Nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiển chuyển động robot trong không gian decac

ĐàO MINH TUấN giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - ngành điều khiển tự động hóa nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiẻn chuyển động robot không gian decac luận văn thạc sĩ khoa học điều khiển tự động hóa 2009 - 2011 Hà Nội - 2011 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội Đào Minh Tuấn nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiẻn chuyển động robot không gian decac Chuyên ngành : Điều khiển tự động hóa luận văn thạc sĩ điều khiển tự động hóa người hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Phạm Thục Anh Hà Nội – 2011 Trang Lời cam đoan Tôi Đào Minh Tuấn - học viên lớp cao học tự động hóa khóa 2009 - 2011 xin cam đoan: - Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ công trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Nguyễn Phạm Thục Anh - Các kết luận văn tốt nghiệp thạc sĩ trung thực, chép toàn văn công trình khác Hà Nội, ngày 26 tháng 09 năm 2011 Học viên Đào Minh Tuấn   Trang Lời cảm ơn Xin chân thành cảm ơn Khoa Điện, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, bảo tận tình cô Nguyễn Phạm Thục Anh suốt thời gian thực đề tài, cảm ơn cô hướng dẫn tác giả kiến thức kỹ để hoàn thành đề tài, cảm ơn cô dành thời gian giúp đỡ tác giả, cảm ơn cô tác giả học nhiều điều từ cô Xin chân thành cảm ơn thầy Giang Hồng bắc, thầy Phạm Đức Hùng, đồng nghiệp khác công tác khoa điện - điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Xin cảm ơn anh chị, bạn bè học viên lớp TĐH nghành ĐKTĐ khóa 2009-2011 ủng hộ, giúp đỡ động viên thời gian học tập nghiên cứu Cuối xin cảm ơn người thân yêu, người động viên giúp đỡ mặt hoàn cảnh Qua thời gian tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu thuật toán thích nghi ứng dụng cho điều khiển chuyển động robot không gian khớp không gian Decac” Tuy cố gắng chắn không tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận thông cảm đóng góp ý kiến quý Thầy Cô bạn Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2011   Trang Mục lục Lời cam đoan .1 Mục lục Lời cảm ơn Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .5 Danh mục bảng .6 Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU .9 Chương XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT BA BẬC TỰ DO 11 1.1 Sơ lược trình phát triển Robot công nghiệp .11 1.2 Ứng dụng Robot công nghiệp sản xuất 12 1.3 Các định nghĩa Robot công nghiệp 12 1.3.3 Hệ toạ độ 14 1.3.4 Trường công tác Robot 16 1.4 Lựa chọn Robot .16 1.5 Xác định động học thuận tau máy theo bảng Đ-H 17 1.6 Xác định điểm tác động cuối tay máy 20 1.7 Bài toán động học ngược tay máy Robot RRT 22 1.8 Xây dựng phương trình động lực học Robot RRT 23 1.8.1 Thiết lập phương trình động lực học 23 1.8.2 Mô phương trình động lực học Robot sử dụng Simulink 31 Chương 2: CÁC THUẬT TOÁN THÔNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT ROBOT 33 2.1 Phương pháp PD bù trọng trường 33 2.1.1 Cơ sở lý thuyết 33 2.1.2 Mô điều khiển Robot sử dụng phương pháp PD bù trọng trường.34 2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác 37   Trang 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 37 2.2.2 Mô điều khiển Robot sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xác .38 2.3 Điều khiển bền vững .42 2.3.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển trượt .42 2.3.2 Mô điều khiển Robot sử dụng phương pháp điều khiển trượt 43 2.4 Điều khiển thích nghi 46 2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp Slotine- Li 46 2.4.2 Mô điều khiển Robot sử dụng phương pháp Slotine-Li 48 Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG KHÔNG GIAN DECAC 53 3.1 Cơ sở lý thuyết 53 3.2 Thiết kế điều khiển .55 3.3 Kết mô tín hiệu điều kihiển tín hiẹu đầu robot .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58   Trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Từ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa Người máy công nghiệp IR Industrial Robot AMF American Machine and Foundry Company Công ty đúc chế tạo máy Mỹ DOF Degrees Of Freedom Bậc tự Robot hay tay máy hay Robot công nghiệp phương pháp điều khiển tỷ lệ vi phân PD RRT Ro bot RRT Một loại robot có ba bậc tự sử dụng công nghiệp D-H Bảng tham số D-H robot Biểu diễn tham số động học robot   Trang Danh mục bảng Bảng Bảng D-H robot RRT .19   Trang Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình Robot công nghiệp Kuka (Đức) 13 Hình Minh họa tay máy 15 Hình Quy tắc bàn tay phải 15 Hình Trường công tác Robot 16 Hình Robot RRT 17 Hình Các khâu Robot RRT 17 Hình Xác định tọa độ Robot RRT 18 Hình Các tham số hệ trục tọa độ Robot RRT .19 Hình Mô hình Robot sử dụng simulink 31 Hình 10 Xác định G(Q) 32 Hình 11 Xác định V (Q , Q& ) .32 Hình 12 Xác định H(Q) 32 Hình 13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp PD bù trọng trường 35 Hình 14 Bộ điều khiển PD bù trọng trường 35 Hình 15 Đáp ứng đầu hệ thống 36 Hình 16 Đáp ứng đầu hệ thống 36 Hình 17 Đáp ứng đầu hệ thống với thay đổi tham số m2=0.5 m3= 0.5 37 Hình 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp tuyến tính hóa xác 39 Hình 19 Bộ điều khiển tuyến tính hóa xác 39 Hình 20 Khâu tạo tín hiệu đặt giá trị đặt khớp Qd, Qd' Qd'' 40 Hình 21 Đáp ứng đầu điều khiển tuyến tính hóa xác 40 Hình 22 Đáp ứng đầu hệ thống 41 Hình 23 Đáp ứng đầu hệ thống thay đổi tham số m2=0.5 m3= 0.5 41 Hình 24 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp điều khiển trượt 43   Trang Hình 25 Bộ điều khiển trượt 44 Hình 26 Khâu tạo tín hiệu đặt giá trị đặt khớp Qd, Qd' Qd'' 44 Hình 27 Đáp ứng đầu điều khiển trượt 45 Hình 28 Đáp ứng đầu điều khiển trượt 45 Hình 29 Đáp ứng đầu điều khiển trượt thay đổi tham số m2=0.5 m3= 0.5 46 Hình 30 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp điều khiển thích nghi 48 Hình 31 Bộ điều khiển thích nghi 49 Hình 32 Khâu cập nhật tham số .49 Hình 33 Khâu tạo tín hiệu đặt giá trị đặt khớp Qd, Qd' Qd'' 50 Hình 34 Quá trình cập nhật tham số .50 Hình 35 Đáp ứng đầu điều khiển thích nghi 51 Hình 36 Quá trình cập nhật tham số .51 Hình 37 Đáp ứng đầu điều khiển thích nghi 52 Hình 38 Mô hình Điều khiển chuyển động robot không gian Decac dùng thuật toán điều khiển thích nghi 55 Hình 39 Hinh Bộ điều khiển thích nghi điều khiển chuyển động robot không gian Decac 55 Hình 40 Hình Bộ cập tham số 56 Hình 41 Hình Quá trình cập nhập tham số cho điều khiển 56 Hình 42 Hình Tín hiệu đầu của robot 57 Hình 43 Hình Dáp ứng đầu điều khiển thích nghi .57   Trang 45 Hình 27 Đáp ứng đầu điều khiển trượt Nhận xét: Chất lượng hệ thống tốt, đáp ứng tốt với tín hiệu đặt Độ điều chỉnh thời gian đáp ứng nhỏ Thay đổi tham số điều khiển: lamda=[10 0;0 20 0;0 5]; Hình 28 K=[1 0;0 0;0 1]; Đáp ứng đầu điều khiển trượt Nhận xét: Chất lượng hệ thống tốt, đáp ứng tốt với tín hiệu đặt Độ điều chỉnh thời gian đáp ứng nhỏ   Trang 46 Thay đổi tham số mô hình đối tượng H, V, G: m2=0.5; Hình 29 m3= 0.5 Đáp ứng đầu ra bộ điều khiển trượt khi thay đổi tham số m2=0.5 và  m3= 0.5  Nhật xét: Hệ thống ổn định mô hình không xác Kết luận: - Hệ thống ổn định - Chất lượng hệ thống tốt với độ điều chỉnh nhỏ - Chất lượng hệ thống phụ thuộc mô hình toán học Robot 2.4 Điều khiển thích nghi 2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp Slotine- Li Giả sử thong số động học hệ thống xác mi , Ii phải ước lượng Iˆi , mˆ i nên mô men lực cần thiết đưa vào hệ thống khớp để điều khiển Robot M = Hˆ (Q)V& + Cˆ (Q, Q& )V + Gˆ (Q) + K D r   6.9 Trang 47 Và ta phải dựa vào luật ước lượng từ phương trình động lực học && + ⎡ H& (Q) + S (Q, Q& ) ⎤ Q& + G (Q) = Y (Q &&, Q& , Q& , Q) P M = H (Q)Q ⎢⎣ ⎥⎦ Trong đó: Y (Q&&, Q& , Q& , Q) P gọi ma trận hồi quy ⎧m1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪m P vector bao gồm phần tử ước lượng Robot: P = ⎨ n ⎪ I1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪I ⎩ n & Ta có luật cập nhập để tính Pˆ từ Pˆ là: & Pˆ = Γ −1Y T (V& , V , Q& , Q)r ⎧⎪ mˆ mˆ n Ta tính từ ⎨ ⎪⎩ Iˆ1 Iˆn ⎧∆H = Hˆ (Q) − H (Q) ⎪⎪ Ta đặt: ⎨∆C = Cˆ (Q, Q& ) − C (Q, Q& ) thay vào phương trình 6.9 ta có: ⎪ ˆ ⎪⎩∆G = G − G && + CQ& + G (Q ) ( H + ∆H )V& + (C + ∆C )V + (G + ∆G ) + K D r = HQ &&) + C (V − Q& ) + ∆H V& + ∆C.V + ∆G = − K r ⇔ H (V& − Q D 14442444 6.10 ⇔ Hr& − Cr + Y (V& , V , Q& , Q)∆P = − K D r 6.11 Y (V& ,V ,Q& ,Q ) ∆P Chọn hàm Lyapunov sau: V=   T ⎡ r H (Q).r + ∆PT Γ.∆P ⎤⎦ 2⎣ Trang 48 Trong Γ ma trận đường chéo xác định dương cấp n & & Mà theo định luật cập nhạp Pˆ = Γ −1Y T (V& ,V , Q& , Q)r mà ∆P = Pˆ − P ⇒ ∆P& = Pˆ Lấy d (∆PT Γ.∆P ) = ∆PT Γ.∆P& = ∆PT Γ.Γ& Y T r = ∆PT Y T r = r T Y ∆P dt 6.12 Nhân vế phương trình 6.11 với r T ta ⎤ 1⎡ T T T T ∆ Y P KDr ⎢ r H (Q).r + r1 424 ⎥ = − r12 ⎣⎢ −1 T ⎥ Γ Y r ⎦ & V Suy hệ ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov 2.4.2 Mô điều khiển Robot sử dụng phương pháp Slotine-Li Thiết kế điều khiển thích nghi cho Robot RRT có tham số sau ro bot Scope3 Scope1 Qd Qd Qd' Qd' Qd'' Qd'' Signed Scope2 Q M M Q' QQ' Scope p IR robot Controller Q Q' p Qd Qd' Qd'' adaptive Scope4 Hình 30 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp điều khiển thích nghi Để điều khiển theo phương pháp chọn: lamda=[1 0;0 0;0 0.1];   Kd=[18 0;0 20 0;0 10]; Trang 49 Qd'' lamda* u Q Matrix Multiply H(Q) [p] p Qd' Product H(Q)1 1 lamda* u M Qd Q Q' QQ' [p] Matrix Multiply C(Q,Q') p Product1 C(Q,Q') [p] Q G(Q) p [p] p K*u Kd Hình 31 Bộ điều khiển thích nghi Khâu cập nhật tham số: lamda=[1 0;0 0;0 0.1]; Teta=[1 0 0 0; 0 0;0 0 0;0 0 0;0 0 0;0 0 0 1]; Teta Inv Qd'' lamda* u Q Q' Y v Matrix Multiply Product2 v' Q' lamda* u Qd YT Q Vert Cat Hình 32   Matrix Multiply Product1 Qd' Khâu cập nhật tham số s p Trang 50 s Signal Q s Signal Q' Signal Signal Builder2 Q'' Hình 33 Khâu tạo tín hiệu đặt giá trị đặt khớp Qd, Qd' Qd'' Hình 34   Quá trình cập nhật tham số Trang 51 Hình 35 Nhật xét: Đáp ứng đầu điều khiển thích nghi Hệ thống ổn định chất lượng tốt Các tham số điều khiển cập nhập với mô hình Thay đổi tham số khâu cập nhập tham số: lamda=[10 0;0 20 0;0 5]; Teta=[5 0 0 0; 0 0;0 0 0;0 0 0;0 0 0;0 0 0 5]; Hình 36   Quá trình cập nhật tham số Trang 52 Hình 37 Đáp ứng đầu điều khiển thích nghi Nhận xét: Chất lượng đầu đáp ứng tốt, tham số cập nhập thiếu xác Kết luận: - Hệ thống ổn định - Chất lượng hệ thống tốt với độ điều chỉnh nhỏ - Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào ma trận tham số khâu cập nhập tham số   Trang 53 Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ ỨNG DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG KHÔNG GIAN DECAC 3.1 Cơ sở lý thuyết Giả sử thong số động học hệ thống xác mi , Ii phải ước lượng Iˆi , mˆ i nên mô men lực cần thiết đưa vào hệ thống khớp để điều khiển Robot M = Hˆ (Q)V& + Cˆ (Q, Q& )V + Gˆ (Q) + K D r 6.9 Và ta phải dựa vào luật ước lượng từ phương trình động lực học && + ⎡ H& (Q) + S (Q, Q& ) ⎤ Q& + G (Q) = Y (Q &&, Q& , Q& , Q ) P M = H (Q)Q ⎢⎣ ⎥⎦ Trong đó: Y (Q&&, Q& , Q& , Q) P gọi ma trận hồi quy ⎧m1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ m P vector bao gồm phần tử ước lượng Robot: P = ⎪⎨ n ⎪ I1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪I ⎩ n Ta có luật cập nhập để tính Pˆ từ P&ˆ là: & Pˆ = Γ −1Y T (V& , V , Q& , Q)r ⎧ mˆ mˆ n Ta tính từ ⎪⎨ ⎪⎩ Iˆ1 Iˆn   Trang 54 Các giá trị đưa vào đầu vào điều khiển Đặt bến phụ: v = J −1 ⎡⎣ X& d + L ( X d − X ) ⎤⎦ Suy { } & v& = J −1 ⎡⎣ X&&d + L ( X& d − X& )⎤⎦ − Jv Suy r = J −1 ⎡⎣ Jq& − X& d + L ( X − X d ) ⎤⎦ ⎧Xd ⎪ Trong đó: ⎨ X& d ⎪ X&& ⎩ d Là giá trị đặt vị trí tay máy, vận tốc tay máy, gia tốc tay máy Tọa độ tay máy xác định từ động lực học robot ⎡ − q3 cos q1sin q2 ⎤ X = ⎢ − q3 sin q1sin q2 ⎥ , ⎢ ⎥ ⎢⎣ d + q3cos q2 ⎥⎦ J ma trận Jacobi, xác định là: ⎡ − q3sin q1sin q2;cos q1cos q1cos q2;cos q1sin q2 ⎤ ⎥ J = ⎢ q3cos q1sin q2; q3cos q2sin q1;sin q1sin q2 ⎢ ⎥ ⎢⎣0; − q3sin q2;0 ⎥⎦   Trang 55 3.2 Thiết kế điều khiển Hình 38 Mô hình Điều khiển chuyển động của robot trong không gian Decac  dùng thuật toán điều khiển thích nghi.  Hình 39 Hinh Bộ điều khiển thích nghi điều khiển chuyển động robot trong  không gian Decac    Trang 56   Hình 40 Hình Bộ cập tham số  3.3 Kết mô tín hiệu điều kihiển tín hiẹu đầu robot Hình 41   Hình  Quá trình cập nhập tham số cho bộ điều khiển  Trang 57 Hình 42 Hình Tín hiệu đầu ra của của robot    Hình 43   Hình  Dáp ứng đầu ra bộ điều khiển thích nghi  Trang 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Phạm Thục Anh, (2006), Mô hình hóa hệ thống mô phỏng, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Mạnh Tiến, (2007), Điều khiển robot công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội Nguyễn Thiện Phúc, (2006), Robot công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội Phạm Đăng Phước, (2006), Robot công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội Trịnh Quang Vinh - Nguyễn Đăng Bình - Phạm Thành Long, (2009), Robot công nghiệp, Nxb KHKT, Hà Nội Tự động hóa ngày nay, “Lợi robot ngành phun sơn”, 2005, Số 4, trang 64 Tự động hóa ngày nay, “Robot giải pháp thay cho máy công cụ CNC”, 2005, Số 7, trang 60 – 61 Tự động hóa ngày nay, “Công nghệ robot hàn”, 2004, Số 3, trang 67 - 69 Jean-Jacques, E.Slotine, Weiping Li, “On the Adaptive Control of RobotManipulator”, the international Journal of Robotics Research, 1987, page 147-157 10 Bernard Hodges, (1992), Industrial Robotics, Oxford Newnes 11 B.S.E, (1984), Adaptive rapid tracking by a dof robot manipulator, Nạning Aeronautical Institute, China 12 Dan B Marghitu, (1984), Mechanisms and Robots Analysis With MATLAB, Mechanical Engineering Department Auburn University, Spring, USA 13 H Serajl, ”direct adaptive control of manipulatiors in cartesian space”, jey propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 1986   Trang 59 14 James A Rehg, (1985), Introduction to Robotics: A Systems Approach, Prentice-Hall, New Jersey 15 James A Rehg, John J Craig, (2005), Introduction to Robotics: Mechanics and control, Prentice Hall, United States 16 Prankl-Lewis, (2004), Robot Manipulator Control Theory and Practice, Marcel Dekker 17 Wesley E Snyder, (1985), Industrial Robots Computer Interfacing and Control, Prentice-Hall, New Jersey 18 Yanfei Liu, Adam W Hoover, Ian D Walker, “A timing model for visionBased control of industrial robot manipulators”, IEEE, Transactions on Robotics, 2004, 5th, page 891 – 898   ... hình toán học robot RRT, nghiên cứu thuật toán thông dụng để điều khiển robot ứng dụng vào điều khiển robot RRT, phát triển thuật toán điều khiển thích nghi để điều khiển robot RRT không gian. .. pháp điều khiển phát triển thuật toán điều khiển thích nghi không gian Decac Trong phạm vi luận văn tác giả tập trung nghiên cứu động học robot ba bậc tự RRT ứng dụng thuật toán điều khiển để điều. .. Đào Minh Tuấn nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiẻn chuyển động robot không gian decac Chuyên ngành : Điều khiển tự động hóa luận văn thạc sĩ điều khiển tự động hóa người