Nhận dạng và điều khiển robot song song Delta bằng hệ suy luận mờ dựa trên mạng thích nghi

Để điều khiển Parallel Robot (PR robot song song) hoạt động nhanh nhẹ và chính xác thì không chỉ dựa vào bài toán động học thuận hay động học ngược, mà phải dựa trên bài toán động lực học của robot để từ đó ta có thể xác định từng thời điểm vận tốc của các khâu, các khớp là bao nhiêu là phù hợp nhất. Từ đó ta sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp. Tuy nhiên, bài toán động lực học đối với robot song song rất khó tìm ra được nên để điều khiển robot song song mà chưa biết bài toán động lực học thì người ta sẽ dùng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển robot như: Fuzzy logic (logic mờ), Neuron network (mạng thần kinh nơ ron),....

và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965 Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên

cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định 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 khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực:

- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị 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 địa tĩnh

- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô

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

Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song nói chung và Robot Delta nói riêng đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,

- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy

- Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau

- Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn

- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng

và kích thước nhỏ gọn

- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền

- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp

- Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường

- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn

so với máy CNC có tính năng tương đương

Nhược điểm:

Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như:

TRANG 3

- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế

- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp

- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc

- Bài toán điều khiển vị trí và tốc độ khá phức tạp

Parallel Robot là chuỗi nhiều khâu khép kín cho nên nó hết sức đa dạng và điều khiển rất phức tạp, để thực hiện một tác động điều khiển cho khâu động học cuối, các khâu động học phải được điều khiển đồng thời Đây là một đòi hỏi khó khăn cho việc điều khiển Parallel Robot

Để điều khiển Parallel Robot (PR- robot song song) hoạt động nhanh nhẹ và chính xác thì không chỉ dựa vào bài toán động học thuận hay động học ngược, mà phải dựa trên bài toán động lực học của robot để từ đó ta có thể xác định từng thời điểm vận tốc của các khâu, các khớp là bao nhiêu là phù hợp nhất Từ đó ta sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp Tuy nhiên, bài toán động lực học đối với robot song song rất khó tìm ra được nên để điều khiển robot song song mà chưa biết bài toán động lực học thì người ta sẽ dùng các phương pháp điều khiển hiện đại để điều khiển robot như: Fuzzy logic (logic mờ), Neuron network (mạng thần kinh nơ

ron),

+ Phương pháp Fuzzy logic

Đối với phương pháp này thì người điều khiển phải hiểu rõ về quỹ đạo hoạt động của robot song song và kết cấu cơ khí của robot thì mới đưa ra được hàm quan

hệ giữa các khâu và khớp một cách chính xác, từ đó mới xây dựng các luật điều khiển “ Nếu thì ” chính xác

Ưu điểm:

• Điều khiển bằng các luật đơn giản khi đã hiểu rõ hệ thống

• Có khả năng “nhớ được quá khứ”

• Tối ưu hóa quá trình học động của robot ở từng thời điểm

Nhược điểm:

• Người điều khiển phải hiểu rõ hoạt động của robot và kết cấu cơ khí

• Không dựa đoán trước được kết quả

TRANG 4

+ Phương pháp Neuron network

Bằng phương pháp cho robot học thì phương pháp mạng thần kinh nơ ron không đòi hỏi người điều khiển phải nắm rõ hệ thống mà cũng điều khiển hệ thống tốt

Ưu điểm:

• Khả năng linh hoạt trong điều khiển hoạt động của robot

• Loại bỏ được các thành phần phi tuyến và liên kết chéo trong robot

• Dựa đoán trước được kết quả

• Người điều khiển không cần hiểu rõ hoạt động của robot và kết cấu cơ khí

Nhược điểm:

• Các tham số phi tuyến thường không được ước lượng chính xác

• Quá trình tính toán phức tạp đòi hỏi thời gian thực

Từ những ưu nhược điểm của hai phương pháp trên, để điều khiển robot song song hoạt động tốt hơn khắc phục được nhược điểm và phát huy được ưu điểm

của phương pháp logic mờ và mạng nơ ron, em chọn đề tài nghiên cứu là “Nhận dạng và điều khiển robot song song Delta bằng hệ suy luận mờ dựa trên mạng thích nghi”

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

o Tính toán bài toán động học thuận và nghịch của Delta robot

o Tính toán bài toán động lực học của Delta robot

o Kiểm tra động lực học của Delta robot là bài toán phi tuyến

o Điều khiển vận tốc và vị trí của Delta robot bằng phương pháp điều nơ ron- mờ

o So sánh và đánh giá kết quả phương pháp điều khiển mạng nơ ron – mờ với các phương pháp điều khiển kinh điển (PID) và các pháp điều khiển hiện đại khác (Logic mờ, mạng thần kinh noron)

3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

o Nghiên cứu nhận dạng và điều khiển robot song song Delta ba bậc tự do

• Tìm hiểu ứng dụng của Delta Robot trong thực tế

• Phân tích kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động của Deta Robot ở phòng OpenLad của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Bình Dương

• Tìm các thông số điều khiển của Delta Robot

• Nghiên cứu giải thuật điều khiển mờ dựa trên mạng thích nghi

• Mô phỏng giải thuật điều khiển trong Matlab

4.2 Phương tiện

• Tài liệu từ các bài báo về Delta robot

• Tài liệu sách, phim ảnh từ Internet

• Mô hình Delta robot của phòng OpenLab

• Các phần mềm thiết kế cơ khí và mô phỏng Delta robot

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG

1.1.1 Cấu trúc cơ cấu

Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động

Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động,

từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học

1.1.2 Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song

Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn Điều đó làm cho việc nghiên cứu các cơ cấu, Robot được dễ dàng và đơn giản hơn Tuy nhiên, với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể

và chúng ta phải xét đến

Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu Bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp Hai thành phần khớp tạo thành một khớp động Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc

- Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt

- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường

TRANG 7

Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ cấu máy và các Robot, đó là:

- Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của

khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay Nghĩa là khớp quay hạnchế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do Khớp quay thường được gọi là khớp quay bản lề

- Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên nhau theo một trục Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến

- Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục quay Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do

- Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bước của ren vít Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối hai khâu và còn lại một bậc tự do

- Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động quay giữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này Do đó, khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có ba bậc tự do

- Khớp phẳng (Plane Joint - E): Cho hai khả năng chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba bậc tự do

- Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): Cho hai bánh răng ăn khớp với nhau Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau Do đó, khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp, còn lại hai bậc tự do

- Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự do

Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác

Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng hoặc dạng năng lượng khác Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu Để cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu ích Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động

1.1.3 Bậc tự do của Robot cấu trúc song song

Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian Gắn vào

A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối

Các khả năng chuyển động độc lập là :

- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz

- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz kí hiệu là Rx, Ry, Rz.

TRANG 9

Hình 1.1 Các khả năng chuyển động tương đối giữa các vật thể

(Ngu ồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)

Định nghĩa : Bậc tự do của cơ cấu là thông số độc lập tuyến tính cần thiết hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu Ta có thể xác định được các biểu thức tổng quát về số bậc tự do của robot theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu

Để thống nhất cho việc tính toán cho việc tự do của cơ cấu, ta sử dụng ký hiệu sau: : số ràng buộc của khớp i

F: số bậc tụ do của cơ cấu

: số chuyển động tương đối được phép của khớp i, j

Số khớp trong cơ cấu

: số khớp với i bậc tự do

L : số vòng độc lập trong của cơ cấu

n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định

λ : số bậc tự do trong không gian lam việc của cơ cấu

Ta giả thiết tất cả các khớp đều là 2 chiều, khớp 3 chiều được coi là 2 khớp hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp hai chiều , ngoai ra còn giả thiết một giá trị λ được dùng cho tất cả các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối với cơ cấu không gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu

Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu hoạt đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp Do đó nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do

phương trình (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach

theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc tại các khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay co trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa Kiểu bậc tự do này gọi

là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục được xác định

từ 2 khớp đó Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc mô men và chuyển động cho các khâu khác , nhưng nó không có khả năng truyền mô men cho trục chủ động Nói chung, các khâu hai chiêu với các cặp S – S, S – E, E – E đều có bậc tự do thụ động, bảng 1.1 thống kê sự phối hợp các khâu loại hai chiều với các khâu S – S, S – E, E– E với các khớp cuối cùng của chúng có một bậc tự do

Bảng 1.1- Các loại khâu hai chiều với các khớp cuối cùng của chúng

STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa)

1 S S Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu

2 S E Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với

TRANG 11

mặt

3 E E Trượt dọc trục song song với giaotuyến tạo bởi các mặt

phẳng của khớp phẳng Nếu hai mặt phẳng này song song

sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa )

Bậc tự do thụ động không thể truyền mô men và chuyển động cho trục thụ động khi có một loại khớp loại này tồn tại trong cơ cấu , cần trừ đi một bậc tự do từ phương trình tính bậc tự do Giả sử, fp là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì số bậc

tự do chủ động trong cơ cấu là:

f = λ(n – j 1 )

Hình 1.2 Cơ cấu không gian Stewart – Gough

(Ngu ồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)

Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động được nối với đế cố định bởi sáu chân trượt thông qua các khớp cầu mỗi chân được tạo thành từ hai khâu và được nối với nhau bằng khớp lăng trụ Cấu trúc này gọi là cấu trúc S P – S Do sựu phối

TRANG 12

hợp S P – S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa từ hình vẽ ta có: λ = 6,n =14 , ji

=6, j3 = 12, fp =6 số bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trinh (1.5):

f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6

sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá trị λ cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấu được xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này Đặc biệt λ =

3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu với cơ cấu không gian thì λ = 6

Nói chung tiêu chuẩn Grubler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do Nếu f = 0 cơ cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định Nếu f <0 cơ cấu sẽ

có số ràng buộc thừa Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn Grubler Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính linh động cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc

Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớp phát động phải được chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác đọng cuối phải được điều khiển theo yêu cầu Nói chung số khớp phát động bằng số bậc tự do của cơ cấu, vị trí của khớp phát động phải được chọn sao cho chúng có thể tao thanh một tập hợp các tọa độ độc lập Nếu số lượng khâu phát đọng nhỏ hơn số bậc tự do thì chuyển động của khâu này phải theo tọa độ tương ứng các ràng buộc động học của chúng Một robot có bậc tư do dư thi điều khiển được linh hoạt hơn

1.1.4 Các bài toán cơ bản về robot

Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công tác lập trình và tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lượng lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ thông cơ khí Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động học và động lực học

1.1.4.1 Động học

TRANG 13

Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như là lực và mô men Sự thay đổi các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng với sụ ràng buộc của các khớp những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot Bài toán động học được chia thanh hai dạng: bài toán động học thuận và bàitoán động học ngược

Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâu

dẫn,yêu cầu lập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cùng cũng như khâu trung gian bất kỳ

Bài toán động học ngược: từ yêu cầu về vị trí và hướng, vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó

(bài toán động học ngược)

1.1.4.2 Động lực học

Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực, trọng tải và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu Động lực học robot vẫn là vấn đề rất phức tạp và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu

1.1.5 Phân loại robot

Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc tính chuyển động…

1.1.5.1 Phân loại theo số bậc tự do

Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lý tưởng,

cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian ba chiều Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư có thêm một bậc tự do để

di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các không gian hẹp Mặt khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp các chi tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ

TRANG 14

Hình 1.3 Robot Fanuc 4 bậc tự do

Hình 1.4 a Tay máy REVOLUTE Hình 1.4 b Tay máy POLAR

Hình 1.5.a Tay máy CYLINDRICAL Hình 1.5.b Tay máy CARTERSIAL

Hình 1.6 Tay máy SCARA

(Ngu ồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)

TRANG 15

1.1.5.2 Phân loại theo cấu trúc động học

Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng

hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗi vòng hở và vòng kín

* Phân loại theo hệ thống truyền động

Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén được dùng cho robot Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển Tuy nhiên, khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén Nhược điểm của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu Ngoài ra, truyền động khí nén có tính linh hoạt khá cao Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được

Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển chuyển động của từng khớp Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp qui ước Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp

Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vi trí ở bộ phận tác động Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng Do đó, chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động

cơ được lắp ở đế Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy

Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để truyền động các khớp Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành

TRANG 16

qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau Các cơ cấu chấp hành kiểu đó được gọi là vòng kín

*Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều Thứ hai

là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không gian linh hoạt là một phần của không gian

có thể với tới

Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó ba khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác động Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được gọi là tâm cổ tay

Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc Không gian do nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm việc Tay máy được gọi

là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của robot Decartes được thay bằng khớp quay

Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và

khớp thứ ba là khớp lăng trụ (tay máy SCARA) Vị trí tâm cổ tay của robot cầu là

tập hợp các tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối Do đó không gian làm việc robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm

Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay Không gian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến Nhiều

robot công nghiệp là loại robot quay(tay máy REVOLUTE)

TRANG 17

Robot Song Song Delta

Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL) đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành để tạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay như hình 1.7 Không như một số bài báo

đã xuất bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt chước từ cơ cấu song song đã được Willard L Polard đăng ký bản quyền vào năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L Polard cũng không hề biết đến giáo sư Clavel Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award do hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạt động sáng tạo

của ông về robot song song Delta

Hình 1.7 Sơ đồ robot delta

(Ngu ồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)

Thiết kế của robot Delta:

Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu

TRANG 18

vào Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay Các khớp quay của tay quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để chuyển truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển

Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ cho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm và 12

G trong các ứng dụng công nghiệp Chính điều này làm cho robot Delta trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối tượng nhẹ (từ 10 gr đến 1 kg) Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờ tròn, nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng làm việc hình trụ với đường kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m

Hình 1.8 Robot Delta

(Ngu ồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)

Demaurex cũng cấp giấy phép cho một công ty Nhật Bản có tên là Hitachi Seiki được quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (sản phẩm có tên

là DELTA) và khoan (PA35) Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện của Demaurex tại Nhật Bản

TRANG 19

Hình 1.9 Robot IRB 340 FlexPicker

(Ngu ồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)

ABB Flexible Automation đã giới thiệu các robot Delta của mình vào năm

1999, đó là robot có tên IRB 340 FlaxPicker Ba phân khúc thị trường mà họ hướng tới là các ngành công nghiệp thực phẩm, dược và điện tử PlexPicker được trang bị

hệ thống chân không được tích hợp luôn vào robot, có khả năng nhấc và nhà nhanh đối với các vật có khối lượng đến 1 kg Robot được dẫn hướng bởi một thiết bị quan sát của hãng Cognex và được trang bị bộ điều khiển ABB S4C Robot cũng có thể được trang bị một bộ điều khiển chuyển động và hệ thống quan sát của hãng Adept Technology Vận tốc mà robot này đạt được khoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng

150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lên đến 100 m/s2 và 1,2 rad/s2 Robot này

TRANG 20

Hình 1.10 C33 và CE33

(Ngu ồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)

1.2 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG

1.2.1 Fuzzy logic điều khiển robot song song 3 bậc tự do (Nguồn: Fuzzy

Control of a 3 Degree of Freedom Parallel Robot):

Fuzzy logic (FZ- logic mờ) là kỹ thuật điều khiển hiện đại, nó thích hợp cho các đối tượng điều khiển không xác định được các phương trình toán học hoặc phương trình trạng thái đối với các hệ thống điều khiển phức tạp ví dụ như: nhiều thông số hệ thống thay đổi theo thời gian, không tìm được các thông số của mô hình hoặc hệ thống có độ phi tuyến cao Để thiết kế được một hệ điều khiển mờ thì người điều khiển cần quan tâm: luật điều khiển, kết cấu cơ khí của đối tượng, tập mờ, tập giải mờ, dữ liệu ngõ vào và ngõ ra Hình 1.12 thể hiện mô hình điều khiển robot Isoglide3 bằng hệ logic mờ

Hình 1.11 Mô hình robot song song Isoglide3

TRANG 21

Hình 1.12 Mô hình điều khiển robot song song Isoglide3 bằng Fuzzy logic

a Hàm thành viên ngõ vào b Hàm thành viên ngõ vào

Hình 1.13 Hàm thành viên ngõ vào và ngõ ra của khâu 1

a Dạng sóng lực tác động của khâu 1 b Fuzzy logic mô phỏng tracking error Hình 1.14 Fuzzy logic điều khiển robot Isoglide3 về lực và tracking error

TRANG 22

a Quỹ đạo chuyển động của robot b Mô phỏng chuyển động 3D của robot

Hình 1.15 Mô phỏng chuyển động của robot song song Isoglide3

1.2.2 PID mờ điều khiển tay máy song song Stewart 6 bậc tự do (Nguồn: Fuzzy Logic Tuned PID Controller for Stewart Platform Manipulator):

Robot song song Stewart 6 bậc tự do có độ cứng vững cao và hoạt động chính xác hơn so với các robot nối tiếp Bộ PID được xem như một giải pháp đơn giản để điều khiển các hoạt động của robot song song Việc thiết kế bộ PID kinh điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Ngày nay người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), một phương pháp phổ biến để hiệu chỉnh PID mềm là kỹ thuật điều khiển PID mờ Hình 1.17 thể hiện sơ đồ điều khiển tay máy song song 6 bậc tự do Stewart bằng PID mờ

Hình 1.16 Mô hình của robot song song Stewart

TRANG 23

Hình 1.17 Mô hình PID mờ điều khiển một chân của robot Stewart

a Hàm thành viên ngõ vào E b Hàm thành viên ngõ vào ER

Hình 1.18 Hàm thành viên ngõ vào của bộ điều khiển mờ

a Quỹ đạo chuyển động của robot b Mô phỏng sai số chuyển động của robot

Hình 1.19 Mô phỏng chuyển động của robot song song Stewart

Các chân

i của robot Stewart PID

Fuzzy logic

3-Hình 1.20 Mô hình của tay máy song song 3-PRS

Hình 1.21 Mô hình điều khiển tay máy song song 3-PRS

TRANG 25

Hình 1.22 Cấu trúc của các lớp trong mạng nơ ron (sử dụng từ 9-11 lớp ẩn trong

mô hình huấn luyện)

Hình 1.23 Sai số của việc huấn luyện

Hình 1.24 Kết quả chuyển động của tay máy 3-PRS

TRANG 26

CHƯƠNG 2:

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON- MỜ TRONG NHẬN

DẠNG VỊ TRÍ CỦA ROBOT DELTA

2.1 KHÁI QUÁT CHUNG NHẬN DẠNG

2.1.1 Tại sao phải nhận dạng?

Để hiểu rõ vấn đề ta xét một bài toán điều khiển theo nguyên tắc phản hồi như trên hình 4.1

Hình 2.1 Điều khiển theo nguyên tắc phản hồi đầu ra

Muốn tổng hợp được bộ điều khiển cho đối tượng hệ kín có được chất lượng như mong muốn thì trước tiên phải hiểu biết về đối tượng, tức là cần phải

có một mô hình toán học mô tả đối tượng Không thể điều khiển đối tượng khi không hiểu biết hoặc hiểu sai lệch về nó Kết quả tổng hợp bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào mô hình mô tả đối tượng Mô hình càng chính xác, hiệu suất công việc càng cao

Việc xây dựng mô hình cho đối tượng được gọi là mô hình hóa Người

ta thường phân chia các phương pháp mô hình hóa ra làm hai loại:

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với môi trường bên ngoài của đối tượng Các quan hệ này được mô tả theo quy luật lý – hóa, quy luật cân bằng,… dưới dạng những phương trình toán học

Trong các trường hợp mà ở đó sự hiểu biết về những quy luật giao tiếp

là nhận dạng hệ thống điều khiển

Như vậy khái niệm nhận dạng hệ thống điều khiển được hiểu là sự bổ xung cho việc mô hình hóa đối tượng mà ở đó lượng thông tin ban đầu về đối tượng điều khiển không đầy đủ

2.1.2 Định nghĩa

Nhận dạng hệ thống là xây dựng mô hình toán học của hệ (cấu trúc – tham số) dựa trên các dữ liệu thực nghiệm đo được Quá trình nhận dạng là quá trình hiệu chỉnh các tham số của mô hình sao cho tín hiệu ra của mô hình tiến tới tín hiệu đo được của hệ thống

Khái niệm về bài toán nhận dạng được Zadeh định nghĩa vào năm 1962 với hai điểm cơ bản sau:

- Nhận dạng là phương pháp thực nghiệm nhằm xác định một mô hình cụ thể trong lớp các mô hình thích hợp trên cơ sở quan sát các tín hiệu vào ra

- Mô hình tìm được phải có sai số với đối tượng là nhỏ nhất

Theo định nghĩa này thì những bài toán nhận dạng sẽ phải được phân biệt với nhau ở ba điểm chính, đó là:

- Lớp mô hình thích hợp Chẳng hạn lớp các mô hình tuyến tính không

có cấu trúc (không biết bậc của mô hình) hoặc có cấu trúc, lớp các loại mô hình lưỡng tuyến tính

- Loại tín hiệu quan sát được (tiền định/ngẫu nhiên)

- Phương thức mô tả sai lệch giữa mô hình thực và đối tượng

- Số liệu vào – ra

- Tập các đầu vào tham gia vào mô hình

- Tiêu chí lựa chọn mô hình

Quy trình nhận dạng gồm các bước sau:

B ước 1: Thu thập số liệu vào – ra từ hệ thống

B ước 2: Khảo sát số liệu Lựa chọn phần có ích trong số liệu thu được, có thể

sử dụng bộ lọc nếu cần

B ước 3: Lựa chọn và xác định cấu trúc mô hình

B ước 4: Tính toán mô hình tốt nhất trong các dạng cấu trúc tìm được theo

số liệu vào ra và tiêu chí lựa chọn

B ước 5: Khảo sát tính năng của mô hình tìm được

Nếu mô hình cho chất lượng tốt thì dùng Ngược lại thì quay về bước 3

để tìm mô hình khác Có thể phải tìm phương pháp ước lượng khác (bước 4) hoặc thu thập thêm số liệu vào – ra (bước 1 và 2)

Quy trình nhận dạng hệ thống có thể biểu diễn theo sơ đồ hình 2.2

TRANG 29

Hình 2.2 Quy trình nhận dạng hệ thống 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG

Các phương pháp nhận dạng được phân loại theo các phương pháp như sau:

- Phân loại dựa trên cơ sở các phần tử hệ thống:

+ Phân loại theo hệ thống nhận dạng S

+ Phân loại theo tín hiệu vào u

+ Phân loại theo tiêu chuẩn nhận dạng

- Là bộ phận chính của hệ thống thích nghi

- Đòi hỏi cần có bộ nhớ

- Thuật toán có thể được thay đổi dễ dàng

- Tại bước tính toán đầu tiên có thể tìm được ra lỗi của thuật toán khi

hệ thống có sự thay đổi thông số đủ lớn

Có 2 dạng nhận dạng đệ quy:

- Nhận dạng On-line

- Nhận dạng Off-line

- Phương pháp nhận dạng không tham số và nhận dạng tham số

+ Nhận dạng không tham số: là phương pháp nhận dạng mà mô hình để nhận dạng là các đường cong quá độ hoặc các hàm và véc tơ tham số không nhất thiết phải có kích thước hữu hạn Nhận dạng không tham số thường dùng các phương pháp như: phân tích hàm quá độ h(t), phân tích tần số, phân tích hàm tương quan, phân tích phổ…

+ Nhận dạng tham số từ mô hình AR, MA, ARMA… Người ta đưa vào hệ thống tín hiệu vào xác định u(t) sau đó đo tín hiệu ra y(t) Người ta mô

tả hệ thống bằng một mô hình tham số và dùng phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh sao cho đánh giá của véc tơ tham số trùng với véc tơ tín hiệu ra của hệ thống Phương pháp này thường dùng nhận dạng các hệ phức tạp, khi đó đối tượng được coi là “hộp đen”, vì vậy phương pháp nhận dạng có tên là nhận dạng “hộp đen”

Trong chế độ on-line, mô hình phải thật đơn giản, số các thông số chọn

đủ nhỏ và cấu trúc mô hình tuyến tính theo thông số

Thuật toán nhận dạng on-line được xây dựng sao cho trên mỗi bước tính không cần xử lý lại toàn bộ chuỗi quan sát, có nghĩa là sử dụng lại quá trình lặp

2.4.2 Nhận dạng Off-line

Trong quá trình điều khiển các đối tượng động lực cần phải giải quyết bài toán nhận dạng thông số mô hình hệ động lực Hiện nay có hai hướng cơ bản mô tả toán học các đối tượng động lực:

- Mô hình hàm truyền

- Mô hình không gian trạng thái

Loại mô hình hàm truyền phù hợp với giai đoạn đầu phát triển lý thuyết điều khiển và hướng đến các hệ tuyến tính dừng

Loại mô hình không gian trạng thái tổng quát hơn và có thể hướng đến lớp đối tượng rộng hơn như hệ phi tuyến, dừng và không dừng

Quan điểm không gian trạng thái tỏ ra rất hiệu quả trong các nghiên cứu khoa học và trong thiết kế các hệ động lực phức tạp

Mục tiêu bài toán nhận dạng không nằm ngoài việc đảm bảo hiệu quả điều khiển Tuy nhiên bài toán nhận dạng có thể có ý nghĩa độc lập Trong trường hợp này đòi hỏi độ chính xác của các ước lượng thông số nhận được

- Mất thông tin do phép rời rạc hóa

- Khó thể hiện bằng phần cứng trên thực tế

- Khi số thông số lớn (>3) khó xác định chính xác véc tơ thông số

- Không sử dụng được khi hệ không dừng

2.3 ỨNG DẠNG MẠNG NƠ RON – MỜ NHẬN DẠNG VỊ TRÍ CỦA ROBOT DELTA

Hình 2.4 Mô hình nhận dạng động học của robot Delta

Mô hình robot Delta

Luật điều chỉnh thông số

q

e i