Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform.

Header Page of 258 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án kết nghiên cứu riêng tác giả Tất tham khảo từ nghiên cứu liên quan nêu nguồn gốc cách rõ ràng Những kết nghiên cứu đóng góp luận án chưa công bố công trình khoa học khác Tác giả luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Vinh Footer Page of 258 Header Page of 258 ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Ngọc Lâm TS Nguyễn Minh Thạnh tận tình hướng dẫn thực công trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô, Cán bộ, Nhân viên Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Phân Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa TP.HCM nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Gia đình tôi, người thân chia sẻ khó khăn, động viên vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận án Footer Page of 258 Header Page of 258 iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM VÀ CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC 1.1 Tổng quan tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart– Gough Platform 1.1.1 Giới thiệu tay máy song song 1.1.2 Tình hình nghiên cứu tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform 1.2 Các sở toán học 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 tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform 15 1.3 Kết luận chương 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 công cụ thiết kế 27 2.2.1 Điểm làm việc tay máy với góc hướng tâm khâu số 27 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm việc 29 2.2.3 Cấu hình làm việc 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 vùng lân cận tay máy song song 34 2.2.5 2.3 Footer Page of 258 Độ cứng vững tay máy 39 Kết luận chương 39 Header Page of 258 iv CHƯƠNG 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 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 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 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 kết luận chương 71 CHƯƠNG 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 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 87 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 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 điều khiển 108 Footer Page of 258 Header Page of 258 5.2 v Điều khiển tay máy song song 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 luận án cho hệ thống thực tế 119 5.4 Kết luận chương 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 Footer Page of 258 Header Page of 258 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 Hệ thống cô lập dao động tích cực Image Guided Orthopedic Surgery Robot nhỏ gọn cho phẫu thuật chỉnh hình với hướng dẫn 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 Robot Tự Robotics and Automation Institute of Electrical động hóa and Electronics Engineers International Federation IFToMM Automatic Control tự động Promotion of Mechanism and Machine Science IROS NASA International Conference Viện Kỹ sư Điện Điện tử of Liên đoàn quốc tế Điều khiển International Federation for the Footer Page of 258 Hội kỹ sư khí Mỹ Liên đoàn quốc tế Phát triển khoa học máy Cơ cấu on Hội nghị quốc tế Robot Hệ Intelligent Robots and Systems thống thông minh National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không Vũ trụ Administration NASA (Mỹ) Header Page of 258 vii National Institute of Standards Viện tiêu chuẩn 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 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 Footer Page of 258 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 Thời gian rad radian rađian Góc N newton niutơn Lực Header Page of 258 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo tay máy song song Hình 1.2 Tay máy song song hãng Dunlop Rubber [19] Hình 1.3 Thiết bị mô bay D Stewart [19] Hình 1.4 Delta robot [37] Hình 1.5 Thiết bị gia công Hexapod - Dự án NIST [3] Hình 1.6 Tay máy Stewart–Gough - Dự án Cubic Hexapod [20] Hình 1.7 Máy phay với hệ cấu trúc song song - Dự án Hexaglide [3] Hình 1.8 Thiết bị SurgiScope [37] Hình 1.9 Robot CRIGOS [31] Hình 1.10 Hệ thống định vị kính viễn vọng James Webb [84] Hình 1.11 Hệ thống thử nghiệm động PSA [84] Hình 1.12 Tay máy song song với dẫn động tuyến tính [62] 10 Hình 1.13 Tay máy song phẳng dùng 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 sinh học [9] 12 Hình 1.16 Hệ thống gia công trục ảo CNC+Hexapod [110] 13 Hình 1.17 Giản đồ vector tay máy song song Stewart–Gough Platform 14 Hình 1.18 Bố trí khớp nối Bi mặt phẳng (a) Pi 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 tâm khâu 28 Hình 2.4 Tập hợp điểm làm việc với góc hướng tâm khâu số 28 Hình 2.5 Vùng làm việc với góc hướng tâm khâu số 29 Hình 2.6 Tập hợp điểm làm việc xét giới hạn góc khớp 30 Hình 2.7 Vùng làm việc xét giới hạn góc khớp 30 Hình 2.8 Điểm làm việc tâm khâu tăng bán kính mặt phẳng 31 Hình 2.9 Vùng làm việc tâm khâu tăng bán kính mặt phẳng 31 Hình 2.10 Ví dụ cấu hình khác điểm khảo sát (xd=-1,4; yd=-0,7; zd=1,1) 32 Hình 2.11 Điểm làm việc tâm khâu góc hướng thay đổi 33 Hình 2.12 Vùng làm việc tay máy góc hướng tâm khâu thay đổi 33 Footer Page of 258 Header Page of 258 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 cấu hình suy biến 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)