nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HÕA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT HAI BẬC TỰ DO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật diều khiển và tự động hóa THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HÕA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT HAI BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn. Thái nguyên, tháng 5 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Hòa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) v LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN MỞ ĐẦU 2 1. Lý do chọn đề tài 2 2. Mục đích nghiên cứu 2 3. Đối tượng nghiên cứu 2 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 a) Ý nghĩa khoa học 2 b) Ý nghĩa thực tiễn 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 4 1.1. Lịch sử phát triển 4 1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng 7 1.3. Ứng dụng robot công nghiệp 8 1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 8 1.5. Kết cấu tay máy 9 1.6. Kết luận 11 Chương 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 12 2.1 Các hệ điều khiển kinh điển 12 2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 12 2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến 12 2.2 Logic mờ và điều khiển mờ 14 2.2.1. Giới thiệu 14 2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii 2.3. Điều khiển thích nghi : 28 2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 28 2.3.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 29 2.3.3. Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 35 2.3.4. Phương pháp ổn định của Lyapunov. 37 2.4. Kết luận 40 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 41 3.1 Mô hình toán học cánh tay robot 43 3.2 – 43 3.3 Kết luận 55 Chương 4. THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN ROBOT RD5NT 56 4.1. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI 56 4.2. Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller) cho tay máy 2 bậc tự do 58 4.3. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC 66 4.4. Kết luận 66 Kết luận chung và kiến nghị 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KÝ HIỆU Ý NGHĨA ET Đầu vào thứ nhất đặt vào bộ điều khiển dET Đạo hàm dầu vào thứ nhất đặt vào bộ điều khiển U Điện áp một chiều ĐKTN Điều khiển thích nghi e(t) Sai lệch tind hiệu điều khiển PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các 9 Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ 10 Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu 10 Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc 11 Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA 11 Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 16 Hình 2.2. Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 17 Hình 2.3. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min 20 Hình 2.5. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min 22 Hình 2.6. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod 24 Hình 2.7. Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 25 Hình 2.8. Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 25 Hình 2.9. Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 26 Hình 2.10. Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 27 Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ 27 Hình 2.13. Hệ thích nghi tín hiệu 33 Hình 2.14. Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 35 Hình 3.1. Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 45 Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong phần mềm Matlab 45 Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab 46 Hình 3.4. Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần mềm Matlab 46 Hình 3.5. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 47 Hình 3.6. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 47 Hình 3.7. Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 49 Hình 3.8. Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ 49 Hình 3.9. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 50 Hình 3.10. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi Hình 3.11. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 52 Hình 3.12. Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 52 Hình 3.13. Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng bộ điều khiển mờ 54 Hình 3.14. Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng bộ điều khiển mờ 54 Hình 3.15. Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 55 56 Hình 4.2. Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57 Hình 4.3. Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57 Hình 4.4. Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 57 Hình 4.5. Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 58 Hình 4.6. Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 59 Hình 4.7. Hàm thuộc của sai lệch e(t) 60 Hình 4.8. Hàm thuộc của đạo hàm sai lệch de(t) 60 Hình 4.9. Quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63 Hình 4.10. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63 Hình 4.11. Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot 64 Hình 4.12. So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển 65 Hình 4.13. Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ 1,2 66 Hình 4.14. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67 Hình 4.15. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 LỜI NÓI ĐẦU Robot là đối tượng phi tuyến nên rất khó xác định được chính xác các thông số đo lường tại các thời điểm nhất định. Do vậy, bài toán điều khiển cánh tay robot là bài toán khá phức tạp. Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trong bài toán điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác đối tượng trong các môi trường làm việc. Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu điều khiển cánh tay robot. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn. Chính vì lý do trên tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do”. Luận văn chia làm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự do và mô phỏng Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT. Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời gian và kinh nghiệm khoa học còn nhiều hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp! Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà và các thầy cô khác đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành bản luận văn này! Và qua đây xin dành lời biết ơn sâu sắc đến người thân đã hết lòng động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn này! Thái Nguyên, tháng 5 năm 2014 Tác giả Nguyễn Thị Hòa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến. Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn. Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do" 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng. 3. Đối tượng nghiên cứu Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến. Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot. [...]... ứng Sơ đồ của robot SCARA như hình 1.5 Hình 1.5 Tay máy kiểu SCARA 1.6 Kết luận Chương I: "Tổng quan về Robot công nghi p và tay máy" đã nêu một số vấn đề sau: - Lịch sử phát triển; - Robot công nghi p và các ứng dụng; - Ứng dụng robot công nghi p - Cấu trúc cơ bản của robot công nghi p - Kết cấu tay máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN... tới mức độ tự nhiên So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau: Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điểu khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điều kiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa... kết quả nghi n cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế 2.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ a) Sơ đồ khối: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên hình 1.1 Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết bị hợp thành và khối giải mờ Ngoài ra cò có giao diện vào và giao diện ra để đưa tín hiệu vào bộ điều khiển và xuất tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển. .. Hình 2.11 So sánh các phương pháp giải mờ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 27 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.3 Điều khiển thích nghi : 2.3.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế mà các hệ điều khiển truyền thống không thoả mãn được Trong các hệ điều khiển truyền thống, các xử lý điều khiển thường dùng những mạch phản hồi... đời, lý thuyết điều khiển kinh điển đã có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài toán điều khiển đặt ra trong thực tế Tuy nhiên chất lượng của hệ thống cũng chỉ đạt được ở mức độ khiêm tốn, nhất là đối với hệ phi tuyến Với sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ thuật nghi n cứu ứng dụng nhằm ngày... QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHI P VÀ TAY MÁY Robot công nghi p là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau Có thể định nghĩa là: Robot công nghi p là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con người Theo ISO thì Robot công nghi p là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động,... dạng trong các máy quay video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghi m con lắc ngược đã được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng được sinh ra gần 100 lần ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống” Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi,... ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong nghành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực... đảm bảo cho robot khả năng làm việc như nâng hạ vật Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng theo tay người còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của nó Trong thiết kế tay máy người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc - Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay - Tầm... Tay máy kiểu tọa độ Đề các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ + Tay máy kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng Thường khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.2 Có nhiều robot tọa độ trụ như: Robot Versatran của hang AMF (Hoa Kỳ) Hình 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ + Tay máy kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot . chọn đề tài: " ;Nghi n cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do& quot; 2. Mục đích nghi n cứu Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các. NGHI P NGUYỄN THỊ HÕA NGHI N CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT HAI BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 . kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự do và mô phỏng Chương 4: Thực nghi m bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT. Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời