Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu stewart gough platform

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận án này là kết quả nghiên cứu của riêng tác giả. Tất cả những tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều được nêu nguồn gốc một cách rõ ràng. Những kết quả nghiên cứu và đóng góp trong luận án chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tác giả luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Vinh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Ngọc Lâm và TS. Nguyễn Minh Thạnh đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện các công trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên của Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa và Phân Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa TP.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Gia đình của tôi, những người thân đã chia sẻ mọi khó khăn, luôn động viên tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận án này. iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM VÀ CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC. .............................................................................................. 5 1.1 Tổng quan về tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart– Gough Platform. .......................................................................................................... 5 1.1.1 Giới thiệu về tay máy song song .................................................................. 5 1.1.2 Tình hình nghiên cứu về tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform . 6 1.2 Các cơ sở toán học về tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform.......... 13 1.2.1 Phân tích hình học tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform ........ 14 1.2.2 Mô hình toán của tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform .......... 15 1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÔNG CỤ MÔ HÌNH HÓA, KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM .............................................................................................................................. 23 2.1 Xây dựng công cụ mô hình hóa tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform ......................................................................................................................... 23 2.2 Mô hình hóa tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform sử dụng bộ công cụ đã thiết kế.............................................................................................................. 27 2.2.1 Điểm làm việc của tay máy với góc hướng tâm khâu là hằng số................. 27 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm việc ................................................... 29 2.2.3 Cấu hình làm việc của tay máy song song với góc hướng tâm khâu thay đổi ................................................................................................................... 32 2.2.4 Áp dụng lý thuyết Vít xác định cấu hình suy biến, điểm kỳ dị và vùng lân cận của tay máy song song ........................................................................................... 34 2.2.5 2.3 Độ cứng vững của tay máy......................................................................... 39 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 39 iv CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM .......................... 41 3.1 Các thuật toán tối ưu và phương pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song.... 41 3.1.1 Các thuật toán tối ưu .................................................................................. 41 3.1.2 Phương pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song ................................... 46 3.2 Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo một tiêu chí................................... 51 3.3 Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo hai tiêu chí .................................... 56 3.3.1 Tối ưu hóa thiết kế theo hai tiêu chí dùng giải thuật di truyền và thuật toán PSI ................................................................................................................... 57 3.3.2 Tối ưu hóa thiết kế theo hai tiêu chí dùng thuật toán GA-PSI..................... 61 3.3.3 Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo ba tiêu chí............................... 66 3.4 Nhận xét và kết luận chương 3.......................................................................... 71 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VỚI ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ ............................................................................................. 73 4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm........................................................................ 73 4.1.1 Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí................................................................ 74 4.1.2 Thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển ....................................................... 76 4.2 Xác định thiết kế tối ưu cho mô hình thực nghiệm............................................ 81 4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 87 CHƯƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM TRÊN CƠ SỞ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN................... 89 5.1 Khảo sát bằng mô phỏng các thuật toán điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform............................................................................................ 89 5.1.1 Bộ điều khiển PID...................................................................................... 91 5.1.2 Bộ điều khiển mờ trực tiếp (Direct Fuzzy-PD) ........................................... 95 5.1.3 Bộ điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID ................................................... 101 5.1.4 Nhận xét về các bộ điều khiển.................................................................. 108 v 5.2 Điều khiển tay máy song song trên cơ sở tối ưu hóa thiết kế tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform .................................................................................. 109 5.2.1 Bộ điều khiển PID.................................................................................... 110 5.2.2 Bộ điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID ................................................... 114 5.3 Quy trình ứng dụng kết quả luận án cho hệ thống thực tế ............................... 119 5.4 Kết luận chương 5 .......................................................................................... 120 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 122 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ............................................. 123 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................................................................ 124 CÔNG TRÌNH THAM GIA CỦA TÁC GIẢ............................................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 125 PHỤ LỤC.................................................................................................................... 137 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ASME AVI CRIGOS Viết đầy đủ Tiếng Anh Viết đầy đủ Tiếng Việt American Society of Mechanical Engineers Active Vibration Isolation Compact Robot for Hội kỹ sư cơ khí Mỹ Hệ thống cô lập dao động tích cực Image Guided Orthopedic Surgery Robot nhỏ gọn cho phẫu thuật chỉnh hình với hướng dẫn bằng hình ảnh. CSA Canadian Space Agency Cơ quan Vũ trụ Canada ESA European Space Agency Cơ quan Vũ trụ Châu Âu GA Genetic Algorithms Giải thuật di truyền ICRA IEEE IFAC International Conference on Hội nghị quốc tế về Robot và Tự Robotics and Automation Institute of Electrical động hóa and Electronics Engineers International Federation of Liên đoàn quốc tế về Điều khiển Automatic Control tự động International Federation for the IFToMM Promotion of Mechanism and Machine Science IROS NASA International Conference Viện Kỹ sư Điện và Điện tử Liên đoàn quốc tế về Phát triển khoa học máy và Cơ cấu. on Hội nghị quốc tế về Robot và Hệ Intelligent Robots and Systems thống thông minh. National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Administration NASA (Mỹ) vii National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn và công nghệ NIST PC and Technology quốc gia (Mỹ) Personal computer Máy tính cá nhân Bộ điều khiển (giải thuật) vi tích PID Proportional Integral Derivative phân tỷ lệ – Bộ điều khiển (giải thuật) PID PPR Pulse per rovolution Số xung trên vòng quay PSA Peugeot Société Anonyme Công ty Peugeot PSI Parameters Space Investigation PWM Thuật toán điều tra không gian tham số Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI). SPI DANH MỤC CÁC ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Đại lượng m meter mét Chiều dài mm millimeter mi-li-mét Chiều dài kg kilogram kilôgam Khối lượng s second giây Thời gian h hour giờ Thời gian rad radian rađian Góc N newton niutơn Lực viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo tay máy song song. .............................................................................. 5 Hình 1.2. Tay máy song song của hãng Dunlop Rubber [19] ........................................... 7 Hình 1.3. Thiết bị mô phỏng bay của D. Stewart [19] ...................................................... 7 Hình 1.4. Delta robot [37]................................................................................................ 7 Hình 1.5. Thiết bị gia công Hexapod - Dự án của NIST [3] ............................................. 7 Hình 1.6. Tay máy Stewart–Gough - Dự án Cubic Hexapod [20]..................................... 8 Hình 1.7. Máy phay với hệ cấu trúc song song - Dự án Hexaglide [3].............................. 8 Hình 1.8. Thiết bị SurgiScope [37] .................................................................................. 8 Hình 1.9. Robot CRIGOS [31]......................................................................................... 8 Hình 1.10. Hệ thống định vị kính viễn vọng James Webb [84] ........................................ 9 Hình 1.11. Hệ thống thử nghiệm động cơ PSA [84] ......................................................... 9 Hình 1.12. Tay máy song song với các dẫn động tuyến tính [62] ................................... 10 Hình 1.13. Tay máy song phẳng dùng trong y tế [81]..................................................... 11 Hình 1.14. Tay máy song song Stewart Platform - Đại học SASTRA [75]..................... 11 Hình 1.15. Hệ thống kiểm định cơ sinh học [9].............................................................. 12 Hình 1.16. Hệ thống gia công 5 trục ảo CNC+Hexapod [110] ....................................... 13 Hình 1.17. Giản đồ vector của tay máy song song Stewart–Gough Platform.................. 14 Hình 1.18. Bố trí khớp nối Bi trên mặt phẳng nền (a) và Pi trên tấm chuyển động (b) .... 15 Hình 2.1. Lưu đồ thuật toán mô hình hóa tay máy song song ......................................... 24 Hình 2.2. Giao diện công cụ mô hình hóa tay máy song song ........................................ 26 Hình 2.3. Cấu hình khảo sát điểm làm việc của tâm khâu .............................................. 28 Hình 2.4. Tập hợp điểm làm việc với góc hướng tâm khâu là hằng số............................ 28 Hình 2.5. Vùng làm việc với góc hướng tâm khâu là hằng số......................................... 29 Hình 2.6. Tập hợp điểm làm việc khi xét giới hạn góc khớp .......................................... 30 Hình 2.7. Vùng làm việc khi xét giới hạn góc khớp ....................................................... 30 Hình 2.8. Điểm làm việc của tâm khâu khi tăng bán kính mặt phẳng nền....................... 31 Hình 2.9. Vùng làm việc của tâm khâu khi tăng bán kính mặt phẳng nền....................... 31 Hình 2.10. Ví dụ về cấu hình khác nhau tại điểm khảo sát (xd=-1,4; yd=-0,7; zd=1,1)..... 32 Hình 2.11. Điểm làm việc của tâm khâu khi góc hướng thay đổi ................................... 33 Hình 2.12. Vùng làm việc của tay máy khi góc hướng tâm khâu thay đổi ...................... 33 ix Hình 2.13. Cấu hình Stewart–Gough Platform đối xứng – xác định cấu hình suy biến ... 35 Hình 2.14. Tập hợp điểm làm việc ................................................................................. 35 Hình 2.15. Phân bố điểm kỳ dị....................................................................................... 35 Hình 2.16. Kết quả về cấu hình suy biến tại vị trí S4 (x4 = -0,44, y4 = -0,44, z4 = 1,19). . 36 Hình 2.17. Cấu hình biến thể – xác định cấu hình suy biến. ........................................... 37 Hình 2.18. Lân cận điểm kỳ dị với det(T)[...]... thể  Đối tượng nghiên cứu: Tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform (các phần trình bày về tay máy song song trong luận án được hiểu là tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform)  Phạm vi nghiên cứu: Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform trên mô hình máy tính và thực nghiệm  Giới hạn của luận án: - Về tối ưu hoá thiết kế cấu hình, luận án giới hạn... tối ưu hoá và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform; - Đề xuất nội dung nghiên cứu và phương pháp tiến hành luận án; - Xác định các cơ sở toán học làm nền tảng cho các kết quả nghiên cứu của luận án 1.1 Tổng quan về tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform 1.1.1 Giới thiệu về tay máy song song Tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform [19]... kế và điều khiển cho tay máy song song Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu về tối ưu hóa bộ điều khiển cho tay máy song song Trên cơ sở cấu hình tối ưu hóa thiết kế ở chương 4, luận án đề xuất và mô phỏng trên máy tính các giải pháp tối ưu hóa bộ điều khiển dùng các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại: PID, Fuzzy, Fuzzy-PID Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng, so sánh, đánh giá kết quả và. .. về tối ưu hoá tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform chỉ dừng ở tối ưu hoá cơ hệ hoặc tối ưu hoá điều khiển mà chưa có các nghiên cứu có tính tổng hợp, đầy đủ và xuyên suốt để có thể áp dụng vào thực tiễn cho toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform Vì vậy, các nghiên cứu về vấn đề này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong việc thiết kế và. .. khảo sát, đặc tính điều khiển, … nhằm phục vụ việc thiết kế, chế tạo và vận hành tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform có ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 Luận án này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau:  Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng những cơ sở khoa học về tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform, góp phần tạo ra công cụ để thiết kế, chế tạo các hệ... hình thiết kế tối ưu tay máy song song theo một và đa tiêu chí Các kết quả tối ưu được tìm kiếm, phân tích và đánh giá với cùng không gian tham số đầu vào cho tất cả các trường hợp tối ưu Chương 4 trình bày kết quả thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu Ứng dụng giải pháp tối ưu hóa thiết kế ở chương 3 để xác định và xác lập cấu hình thực nghiệm về tối ưu hóa thiết. .. sát  Xây dựng mô hình vật lý tay máy song song có khả năng tái cấu hình và tính mở, cho phép kiểm chứng các thuật toán tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song  Đề xuất giải pháp tối ưu hóa điều khiển tay máy song song trên cơ sở áp dụng thuật toán điều khiển thông minh (Fuzzy) và phương pháp kết hợp (Fuzzy-PID)  Ý nghĩa thực tiễn của Luận án:  Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận... thiết kế chế tạo  Nội dung nghiên cứu:  Xây dựng bộ công cụ mô hình hóa, khảo sát và đánh giá khả năng hoạt động của tay máy song song  Xây dựng giải pháp nhằm tối ưu hóa thiết kế tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform theo đa tiêu chí (số điểm làm việc, số cấu hình làm việc, độ cứng vững của tay máy)  Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực hiện tối ưu hóa cấu hình thiết kế 3  Đề xuất thiết. .. và mô phỏng Qua khảo sát các công trình công bố trong nước chưa thấy các nghiên cứu tổng hợp về tối ưu hoá thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform  Tổng hợp các nghiên cứu có liên quan về tối ưu hoá hệ thống tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform  Các nghiên cứu của V.A.Glazunov và nhóm tác giả [62], [63], [66], [90], [94] đã đề cập sâu hơn về phương pháp tối ưu. .. bộ điều khiển (PID, Fuzzy-PID) trên mô hình thực nghiệm tay máy song song Phần kết luận tổng hợp lại những kết quả của luận án, hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo 5 1 CHƯƠNG 1: TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART GOUGH PLATFORM VÀ CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC Chương này trình bày những vấn đề chính như sau: - Giới thiệu tóm tắt về tay máy song song kiểu Stewart Gough Platform; - Những nghiên cứu về tối ưu hoá và ... pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song 41 3.1.1 Các thuật toán tối ưu 41 3.1.2 Phương pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song 46 3.2 Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song... CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM TRÊN CƠ SỞ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN 89 5.1 Khảo sát mô thuật toán điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform. .. bày tay máy song song luận án hiểu tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform)  Phạm vi nghiên cứu: Tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform mô hình máy