Ứng dụng Learning Feedforwrd trên cơ sở mạng nơron điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ QUANG VINH ỨNG DỤNG LEARNING FEEDFORWARD TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠRON ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT LỜI NÓI ðẦU Ngày nay, ñiều khiển robot công nghiệp ñã ñang ñược ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất ñời sống ðể ñiều khiển rôbốt ñã có nhiều phương pháp khác dùng ñiều khiển truyền thống PID, LQR (Linear Quadratic Regulator), LQG (Linear Quadratic Gaussian), STR (Self Tuning Regulator) Các ñiều khiển ñược thiết kế sở mô hình tuyến tính hoá với thông số biết trước Tuy nhiên Robốt hệ cấu trúc có tính phi tuyến mạnh, tham số không rõ thay ñổi chứa thành phần phi tuyến Ngoài trình làm việc hệ chịu tác ñộng nhiễu bên có tham số thay ñổi Do ñối với robot làm việc với yêu cầu ñồng thời có ñộ ổn ñịnh ñộ xác cao ñiều khiển thể hạn chế Hệ thống ñiều khiển thích nghi hệ thống mà cấu trúc tham số ñiều khiển thay ñổi theo biến thiên thông số hệ cho chất lượng ñảm bảo tiêu ñã ñịnh ðặc biệt hệ ñiều khiển Learning Feed Forward (LFFC) sở mạng nơ ron, ñã ñược nghiên cứu thiết kế ứng dụng thực tế Bộ ñiều khiển có ưu ñiểm có khả kháng nhiễu hệ thống (Systems Noise) có hiệu quả, nhờ ñó ñộ xác ñộ ổn ñịnh hệ ñồng thời ñạt ñược Việc ứng dụng Learning Feed Forward sở mạng nơron ñể ñiều khiển vị trí cánh tay rôbốt nâng cao chất lượng hệ thống Vì lựa chọn ñề tài: “Ứng dụng Learning FeedForward sở mạng nơ ron ñiều khiển vị trí cánh tay robot ” Luận văn tác giả phân tích mô hình ñộng học ñối tượng thông qua mô hình toán học ñó ñưa phương án ñiều khiển Kết ñiều khiển ñược mô kiểm chứng phần mềm matlab Luận văn tác giả trình bày chương: Chương 1: Tổng quan ñiều khiển bobot công nghiệp Trong chương trình bày khái niệm phân loại, cấu trúc kỹ thuật robot công nghiệp ñã ñưa phương trình ñộng học robot bậc tự dùng Feedback kết hợp LFFC (Learning Feedforward Control) sở mạng nơ ron ñể ñiều khiển Chương 2:Learning FeedForward control sở mạng nơ ron Trong chương tác giả trình bày sở lý thuyết ñiều khiển học; ñiều khiển LFFC, sở mạng nơ ron, LFFC sở mạng nơ ron Phân tích ứng dụng LFFC sở mạng nơ ron cho chuyển ñộng lặp Phương pháp quy chuẩn LFFC phân tích trình ổn ñịnh hệ thống Chương Thiết kế ứng dụng Trong chương tác giả sử dụng sở lý thuyết từ chương chương thiết kế ñiều khiển bobot bậc tự sử dụng ñiều khiển Feedback kết hợp với LFFC sở mạng nơ ron Kết trình phân tích ñược kiểm chứng mô phần mềm Matlab simulink Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ðIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP Giới thiệu: Robot công nghiệp bao gồm nhiều loại với hệ thống ñiều khiển khác nhau, chúng ñược sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Trong chương này, tác giả trình bày loại robot công nghiệp, xây dựng mô hình toán cho robot bậc tự sử dụng hệ thống ñiều khiển Feedback kết hợp với LFFC sở mạng nơ ron 1.1.Tổng quan Robot 1.1.1.Khái niệm Robot công nghiệp khái niệm - Về mặt khí robot hệ thống khí bao gồm nối cứng khớp Ngoài phận khác thân máy, bệ máy - Về nội dung kỹ thuật khí, ñiều khiển ñiện tử, robot ñược ñịnh nghĩa sau: Robot cấu khí có vài bậc tự do, di chuyển người ñược ñiều khiển máy tính; Robot công nghiệp cấu máy lập trình ñược làm việc cách tự ñộng không cần trợ giúp người; Robot cấu máy có chức người có hợp tác Robot với Cấu tạo Robot hệ thống phức tạp, ta hiểu thông qua cách nhìn nhận từ nhiều phương diện sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- 1) Phương diện vật lý: Là hệ thống lớn bao gồm nhiều hệ thống (sub_system) ðể vận hành ñược phải có ñầy ñủ yếu tố: Năng lượng; Cơ khí (các nối, khớp, thân, ); ðiều khiển; 2) Phương diện truyền tin: Là hệ thống truyền tin xử lý tin khép kín bao gồm: Phần chuyển ñộng; phần nhận dạng ñiều khiển a) Cơ cấu chuyển ñộng: Có tác dụng thực chuyển ñộng theo yêu cầu công nghệ Phần chuyển ñộng ñược thực kỹ thuật truyền ñộng sau: Truyền ñộng thuỷ lực; Truyền ñộng khí nén truyền ñộng ñiện Trong ñó truyền ñộng ñiện dùng ñộng ñiện chiều hay ñộng ñiện xoay chiều ñi kèm ñiều khiển b) Cơ cấu nhận dạng: Là hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến lực, cảm biến vị trí, cảm biến tốc ñộ, Các thông tin ño ñược từ cảm biến ñược chuyển tới phận ñiều khiển c) Bộ phận ñiều khiển: Thường máy tính, vi xử lý ñảm nhận, có chức tính toán ñiều khiển phận chuyển ñộng theo yêu cầu công nghệ Sơ ñồ Hình 1.1 sơ ñồ ñiển hình hệ thống ñiều khiển vị trí, sơ ñồ thể vị trí tốc ñộ khớp thường ñược ño sensor chiết áp, máy phát tốc, thiết bị mã hoá Các tín hiệu ñược ñưa ñến khối ñiều khiển tạo tín hiệu ñiều khiển, ñiều khiển khớp cấu dẫn ñộng làm cho tay máy chuyển ñộng theo quỹ ñạo mong muốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- Quỹ ñạo ñặt BỘ ðIỀU KHIỂN Tín hiệu ñiều khiển Quỹ ñạo thực ROBOT HỆ THỐNG ðO (CÁC SENSOR) Hình 1.1 Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển vị trí 1.1.2 Phân loại Robot công nghiệp Có nhiều cách phân loại Robot, dựa sở kỹ thuật khác có cách phân loại khác Sau ñây số cách phân loại: Phân loại theo số bậc tự môi trường công tác Lấy hai hình thức chuyển ñộng nguyên thuỷ làm chuẩn Chuyển ñộng tịnh tiến theo hướng x,y,z không gian ðềcác (Ký hiệu P: Prasmatic) Chuyển ñộng quay xung quanh trục x, y, z (Ký hiệu R: Rotation) Thông thường chuyển ñộng ñược ký hiệu sau Chuyển ñộng tịnh tiến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyển ñộng quay http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- Dạng ðề Dạng trụ Dạng cầu Dạng khớp Như với bậc tự do, Robot chuyển ñộng môi trường công tác với hình khối phụ thuộc vào tổ hợp P R hình minh hoạ Hình 1.2 Hình.1.2 Các dạng Robot bậc tự PPP trường công tác hình hộp chữ nhật lập phương RPP trường công tác khối trụ RRP trường công tác khối cầu RRR trường công tác khối cầu Lĩnh vực hoạt ñộng Robot ngày mở rộng, với yêu cầu khả thao tác ngày khéo léo tinh vi Vì số bậc tự không hạn chế Do ñể giải toán ñiều khiển Robot bên cạnh hệ toạ ñộ chuẩn U ta ñặt ñặt nhiều hệ toạ ñộ khác như: R : Hệ toạ ñộ Robot P : Hệ toạ ñộ ñối tượng H : Hệ toạ ñộ tay E : Hệ toạ ñộ ñiểm kẹp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- Số bậc tự tăng lên kéo theo vấn ñề kỹ thuật kinh tế phải giải Vì việc chọn số bậc tự thiết phải ñảm bảo tính kỹ thuật tối ưu theo tiêu chuẩn yêu cầu Phân loại theo phương pháp ñiều khiển Có kiểu ñiều khiển ñiều khiển hở ñiều khiển kín - ðiều khiển hở, dùng truyền ñộng bước (dùng ñộng ñiện ñộng thủy lực, khí nén ) mà quãng ñường góc dịch chuyển tỉ lệ với số xung ñiều khiển Kiểu ñơn giản ñộ xác thấp - ðiều khiển kín (ñiều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí ñể tăng ñộ xác ñiều khiển Có kiểu ñiều khiển kín ñiểm - ñiểm ñiều khiển ñường ðiều khiển ñiểm - ñiểm (Point to Point): phần công tác dịnh chuyển từ ñiểm ñến ñiểm theo ñường thẳng với tốc ñộ không cao Nó làm việc ñiểm dừng Kiểu ñiều khiển dùng robot hàn ñiểm, vận chuyển, tán ñinh, bắn ñinh… ðiều khiển theo ñường (Contour): ñảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ ñạo với tốc ñộ ñiều khiển ñược Kiều ñiều khiển dùng robot hàn hồ quang, phun sơn, Phân loại theo hệ thống lượng Dựa vào cấu sinh nguồn lượng ñộng lực ta chia thành loại • Hệ lượng ñiện : Thường dùng ñộng truyền ñộng ñộng chiều ñộng bước Với hệ có ñặc ñiểm hoạt ñộng xác, tin cậy, phần tử phi tuyến Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- dễ ñiều khiển, có số ñặc tính khác kết cấu gọn nhẹ, hệ truyền lượng ñơn giản có nhược ñiểm cho hệ số tải thấp • Hệ lượng thuỷ lực – khí ñộng: ðối với hệ thuỷ lực ñạt công suất cao, ñáp ứng ñược ñiều kiện làm việc nặng nề, nhiên hệ thường có kết cấu cồng kềnh cấu tạo có thêm bể dầu, van lọc, hệ thống dẫn ngược với hệ sử dụng thuỷ lực có ñộ phi tuyến cao ñiều khiển khó • Hệ khí nén Với hệ khí nén có cấu tạo gọn nhẹ không cần dẫn ngược, phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với công suất trung bình nhỏ, xác Như hệ lượng ñiện ñiều khiển xác dễ ñiều khiển, kết cấu gọn nhẹ công suất hạn chế, không cho phép tải lớn hệ phù hợp với hệ công suất trung bình nhỏ yêu câù thao tác xác cao ðối với hệ lượng thuỷ lực khí ñộng có kết cấu cồng kềnh ñiều khiển khó bù lại có hệ số tải lớn với hệ phù hợp với tải có công suất lớn yêu cầu xác truyền ñộng không cao 1.1.3 Sơ ñồ tổ chức kỹ thuật Robot Tổ chức kỹ thuật Robot ñược chia thành khối chức ñược minh hoạ Hình 1.3 [1] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- Computer Cartesianpont storage Forward Kinematic Teach Pendent Inverts Kinematic Trajectory Phaner Block B Σ Control Record buttum Motor Dymanic Robot Dynamic Physical Postion Khối A: Block A Block C Block D Gồm hai thành phần: Hình 1.3 Sơ ñồ tổ chức kỹ thuật Robot Teach pendant: Có nhiệm vụ thực trình dạy học cho Robot Record buttum: Lưu trữ chuyển giao liệu cảm nhận vật lý trình học gọi “Bộ cảm nhận vật lý” thông qua khối tín hiệu ñặc trưng cho ñộ dài toạ ñộ góc vị trí ñầu vị trí cuối quỹ ñạo chuyển ñộng ñược cảm nhận Ví dụ: Các quỹ ñạo ban ñầu, cuối: [(θ , h0 ); (θ f ,h f )] Khối B: Là khối xử lý Robot gồm cụm vi xử lý ñể giải vấn ñề sau : Nhóm Forword Kinematic: Thiết lập giải toán ñộng học sở thông số vào vị trí ñặt theo trục: (θ s , hs ) Tức giải “Bài toán ñộng học thuận” Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... Việc ứng dụng Learning Feed Forward sở mạng nơron ñể ñiều khiển vị trí cánh tay rôbốt nâng cao chất lượng hệ thống Vì lựa chọn ñề tài: Ứng dụng Learning FeedForward sở mạng nơ ron ñiều khiển. .. (Learning Feedforward Control) sở mạng nơ ron ñể ñiều khiển Chương 2 :Learning FeedForward control sở mạng nơ ron Trong chương tác giả trình bày sở lý thuyết ñiều khiển học; ñiều khiển LFFC, sở. .. LFFC, sở mạng nơ ron, LFFC sở mạng nơ ron Phân tích ứng dụng LFFC sở mạng nơ ron cho chuyển ñộng lặp Phương pháp quy chuẩn LFFC phân tích trình ổn ñịnh hệ thống Chương Thiết kế ứng dụng Trong