhiên, PID vẫn là bộ ñiều khiển ñược sử dụng rộng rãi (nhất là trong công nghiệp, PID có thể ñáp ứng tương ñối tốt với các yêu cầu ñiều khiển của các hệ thống không quá nghiệp), bởi giá thành của nó rẻ và ñơn giản trong thiết kế. Về mặt lý thuyết ñiều khiển, PID là sự kết hợp của ba khâu: tỉ lệ (P), tích phân (I), vi phân (D). Phương trình vi phân của bộ ñiều khiển PID là: ∫ ++= )( )( )()()( td tde KteKteKtu dip (1) )(tu là tín hiệu ñiều khiển (ngõ ra của PID). )(te là sai số giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu thực. p K là hệ số khuếch ñại tỉ lệ, d K là hệ số khuếch ñại của khâu vi phân, i K là hệ số khuếch ñại của khâu tích phân nhằm triệt tiêu sai số ở chế ñộ xác lập. Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID ñược trình bày trên hình 7 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 11 Hình 7. Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển PID Ngày nay, mạng nơron ñược chứng minh là một phương pháp hứa hẹn ñể giải quyết vấn ñề ñiều khiển phi tuyến phức tạp. Vì vậy, ta kết hợp mạng nơron với ñiều khiển PID. Bộ ñiều khiển này sẽ kết hợp tính ñơn giản của ñiều khiển PID và khả năng học, khả năng thích nghi, và khả năng giải quyết sự phi tuyến của mạng nơron. Cấu trúc của thuật toán ñiều khiển PID phi tuyến dựa trên mạng nơron ñược thể hiện ở hình 8. Đây là một thuật toán ñiều khiển mới và có những ñặc tính như là cấu trúc ñơn giản và thời gian tính toán ít. Bộ ñiều khiển PID kết hợp với mạng nơron có thể giải quyết ñược những vấn ñề của hệ thống, ñó là sự phi tuyến của nó. Tín hiệu vào ñiều khiển u có thể thu ñược từ phương trình như sau: )()( xfxu = (2) Trong ñó x là tín hiệu vào của hàm sigmoid )(xf . . 2(1 ) ( ) (1 ) x Yg x Yg g e f x Y e − − − = + (3) Ở ñây, g Y là thông số xác ñịnh hình dạng của hàm sigmoid. Hình 9 trình bày hình dạng hàm sigmoid với biến g Y . Như ñã trình bày trong (3), hàm sigmoid )(xf trở thành hàm tuyến tính khi g Y trở thành 0. Hình 8. Cấu trúc của bộ ñiều khiển PID phi tuyến sử dụng mạng nơron Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 12 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM Giản ñồ khối của mạng nơron ñược thể hiện trong hình 4. Ở ñây, dipdip eeeKKK ,,,,, là ñộ lợi tỷ lệ, tích phân, vi phân, sai số giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu thực, tích phân của sai số hệ thống và vi phân của sai số hệ thống. Hình 9. Hình dạng của hàm Sigmoid Hình 10. Sơ ñồ khối của mạng nơron . Chúng ta có 2 lớp nơron phi tuyến, một lớp vào và một lớp xuất. Mạng nơron ñược huấn luyện bởi thuật toán lan truyền ngược ñể tối thiểu sai số hệ thống giữa tín hiệu thực và tín hiệu tham chiếu. Trong hình 10, tín hiệu vào của hàm Sigmoid trong lớp xuất, x trở thành : x(k) = Kp(k) ep(k) + Ki(k) ei(k) + Kd(k) ed(k) (4) Với )()()( kkke fp θ θ − = 1 ( ) ( ) k i p n e k e n T = = ∆ ∑ (5) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010 Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 13 1 ( )(1 ) ( ) p d e k z e k T − − = ∆ ∆T: thời gian lấy mẫu.; k : bước thứ k. )(,)( kk f θ θ là giá trị tham chiếu của tín hiệu ra và tín hiệu ra thực. Để chỉnh những ñộ lợi của bộ ñiều khiển PID, sử dụng phương pháp giảm dốc nhất, ta có : ( ) ( 1) ( ) p p p p E k K k K k K ∂ + = − η ∂ ( ) ( 1) ( ) i i i i E k K k K k K ∂ + = − η ∂ (6) ( ) ( 1) ( ) d d d d E k K k K k K ∂ + = −η ∂ Với ηp, ηi, ηd là tốc ñộ học, và E(k) là sai số ñược ñịnh nghĩa bởi phương trình sau: ( ) 2 1 ( ) ( ) ( ) 2 f E k k k θ θ = − (7) Từ (6), sử dụng quy tắc chuỗi, chúng ta ñược phương trình sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) p p E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) i i E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (8) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d d E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ Những phương trình sau ñược suy ra từ những phương trình (2), (4), (7) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) f p E k k k e k θ θ θ ∂ = − − = − ∂ ( ) ' ( ) ( ) u k f x k θ ∂ = ∂ ( ) ( ) p p x k e k K ∂ = ∂ (9) ( ) ( ) i i x k e k K ∂ = ∂ ( ) ( ) d d x k e k K ∂ = ∂ Và những biểu thức theo sau có thể tìm thấy ñược từ những phương trình (8), (9). ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) p p E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ( ) ' ( ) ( ) ( ) ( ) p p k e k f x k e k u θ ∂ = − ∂ ( ) ' 2 ( ) ( ) ( ) ( ) p p k f x k e k e k u θ ∂ = − ∂ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) i i E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ( ) ' ( ) ( ) ( ) ( ) p i k e k f x k e k u θ ∂ = − ∂ (10) ( ) ' ( ) ( ) ( ) ( ) p i k f x k e k e k u θ ∂ = − ∂ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d d E k E k k u k x k K u x K θ θ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ( ) ' ( ) ( ) ( ) ( ) p d k e k f x k e k u θ ∂ = − ∂ ( ) ' ( ) ( ) ( ) ( ) p d k f x k e k e k u θ ∂ = − ∂ Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010 Trang 14 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM Và . ' . 2 ( ) 4 (1 ) x Yg x Yg e f x e − − = + (11) Để thuận lợi, ta giả sử ( ) 1 k u θ ∂ = ∂ Sau ñó, công thức (6) ñược viết lại như sau: . . 2 4 ( 1) ( ) ( ) ( ) (1 ) xYg p p p p p xYg e K k K k e k e k e − − + = +η + . . 2 4 ( 1) ( ) ( ) ( ) (1 ) xYg i i i p i xYg e K k K k e k e k e − − + = +η + (12) . . 2 4 ( 1) ( ) ( ) ( ) (1 ) p xYg d d d d xYg e K k K k e k e k e − − + = +η + Kết quả ñiều khiển trong phần tiếp theo sẽ minh họa cho thuật toán ñiều khiển ñề xuất. 4.KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết quả thực nghiệm ñược xem xét trên nhiều ñiều kiện khác nhau. Hình 11 và hình 12 trình bày kết quả thực nghiệm lần lượt với ñiều kiện tay máy không tải và tay máy mang tải 1 kg. Kết quả thực nghiệm và sai số ñược chỉ rõ lần lượt trong bảng 1 và bảng 2. Chương trình lấy ngẫu nhiên 10 ñiểm ñể kiểm tra sai lệch ñiều khiển và trung bình sai lệch ñiều khiển vào khoảng 0.2 0 trong trường hợp không tải và 0.3 0 trong trường hợp có tải. Ngoài ra, sai số lớn nhất trong trường hợp không tải nhỏ hơn 0.5 0 và 1 0 ñối với trường hợp có tải. Kết quả từ hình 10 và hình 11 cho thấy hiệu quả ñáp ứng của bộ ñiều khiển và tay máy slave hoat ñộng với ñáp ứng không có ñộ trễ lớn trong ñiều khiển qua mạng LAN. Kết quả thực nghiệm minh chứng khả năng của hệ thống ñiều khiển ñề xuất và giải thuật ñiều khiển tính toán theo hướng mạng thần kinh nhân tạo, ñặc biệt là trong ñiều kiện ñiều khiển mà giá trị ñầu vào - quỹ ñạo làm việc không ñược cho trước và tay máu hoạt ñộng trong các ñiều kiện tải bên ngoài khác nhau. 5.KẾT LUẬN Bài báo ñề xuất mô hình ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do qua mạng LAN và giải thuật ñiều khiển tay máy ñược ñề xuất tính toán theo hướng kết hợp bộ ñiều khiển PID và sự thích nghi của mạng thần kinh nhân tạo. Với hệ thống ñiều khiển mà giá trị ñầu vào - quỹ ñạo làm việc không ñược biết trước, bộ ñiều khiển ñề xuất cho thấy sự thích ứng của tay máy trong các ñiều kiện làm việc khác nhau, và sai số thấp. Kết quả thực nghiệm minh chứng cho khả năng ứng dụng và phát triển hệ thống này trong trong các ứng dụng thực tế mà không ñòi hỏi ñộ chính xác quá cao như các thử nghiệm về hoá chất, các môi trường có nhiệt ñộ cao, ñộc hại và nguy hiểm cho con người. Những nghiên cứu nâng cao ñộ chính xác trong ñiều khiển ñối với các tay máy có số bậc tự do cao hơn là hướng nghiên cứu tiếp theo. [...]... 0.07 9 2103 2100 3 0.05 10 2931 2912 19 0.35 CONTROL TELE-MANIPULATOR Tu Diep Cong Thanh University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT: All most interactive problems between humans and the environment such as dangerous, toxic, infectious or sterile in the world can be solved by robot technology In particular, one of feasible and stability solution is Tele-Manipulator Technology By using the master arm... transmits these parameters over a LAN to the slave arm which is controlled in the toxic, hazardous or sterile environments and strictly comply with people's behavior is proposed in this paper Keywords: Tele-Manipulator, LAN, control [2].Raymond Goertz and R Thompson TÀI LI U THAM KH O Electronically [1].N Tesla Method of and Apparatus for Controlling Mechanism of Moving Vessels or Vehicles, http://www.pbs.org/tesla/res/613809.html, . người ñiều khiển trong môi trường ñộc hại và nguy hiểm hoặc vô trùng là hướng nghiên cứu ñề xuất trong bài báo này. Từ khoá: Tele-Manipulator, mạng LAN, ñiều khiển. 1.GIỚI THIỆU Tele-Manipulator. ñiều khiển ñộng cơ dùng PIC 3.3.Thuật toán ñiều khiển ñộng cơ Những năm gần ñây, sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết ñiều khiển hiện ñại như ñiều khiển thích nghi (Adaptive Control), ñiều khiển. ñược từ mô hình hệ thống Tele-Manipulator và thực thi ñiều khiển sẽ ñược trình bày thông qua thực nghiệm ñiều khiển hệ thống. 2.XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG Hệ thống ñiều khiển tổng quan ñược trình