Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động của robot hai bậc tự do

Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các tri thức, kinh nghiệm của chuyên gia đây là đặc điểm nổi bật hơn so với các bộ điều khiển kinh điển… Trong công nghiệp, đa

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động bởi tính linh hoạt và hiệu quả của nó Robot đem lại năng suất lao động cao, giảm chi phí nguyên vật liệu và các dạng năng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm, do đó tạo khả năng cạnh tranh cao hơn trong thị trường quốc tế Mặt khác, Robot giải phóng con người khỏi lao động chân tay, giúp xã hội văn minh hơn, nâng cao được dân trí trong tổ chức các quá trình sản xuất và tổ chức xã hội Chính vì vậy nghiên cứu điều khiển chuyển động Robot là lĩnh vực đầy thách thức đang được các nhà khoa học rất quan tâm

Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho Robot, các hệ visual servoing…

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu chính của đề tài là ứng dụng logic mờ và thiết kế bộ điều khiển mờ vào điều khiển chuyển động của Robot nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Cơ sở khoa học của đề tài là kết quả đạt được trong lĩnh vực điều khiển

sử dụng logic mờ Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các tri thức, kinh nghiệm của chuyên gia đây là đặc điểm nổi bật hơn so với các bộ điều khiển kinh điển…

Trong công nghiệp, đa số các đối tượng điều khiển đều là phi tuyến Robot

là một trong những đối tượng phi tuyến và là hệ MIMO, các Robot trong sản xuất công nghiệp trong hệ thống sản xuất cần độ chính xác cao như công nghiệp sản xuất ôtô, công nghệ y học, công nghiệp vũ trụ…vì vậy thiết kế bộ điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động luôn là đòi hỏi trong thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Với mục đích nghiên cứu như trên, tác giả lựa chọn đề tài tốt nghiệp Thạc sỹ

“Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động của Robot hai bậc tự do” Trong đó

đối tượng nghiên cứu là Robot hai bậc tự do

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển mờ

áp dụng cho bài toán điều khiển chuyển động của Robot 2 khâu” Trong đề tài tập

trung nghiên cứu mô hình động lực học của Robot 2 khâu và ứng dụng mô hình điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC) để nâng cao chất lượng của hệ

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết về mô hình chuyển động của Robot hai bậc tự do và phương pháp điều khiển mờ và cách thiết kế bộ điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC)

Thực nghiệm mô phỏng hệ thống điều khiển trên máy tính sử dụng Matlab – Simulink

So sánh đáp ứng của bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển PID để thấy được

bộ điều khiển mờ có chất lượng tốt hơn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận văn mang tính chất nghiên cứu, vận dụng các lý thuyết khoa học và ứng dụng khoa học

Từ kết quả nghiên cứu của luận văn có thể ứng dụng phát triển đề tài nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot nhiều bậc tự do và ứng dụng vào điều khiển Robot công nghiệp trong thực tiễn

Đồng thời kết quả luận văn có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho những người quan tâm đến điều khiển mờ Mamdani (MCFC) cho Robot

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp

Theo định nghĩa, Người máy (Robot) là thiết bị có thể thực hiện các chức năng thông thường của con người hoặc một máy dưới hình dạng người

Từ giữa thập kỷ 18, J de Vancauson đã xây dựng các búp bê cơ khí có thể chơi nhạc được Đây được coi như là sản phẩm đầu tiên của tự động hoá Robot

Người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “Robot” là nhà viết kịch người Czech tên

là Karel Capek Năm 1922, trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot “, Capek

đã sử dụng thuật ngữ “Robot” Robot theo tiếng Czech có nghĩa là lao động bị bắt

ép hay là nông nô Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ và phục dịch con người

Cho đến trước những năm đại chiến thế giới thứ hai, việc ứng dụng các cơ cấu máy móc như vậy đã trở thành nhu cầu thực sự nhằm đáp ứng các thao tác cần thiết trong môi trường phóng xạ của các viện nghiên cứu nguyên tử

Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ Trên

cơ sở đó những cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời và ngày càng phát triển Đây thực chất là những cơ cấu máy móc mô phỏng sinh học bao gồm các khớp nối, dây gắn liền với hệ điều hành là tay của người thao tác thông qua các khâu khuyếch đại

cơ khí Tuy các thao tác của cơ cấu này khá tinh vi khéo léo nhưng vẫn có nhiều hạn chế ví dụ như: Tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng còn hạn chế, hệ điều khiển thuần tuý là cơ khí

Vào giữa những năm 1950, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric

Năm 1954, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”

Năm 1956, George C.Devol và J.Engelberger đã gặp nhau và thảo luận về tác phẩm của I.asimov Cả hai đã nhất trí hợp tác chế tạo người máy và vào năm

1959 đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên mang tên Unimate ở Công ty Unimation Công ty Unimation do J.Engelberger sáng lập, đây là công ty đầu tiên chuyên chế tạo người máy và Devol nghiên cứu các phát minh, đăng ký bằng sáng chế cho công ty Unimate được đưa vào sử dụng trong một nhà máy ô tô của hãng General Motors tại Trenton, New Jersey vào năm 1961 Chỉ đến năm 1975, Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên

Từ năm 1980, người máy công nghiệp bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhờ công nghệ tiên tiến và những bước phát triển vượt bậc của trong các lĩnh vực máy tính điện tử và vi điện tử Đặc biệt từ những năm

1990 trở lại đây, do sự phát triển vượt bậc về kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng ngày càng được hoàn thiện Do đó, robot đang chiếm một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại

Ngày nay, người máy càng ngày càng được hoàn thiện, càng nhiều các tính năng và có hình dáng gần với con người hơn Tuy vậy, trong công nghiệp, người máy thực sự chỉ là những cánh tay máy được điều khiển bằng máy tính [4]

1.2 Ứng dụng Robot công nghiệp

1.2.1 Ƣu điểm của Robot công nghiệp

Robot có thể làm việc trong thời gian dài với độ ổn định và chính xác cao, tiết kiệm nguyên vật liệu trong suốt thời gian làm việc Khi cần phải đẩy nhanh, tăng nhịp độ sản xuất của dây chuyền sản xuất, nếu không có Robot thì người công nhân không thể theo kịp tiến độ sản xuất và rất chóng bị mệt mỏi Do đó Robot góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc khi có sự biển đổi trong quá trình đa dạng hoá sản phẩm mà không cần phải đào tạo lại như đối với con người

Hiện nay, với sự trợ giúp mạnh mẽ của những tiến bộ tiên tiến về Khoa học

kỹ thuật làm cho giá thành lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng giảm Đối với những nước có giá lao động cao thì việc sử dụng các Robot trong các dây chuyền sản xuất

sẽ giảm đáng kể giá thành sản phẩm do giảm được những chi phí cho người lao động mà Robot không cần đến như: tiền lương, phụ cấp, bảo hiểm xã hội.[4]

1.2.2 Nhƣợc điểm của Robot công nghiệp

Từ những hiệu quả to lớn do Robot mang lại, đặc biệt là từ thực tế là Robot

đã giải phóng được sức lao động, nhiều người lo ngại việc sử dụng nhiều Robot sẽ dẫn đến tình trạng thất nghiệp Trên thực tế, điều này không phải là không có cơ sở nhưng đồng thời với việc gây dư sức lao động đơn giản, nó cũng tạo ra nhiều công việc phức tạp hơn như: các kỹ thuật viên, các chuyên gia chuyên về người máy, các nhà lập trình.[4]

1.2.3 Các ứng dụng của Robot công nghiệp

Các Robot nói chung được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích, trong nhiều lĩnh vực, từ các nhà máy, xí nghiệp lớn tới các công việc phục vụ trong sinh hoạt đời sống của con người Robot có thể làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm như trong các lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay trong công việc thám hiểm không gian, thăm dò các hành tinh thuộc hệ Mặt trời Trong sinh hoạt, có các Robot trợ giúp, phục vụ người già, cắt cỏ, lau nhà…[4]

Đối với Robot công nghiệp nói riêng, mức độ ứng dụng của nó diễn ra mạnh

mẽ và sâu rộng hơn cả Hầu hết các dây chuyền tự động hoá sản xuất hiện đại đều

có sự xuất hiện của Robot

Các Robot công nghiệp được ứng dụng trong các lĩnh vực cụ thể sau:

+ Robot công nghiệp trong công nghệ gia công và lắp ráp

Độ chính xác định vị và thời gian là yếu tố quan trọng nhất khi thiết kế các Robot lắp ráp Có nhiều dây chuyền tự động gồm các máy vạn năng và Robot công nghiệp Các dây chuyền đạt mức độ tự động hoá cao, tự động hoàn toàn không có

sự tham gia của con người, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn Trong đó các máy và Robot trong dây chuyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình Đó là các dây chuyền lắp ráp ô tô, các sản phẩm điện tử (hình 1.1) Yêu cầu hiện nay đối với các Robot công nghiệp loại này là nâng cao tính linh hoạt để đáp

ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với các sản phẩm loại nhỏ.[4]

Hình 1.1 Robot trong công nghệ trong gia công và lắp ráp

+ Robot công nghiệp trong các quá trình hàn và nhiệt luyện (hình 1.2)

Các quá trình này bao gồm các công việc nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn Không giống

kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc đơn giản là kẹp chặt các chi tiết [4]

Hình 1.2 Robot trong các quá trình hàn và nhiệt luyện

+ Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn (hình 1.3), trong ngành

gia công áp lực nơi mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi

Công việc rất đa dạng điều kiện làm việc khắc nghiệt, sản phẩm luôn thay đổi và đặc biệt là chất lượng của sản phẩm phụ thuộc quá nhiều vào quá trình thao tác Robot có thể làm các công việc như: rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn Ngày nay, ở nhiều nước trên thế giới, Robot được sử dụng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc nhưng chủ yếu để phục vụ các máy đúc áp lực [4]

Hình 1.3 Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn

Ví dụ trong công nghệ rèn: Robot có thể thực hiện nhiều việc như: đưa phôi vào lò nung, vận chuyển phôi sau khi ra khỏi lò… So với các phương tiện cơ giới

và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng Robot có ưu điểm là nhanh, chính xác và cơ động hơn

+ Robot công nghiệp trong nhà máy sản xuất (hình 1.4)

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho [4]

Hình 1.4 Robot trong nhà máy sản xuất

1.3 Tình hình phát triển của Robot công nghiệp

Hơn nửa thể kỷ qua, Robot đã có những bước phát triển và tiến hóa mạnh

mẽ Các hướng nghiên cứu Robot chuyển từ Robot công nghiệp sang phát triển các Robot dịch vụ vì nó đa dụng và đưa Robot hòa nhập vào nhu cầu xã hội của loài

người

Theo dự báo thì trong vòng 20 năm tới mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một Robot cá nhân như cần một máy tính PC hiện nay và Robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet Với xu thế này, cùng với các ứng dụng truyền thống khác của Robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường Robot và các dịch vụ ăn theo Robot sẽ vô cùng lớn

Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên Robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các Robot địa hình và Robot dịch vụ phát triển

Có thể kể đến một số loại Robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Tay máy Robot bao gồm các loại Robot công nghiệp (Industrial Robot), Robot y tế (Medical Robot) và Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation robot) Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và Robot

vũ trụ (Space robots) Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots) – được giới thiệu trên hình 1.5 Bên cạnh đó, các loại Robot phỏng sinh học dưới nước như Robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển [4]

Hình 1.5 Robot dáng người

Mặc dù về cấu trúc các loại Robot có nhiều điểm khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của Robot trong môi trường tự nhiên Mỹ là nước tập trung đầu tư hàng trăm tỷ USD cho phát triển hệ thống tác chiến tương lai trong đó Robot quân sự hoạt động ở các địa hình trên cạn, dưới nước và trên không chiếm phần không nhỏ Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước G7 thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về Robot, từ Robot phục vụ công nghiệp sang Robot phục

vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người Robot được thiết kế phục vụ cho con người như những người giúp việc đắc lực, đa năng Quá trình này

dẫn đến các khái niệm mới và cả tay máy công nhiệp lẫn Robot di động truyền thống sẽ phải thay đổi một cách cơ bản mới đáp ứng được yêu cầu của thị trường dịch vụ con người này

Trên hình 1.6 giới thiệu Robot thám hiểm Sao Hỏa

Hình 1.6 Robot thám hiểm Sao Hoả

Song song với chế tạo Robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về Robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới Các nghiên cứu về Robot ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho Robot Các nghiên cứu về động học và động lực học Robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại Robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu

và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế Robot Các công bố liên quan về cơ học Robot thường được thực hiện bởi cán bộ của Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM, các bộ môn Robot và Cơ điện tử ở các trường đại học khác

Trên hình 1.7 giới thiệu Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam

Hình 1.7 Robot công nghiệp (Hãng Tosy Robotics, Việt Nam)

Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho Robot, các hệ visual servoing… Trong các công bố về điều khiển Robot phải kể đến các công trình của Viện Công Nghệ Thông tin Viện KH&CN Việt nam, Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM Gần đây, đội ngũ nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng có nhiều công bố liên quan đến lĩnh vực điều khiển Robot do đội ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nước ngoài về tiếp tục các nghiên cứu của mình Lĩnh vực Robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm 2004, 2006, 2008 và 2010 Các nghiên cứu về thị giác Robot được quan tâm cả ở Robot công nghiệp và Robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển Robot trên cơ sở thông tin hình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các lọai Robot dịch vụ

Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các Hội Nghị và tạp chí quốc tế Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến Robot như RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM

2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới [8]

Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt Nam cần có một cộng đồng rộng lớn các chuyên gia tâm huyết, có môi trường học tập và nghiên cứu lành mạnh và một chính sách vĩ mô hỗ trợ tri thức phát triển thích nghi được với quá trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay

1.4 Cấu trúc và phân loại Robot

1.4.1 Cấu trúc

Robot là một trong những sản phẩm của khoa học mà nó là sự kết hợp của nhiều ngành khoa học kỹ thuật như: máy tính điện tử, máy điện, cơ khí, thiết kế cấu trúc cơ khí, vi điện tử, lập trình trí tuệ nhân tạo, nghệ thuật sản xuất… [4]

Trên hình 1.8 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp loại thông thường như sau:

Hình 1.8 Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp

Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe đi động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6

Bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn đặt nhiều bộ phận khác nữa:

+ Khớp - thanh nối: joint- link

+ Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt

+ Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

Để có được chuyển động thân, cánh tay cuả Robot cần phải có một hệ thống các khớp nối Trong chuyển động của Robot người ta chia ra làm hai loại chuyển động chính:

+ Chuyển động của thân và cánh tay

+ Chuyển động các khớp cổ tay

Mỗi một khớp nối thực hiện một trong hai chuyển động trên được gọi là

“một bậc tự do” Thông thường các Robot công nghiệp có từ 4 – 6 bậc tự do Liên kết các chuyển động của thân, cánh tay và cổ tay Robot được thực hiện bằng các kết nối Có 4 loại kết nối chính (bảng 1.1.):

- Kết nối thẳng (L): là kết nối mà trục của hai khớp nối song song với nhau Chuyển động tương đốigiữa hai khớp nối là chuyển động tịnh tiến Kết nối này thực hiện bằng chuyển động pittong hoặc chuyển động rãnh trượt

- Kết nối quay (R): là kết nối mà chuyển động của khớp nối cánh thứ hai là chuyển động quay xung quanh một trục vuông góc với trục khớp nối thứ nhất

- Kết nối xoắn (T): là kết nối mà trục quay của liên kết song song với trục quay của hai khớp nối

- Kết nối xoay (V): là kết nối mà trục quay trùng với trục của khớp nối thứ nhất và vuông góc với trục của khớp nối thứ hai

Bảng 1.1 Các dạng cơ bản của các khớp Robot

Các Robot công nghiệp ngày nay hầu hết thường được đặt trên đế và thân đế này được gắn chặt xuống nền Gắn vào cổ tay có thể là một bàn kẹp (gripper) hoặc một số công cụ khác dùng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau (như mũi khoan, đầu hàn, đầu phun sơn ) và chúng được gọi chung là “end effector” được gọi là các thiết bị ngoại vi [4]

1.4.1.2 Hệ thống truyền dẫn động của Robot

Chuyển động của các khớp nối của Robot được cung cấp năng lượng bởi hệ thống các động cơ được trang bị bên trong nó, từ đó tạo ra sự di chuyển, vận động

Input link

Output link

Input link

Output link

Output link Input

link

Input link

Output link

Tuyến tính

Quay

Cổ tay quay

VuôngV

T

R

L

của thân, cánh tay và cổ tay Robot Độ lớn hay công suất của các thiết bị này được

bố trí sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của cánh tay, trọng lượng của Robot và đặc biệt là khối lượng động của vật nặng nó cần làm việc

Do vậy mà tuỳ theo công suất yêu cầu và độ linh hoạt của hệ thống mà ta chọn dùng một trong ba loại hệ truyền động sau:

bị lọc, thiết bị điều chỉnh áp suất, thiết bị làm mát, bình tích dầu …

Hệ truyền động điện:

Được sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều ưu điểm hơn so với các hệ truyền động khác như: điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộ biến đổi phụ thêm, không gây bẩn môi trường, các loại động cơ điện hiện đại có thể lắp trực tiếp lên các khớp, độ chính xác cao hơn… Tuy nhiên, so với truyền động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một đơn

vị khối lượng và thông thường phải đòi hỏi thêm hộp giảm tốc vì tay máy yêu cầu tốc độ quay chậm…

Trong thực tế, chỉ có 2 loại động cơ điện được sử dụng nhiều hơn cả là: động cơ điện một chiều và động cơ bước

Hệ truyền động khí nén:

Thường chỉ được sử dụng cho loại Robot cỡ nhỏ, có từ 2-3 bậc tự do Ưu điểm của loại truyền động này là: tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều,

không quá nhạy với nhiệt độ môi trường và do trong các phân xưởng công nghiệp thường có mạng lưới khí nén chung nên đơn giản hóa được phần thiết bị nguồn động lực cho Robot và không cần đường đưa khí nén trở lại như đối với hệ truyền động thuỷ lực

- Cảm biến nội tín hiệu đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động

trong các bộ phận quan trọng của Robot Các thông tin này là những tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của Robot

- Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm

việc, phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tác trong không gian làm việc Để làm được các việc đó, cần có các loại cảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “xúc giác” và cảm biến “thị giác”…

1.4.2 Phân loại Robot công nghiệp

- Có hai phương pháp phân loại robot

+ Một là: theo tính chất vật lý hay hình học của chúng;

+ Hai là: theo cách chúng được điều khiển

1.4.2.1 Phân loại theo vật lý hoặc hình học

Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di chuyển tới mà người ta chia Robot thành 5 hình dạng cơ bản sau :

 Loại có dạng đề các (chữ nhật);

 Loại có dạng trụ (kiểu trụ);

 Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực);

 Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo);

 SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn)

Kiểu đề các

Hình 1.9 Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo hướng dạng hình chữ nhật (hình 1.9) Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán học vì các hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề các Robot này được dùng ở những nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn chế

Hình 1.10 Robot có không gian làm việc dạng trụ

Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (r,h,θ), khi đó vị trí sẽ dễ dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm, tức là (x,y,z) như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot: z = h Mặt phẳng

xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó θ quay (quanh trục z) và khoảng cách r

Phần bổ xung của khớp quay thứ 2 tăng tính mềm dẻo của robot này Tuy nhiên nó làm giảm độ chính xác

Hình 1.11 Robot có không gian làm việc dạng cầu

Loại Robot kết nối

Loại này có 3 khớp quay (hình 1.12) Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề các phức tạp hơn nhiều các trường hợp trước Robot rất linh hoạt Loại này có ưu điểm trong trường hợp Robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản Tuy vậy độ chính xác của nó thấp hơn tất cả các loại khác

Hình 1.12 Robot kết nối

Robot SCARA

Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất được giới thiệu trong

mô hình hóa các loại robot (hình 1.13) Chuyển động của các khớp cơ bản quanh các trục thẳng đứng Cấu trúc này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương thẳng đứng trong khi cho phép quay trong mặt phẳng nằm ngang

Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chyển động quay nên việc biểu diễn toán học không đơn giản Loại robot này có ưu điểm trong công việc lắp giáp đòi hỏi chính xác [8]

Hình 1.13 Robot SCARA

1.4.2.2 Phân loại theo điều khiển

- Có 2 phương pháp điều khiển Robot Đó là kỹ thuật điều khiển không servo và kỹ thuật điều khiển servo

+ Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ khí để cung cấp các phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển được sử dụng, khớp được dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời

+ Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ của các khớp động của robot [4]

1.5 Hệ thống điều khiển Robot

Hệ thống điều khiển của robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để thực hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của quá trình công nghệ

Hệ thống Điều khiển Robot có thể chia ra:

+ Điều khiển thô (điều khiển vị trí - quỹ đạo): là bài toán xác định cách điều

khiển thích hợp sao cho các khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trong quá trình thời gian Ở đây bao gồm tốc độ và vị trí tay Điều khiển thô chỉ thực hiện điều khiển quỹ đạo

+ Điều khiển tinh (điều khiển lực): là bài toán có tính đến cả môi trường làm việc

của Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo

Hình 1.14 Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot

1.5.1 Các phương thức điều khiển

- Điều khiển theo quỹ đạo đặt gồm 3 phương thức điều khiển):

 Điều khiển Robot theo chuỗi các điểm giới hạn

 Điều khiển lặp lại :

 Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP)

 Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC

 Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thông minh)

- Điều khiển lực: dựa vào tính chất của đối tượng điều khiển là tuyến

tính hay phi tuyến

1.5.1.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt

Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn

Là phương thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và các điểm dừng cơ khí Chuyển động của các khớp nối được bắt đầu và kết thúc khi gặp các công tắc giới hạn hoặc các điểm dừng cơ khí này Việc thiết lập các điểm dừng

và các công tắc giới hạn tương đương với việc lập chương trình cho robot, mỗi một công tắc được coi như một phần tử nhớ Phương pháp điều khiển này thường được dùng trong các loại robot đơn giản

Điều khiển lặp lại

Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo chuyển động của robot là theo một quỹ đạo đã được tính toán và xác định từ trước

thông qua một chuỗi các vị trí xác định Các vị trí này đã được ghi vào bộ nhớ của robot và robot phải tự tính toán điều khiển để đạt tới các vị trí mong muốn này theo các điều kiện tối ưu có thể Robot điều khiển playback được chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển:

+ Điều khiển theo kiểu điểm - điểm (PTP)

Phương thức điều khiển kiểu điểm - điểm là phương thức điều khiển mà việc xác định quỹ đạo chuyển động từ điểm này sang điểm khác là do bản thân robot xác định tuỳ theo điều kiện cụ thể Quỹ đạo chuyển động của robot được ghi từ trước trong bộ nhớ chỉ là một chuỗi vị trí các điểm mong muốn Robot sẽ tự tìm cách lần lượt đạt tới các điểm mong muốn đó bằng cách so sánh tọa độ hiện tại với tọa độ của điểm mong muốn và tính toán xây dựng quỹ đạo điều khiển chuyển động theo hướng làm giảm sự sai lệch đó Dạng quỹ đạo này phù hợp cho các

robot có hoạt động “gắp”, “nhả”

+ Điều khiển theo quỹ đạo liên tục

Là phương thức điều khiển mà quỹ đạo chuyển động của robot tới các điểm

đã xác định Trong quá trình hoạt động robot phải điểu khiển hệ thống bám theo quỹ đạo được ghi trong bộ nhớ Quỹ đạo liên tục có thể được cho dưới dạng các điểm liên tục hoặc cho dưới dạng các điểm cần phải đi qua với các tham số về vận tốc, gia tốc, thời gian.v.v và được xây dựng bằng các đa thức nội suy bậc cao Quỹ đạo liên tục được đòi hỏi trong các nguyên công công nghệ như sơn, hàn, cắt mà tay máy thực hiện việc trực tiếp

Điều khiển Robot thông minh

Ứng dụng để điều khiển cho những robot ngoài việc có thể thực hiện được chương trình đặt trước, nó còn có khả năng tùy biến thực hiện các hành động phù hợp với các cảm nhận từ môi trường Robot thông minh có thể thay đổi chương trình phù hợp với điều kiện làm việc của môi trường nhận được từ các sensor (quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường, âm thanh, tần số…) sử dụng logic mờ và mạng nơron Robot loại này có khả năng giao tiếp với con người hoặc với hệ thống máy tính chung để có thể đưa ra các xử lý thông minh Hiện nay trên thế giới đã

xuất hiện các robot thông minh có thể hiểu được các lệnh đơn giản của con người,

có thể giao tiếp, giúp đỡ để thực hiện các công việc phức tạp trong nhà máy

1.5.1.2 Điều khiển lực

Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính

Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến cho phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng nguyên

lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả

hệ thống có nhiều ưu điểm như:

- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hoá lý phức tạp mô tả hệ

- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn nhiều thời gian để thực hiện

- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực

tế

Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn

Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi tuyến (đặc biệt là robot là đối tượng có tính phi tuyến mạnh - có thể thấy rất rõ ngay trong hệ thống điều khiển Robot luận văn này sẽ trình bày), tức là không thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ

điều khiển phi tuyến Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến

1.5.2 Các phương pháp điều khiển Robot

Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển Robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:

- Điều khiển động lực học ngược

- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến

- Các hệ thống điều khiển thích nghi

+ Điều khiển thích nghi theo sai lệch

+ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi

+ Điều khiển trượt

1.6 Giới hạn bài toán điều khiển

Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển là 1 Robot 2 khâu: Trên mô tả cấu trúc động học của Robot 2 khâu

Hình 1.15 Cấu trúc động học của Robot 2 khâu

Trong đó:

- 1, 2: Góc quay của từng khâu

- l1, l2 : Chiều dài của từng khâu

- m1, m2: Khối lượng toàn bộ của mỗi khâu

- g: gia tốc trọng trường

Yêu cầu bài toán điều khiển là: thiết kế bộ điều khiển tính toán lực (mômen) điều khiển sao cho quỹ đạo chuyển động của tay máy Robot bám theo quỹ đạo đặt

1.7 Kết luận chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về Robot công nghiệp từ lịch sử ra đời đến các giai đoạn phát triển, những ưu – nhược điểm trong các lĩnh vực ứng dụng của Robot Tìm hiểu cấu trúc chung của Robot và các phương pháp điều khiển chuyển động của Robot để Robot ngày càng linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người trong mọi lĩnh vực: sản xuất, công nghiệp, dịch vụ Mục đích nghiên cứu trong luận văn thiết kế bộ điều khiển chuyển động Robot 2 khâu dựa trên logic mờ

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển chính đó là phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ sẽ được phân tích trong chương 2

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ

2.1 Giới thiệu chung về logic mờ

Những nền tảng đầu tiên của Logic mờ ra đời ở Mỹ vào những năm 60, bởi giáo sư Lotfi Zadeh thuộc trường đại học Bekeley, bang California Sau đó liên tục phát triển và trở thành ngành kỹ thuật điều khiển mới, được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm công nghiệp ở châu Âu và Nhật Bản Kỹ thuật điều khiển mới này dựa trên cách xử lý thông tin và điều khiển của bộ não con người, từ một hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Nhờ đó mà nó mang lại những bước nhảy vọt trong kỹ thuật điều khiển, ví dụ như điều khiển một xe hơi chạy trong thành phố là điều quá phức tạp mà con người không giám nghĩ tới khi kỹ thuật điều khiển mờ chưa ra đời [1]

Đặc điểm cũng là ưu điểm của điều khiển mờ là xử lý những thông tin không chính xác hoặc không đầy đủ, đó là cách thức xử lý của bộ não con người được áp dụng đưa vào ngành kỹ thuật điều khiển Đó cũng là điều không có trong

hệ thống lý thuyết cổ điển

Những lĩnh vực mà logic mờ được ứng dụng và có nhiều thành tựu:

- Điều khiển;

- Định dạng mô hình mẫu (hình ảnh, âm thanh, xử lý dữ liệu);

- Phân tích định lượng (nghiên cứu khoa học, quản lý);

- Suy luận (giao diện thông minh, robot, kỹ thuật phần mềm);

- Phục hồi thông tin (dữ liệu)

2.2 Cơ sở lý thuyết mờ

2.2.1 Tập mờ

Định nghĩa: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử

của nó là một cặp giá trị (x,μF(x)), trong đó x M và μF làm một ánh xạ:

μF : M → [0 1]

- Tập kinh điển M là cơ sở của tập mờ F

- Ánh xạ μF gọi là hàm đặc trưng của tập mờ F

Ý nghĩa

Hình 2.1 Hàm đặc trưng

Tập mờ F ánh xạ mỗi giá trị x của tập kinh điển thành một số nằm trong đoạn [0,1] để chỉ mức độ phụ thuộc của nó vào tập M Độ phụ thuộc bằng 0 tức là

x không phụ thuộc tập M, độ phụ thuộc bằng 1 có nghĩa là nó là đại diện cho tập

M Khi μF (x) tăng dần thì độ phụ thuộc của x tăng dần Điều này tạo nên một đường cong qua các phần tử của tập hợp (hình 2.1)

Một tập mờ gồm 3 thành phần:

- Miền làm việc [x1, x2]

- Đoạn [0, 1] trên trục tung thể hiện độ phụ thuộc của tập mờ

- Hàm đặc trưng μF (x) xác định độ phụ thuộc tương ứng của các phần tử đối với tập mờ [1]

Miền trong logic mờ (hình 2.2)

Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup μF(x), trong đó SupμF(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm μF(x)

Miến xác định của tập mờ F, kí hiệu là S là tập con thỏa mãn :

S = SupμF(x) = { x  M | μF(x) > 0}

Miền tin cậy của tập mờ F, kí hiệu là T là tập con thỏa mãn :

T = { x  M | µF(x) = 1 }

Các dạng hàm liên thuộc trong logic mờ

Có rất nhiều dạng hàm liên thuộc như : Gaussian, PI-shape, S-shape, Singmoidal, Z-shape…

x

y

1

0

Hình 2.2 Miền trong logic mờ

2.2.2 Biến ngôn ngữ

Là thành phần chính trong hệ thống mờ, ở đây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau Về cơ bản biến ngôn ngữ là loại biến mà giá trị của nó là những từ, những câu nói theo ngôn ngữ tự nhiên hoặc không tự nhiên [1]

2.2.3 Hàm đặc trƣng

Mức độ thỏa mãn của một giá trị vật lý vào khái niệm ngôn ngữ được gọi là

độ phụ thuộc Đối với biến liên tục, mức độ này được biểu diễn bởi một hàm gọi

là hàm đặc trưng Hàm đặc trưng ánh xạ tập các giá trị vật lý thành tập các giá trị phụ thuộc đối với các giá trị ngôn ngữ [1]

Sau đây là một số dạng đặc trưng:

Hình 2.5 Dạng đường cong hình chuông

Dạng hình tam giác, hình thang và hình vai

Dạng hình chuông được thay thế bằng các dạng hình tam giác, hình thang

do yêu cầu tiết kiệm bộ nhớ của các bộ vi xử lý

-Dạng hình tam giác (hình 2.7)

Hình 2.7 Dạng hình tam giác

- Dạng hình vai

Thông thường vùng giữa các biến mô hình được đặc trưng bằng các tập mờ

có hàm đặc trưng là hàm tam giác, nhưng các vùng biên thường dùng hàm đặc trưng là hình vai (hình 2.8)

Hình 2.8 Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình vai

Các phép toán trên tập mờ

Một nguyên tắc cơ bản trong việc xây dựng các phép toán trên tập mờ là không được mâu thuẫn với những phép toán đã có trong lý thuyết tập hợp kinh điển Giống như định nghĩa về tập mờ, các phép toán trên tập mờ cũng được định nghĩa thông qua các hàm phụ thuộc, xây dựng tương tự như các phép toán trên tập hợp kinh điển Như vậy việc thành lập các phép toán trên tập mờ là xác định các hàm phụ thuộc đại diện cho các phép hợp, giao, bù trên những tập mờ [1]

Nói chung, đối với mỗi phép toán trên tập hợp mờ có thể có nhiều công thức đại diện, nghĩa là có nhiều hàm phụ thuộc khác nhau Điều đó cũng dẫn đến bài toán điều khiển mờ cũng có thể có nhiều lời giải khác nhau

y

x

1

0

* Cho X,Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là μX, μY khi đó ta có các phép toán sau :

Phép hợp hai tập mờ : X  Y

1.Theo luật MAX (hình 2.15): μX(b)  μY(b) = Max{ μX (b) , μY (b)}

Hình 2.9 Phép hợp hai tập mờ theo luật lấy max

2.Theo luật MIN : μX (b)  μY (b) = MIN{ μX (b) + μY (b)}

3.Tổng trực tiếp : μX (b)  μY (b) = μX (b) + μY (b) – μX (b)* μY (b)

Phép giao hai tập mờ : X  Y

1.Theo luật MIN : μX (b)  μY (b) = MIN{ μX (b) ; μY (b)}

2.Theo luật LUKASIEWICZ : μX (b)  μY (b) = Max{0, μX (b)+ μY (b)-1} 3.Theo luật Prod : μX (b)  μY (b) = μX (b) μY (b)

A là tập mờ trên nền X có hàm thuộc μA(x)

B là tập mờ trên nền Y có hàm thuộc μB(y)

A tập mờ mở rộng của tập mờ A trên nền XxY và có hàm thuộc là μA(x,y)

= μA(x), VY

B tập mờ mở rộng của tập mờ B trên nền XxY và có hàm thuộc là μB(x,y)

= μB(y), VX

Hợp của A,B là μAUB(x,y) = μAUB(x,y)

Giao của A,B là μA∩B(x,y) = μA∩B(x,y)

2.2.4 Luật hợp thành mờ (Mamdani)

Mệnh đề hợp thành

Cho hai biến ngôn ngữ x và y Nếu biến x nhận giá trị mờ A với hàm phụ thuộc A(x) và y nhận giá trị mờ B với hàm phụ thuộc A(y) thì biếu thức :

x = A gọi là mệnh đề điều kiện

và biểu thức: y = B gọi là mệnh đề kết luận

Nếu lần lượt ký hiệu hai mệnh đề trên là p và q thì ta có mệnh đề hợp thành:

A và là một giá trị mờ Nếu biểu diễn giá trị mờ đó là tập hợp C thì mệnh đề hợp thành mờ chính là ánh xạ:

Định lý Mamdani :

“Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện”

Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạng tổng quát như sau:

Nếu N = ni và M = mi và … Thì R = ri và K = ki and…

Mô tả mệnh đề hợp thành mờ

Ánh xạ A(x0)  C(y) chỉ ra rằng mệnh đề hợp thành là một tập hợp mà mỗi phần tử là một giá trị (A(x0), C(y)), tức là mỗi phần tử là một tập mờ Mô tả mệnh đề hợp thành chính là mô tả ánh xạ trên

Dựa trên định nghĩa và tính chất của lý thuyết tập kinh điển, ta có định nghĩa của mệnh đề hợp thành mờ như sau: giá trị của mệnh đề hợp thành mờ là một tập

mờ B’ định nghĩa trên nền Y (là không gian nền của B) và có hàm liên thuộc

(A,B): [0,1] và tuân theo quy tắc hợp thành mờ

Hai quy tắc thường được sử dụng nhất là:

Các luật hợp thành cơ bản

Luật MAX – MIN; Luật MAX – PROD

Luật SUM – MIN; Luật SUM – PROD

Trong thực tế, ít khi có một bộ điều khiển mờ chỉ là việc với một mệnh đề hợp thành mà với một tập hợp gồm nhiều mệnh đề Ta hãy xét một số luật hợp thành thường sử dụng

Thuật toán xây dựng luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành

Cho p mệnh đề hợp thành:

R1: NẾU x=A1 THÌ y=B1

R2: NẾU x=A2 THÌ y=B2

Rp: NẾU x=Ap THÌ y=Bp

Trong đó các giá trị mờ A1,……, Ap có cùng tập hợp nền X và B1,…, Bp có cùng tập hợp nền Y Gọi hàm phụ thuộc của Ak và Bk là AK(x) và BK(y) (k=1,2,…,p) thuật toán triển khai R= R1 R2 …Rp được thực hiện như sau: