Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do

Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trongbài toán điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phầnnâng cao hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuy

` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HÕA

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT HAI

BẬC TỰ DO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH HÀ

THÁI NGUYÊN – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn.

Thái nguyên, tháng 5 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thị Hòa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu i ht t p : / / www lr c - tnu.edu v n/

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ

Lời cam đoan i

Mục lục .ii

Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv

Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị)

v LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN MỞ ĐẦU 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

a) Ý nghĩa khoa học 2

b) Ý nghĩa thực tiễn 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Robot công nghiệp và các ứng dụng 7

1.3 Ứng dụng robot công nghiệp

8 1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

8 1.5 Kết cấu tay máy 9

1.6 Kết luận 11

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 12

2.1 Các hệ điều khiển kinh điển 12

2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

12 2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến

12 2.2 Logic mờ và điều khiển mờ 14

2.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ .16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu ii ht t p : / / www lr c - tnu.edu v n/

2.3 Điều khiển thích nghi : 28

2.3.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 28

2.3.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 29

2.3.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 35

2.3.4 Phương pháp ổn định của Lyapunov 37

2.4 Kết luận 40

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 41

3.1 Mô hình toán học cánh tay robot 43

3.2 – 43

3.3 Kết luận 55

Chương 4 THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN ROBOT RD5NT 56

4.1 Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI 56

4.2 Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller) cho tay máy 2 bậc tự do 58

4.3 Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC 66

4.4 Kết luận 66

Kết luận chung và kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu iv ht t p : / / www lr c - tnu.edu v n/

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề các 9

Hình 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ 10

Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu 10

Hình 1.4 Tay máy kiểu tọa độ góc 11

Hình 1.5 Tay máy kiểu SCARA 11

Hình 2.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 16

Hình 2.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 17

Hình 2.3 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min 20

Hình 2.5 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min .22

Hình 2.6 Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod .24

Hình 2.7 Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 25

Hình 2.8 Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 25

Hình 2.9 Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 26

Hình 2.10 Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm .27

Hình 2.11 So sánh các phương pháp giải mờ 27

Hình 2.13 Hệ thích nghi tín hiệu 33

Hình 2.14 Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 35

Hình 3.1 Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab .45

Hình 3.2 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong phần mềm Matlab 45

Hình 3.3 Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab .46

Hình 3.4 Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần mềm Matlab .46

Hình 3.5 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 47

Hình 3.6 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 47

Hình 3.7 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 49

Hình 3.9 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 50 Hình 3.10 Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu v ht t p : / / www lr c - tnu.edu v n/

Hình 3.11 Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 52

Hình 3.12 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ .52

Hình 3.13 Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng bộ điều khiển mờ 54

Hình 3.14 Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng bộ điều khiển mờ 54

Hình 3.15 Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 55

5

6 Hình 4.2 Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57

Hình 4.3 Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57

Hình 4.4 Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 57

Hình 4.5 Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 58

Hình 4.6 Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 59

Hình 4.7 Hàm thuộc của sai lệch e(t) 60

Hình 4.8 Hàm thuộc của đạo hàm sai lệch de(t) .60

Hình 4.9 Quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63

Hình 4.10 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63

Hình 4.11 Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot 64

Hình 4.12 So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển 65

Hình 4.13 Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ 1,2 66

Hình 4.14 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67

Hình 4.15 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67

Số hóa bởi Trung tâm Học

LỜI NÓI ĐẦU

Robot là đối tượng phi tuyến nên rất khó xác định được chính xác các thông

số đo lường tại các thời điểm nhất định Do vậy, bài toán điều khiển cánh tayrobot là bài toán khá phức tạp Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trongbài toán điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phầnnâng cao hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác đối tượngtrong các môi trường làm việc

Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu điều khiểncánh tay robot Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn Chính vì

lý do trên tác giả quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do” Luận văn chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy

Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc

tự do và mô phỏng

Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT

Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời gian và kinh nghiệm khoa học cònnhiều hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mongnhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp!

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà và

các

thầy cô khác đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành bản luận văn này!

Và qua đây xin dành lời biết ơn sâu sắc đến người thân đã hết lòng động

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Thị Hòa

1 Lý do chọn đề tài

PHẦN MỞ ĐẦU

Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiềunhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm Các hệ thống điều khiển tay máy hiệnnay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo phươngpháp tuyến tính hóa gần đúng Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của

bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đếnchất lượng sản phẩm

Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển

mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minhđáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại Trong mấy nămgần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượngphi tuyến Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn.Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển taymáy hai bậc tự do

Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ

thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do"

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các yêucầu chất lượng

3 Đối tượng nghiên cứu

Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệthống phi tuyến với các thông số chưa xác định Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặtkhoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến

Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot

b) Ý nghĩa thực tiễn

Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa thực tiễn rấtlớn Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng buộcphải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác định trước và thay đổi.Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bấtchấp sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc Việc nâng cao chất lượng điều khiểnrobot sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quảlao động

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY

Robot công nghiệp là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau Có thể địnhnghĩa là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thểthực hiện những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếpcủa con người Theo ISO thì “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, cómột số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng

cụ và các vật dụng khác”

Do chương trình thao tác có thể thay đổi, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạngnên có thể nói robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động, linh hoạt, bắtchước được các chức năng lao động của con người Theo đó, robot công nghiệpcũng là một hệ thống tự động hóa lập trình được, giống như NC, CNC, DNC và AC.Điểm khác biệt giữa robot và NC là NC điều khiển các chuyển động trên bề mặt,theo các trục của hệ tọa độ thì robot điều khiển các chuyển động trong không gian.Yếu tố đa chức năng nhấn mạnh robot có khả năng thực hiện nhiều chứcnăng, phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc Ví dụ trong dây chuyền sảnxuất ô tô, một robot có thể được gắn mỏ hàn để thực hiện công nghệ hàn trong mộtphân xưởng Tại phân xưởng khác, robot có cấu hình tương tự với khâu tác độngcuối thay thế mỏ hàn bằng các bàn kẹp có thể được điều khiển để vận chuyển cácchi tiết và lắp ráp nó vào các vị trí yêu cầu Ứng với mỗi chức năng khác nhau,chương trình điều khiển của robot sẽ được lập trình lại cho phù hợp Yếu tố đa chứcnăng là một trong những điểm chính để phân biệt robot với các máy tự động đang

sử dụng trong sản xuất hiện nay

người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người đồng nghĩa robot phải thoả mãn ba nguyên tắc cơ bản sau:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra,quy tắc này không vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Robot phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không vi phạm hai nguyêntắc trên

Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư cấu nàykhoa học viễn tưởng robot được giới kỹ thuật hình dung như chiếc máy đặc biệt

để thay thế mình trong một số công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặngnhọc, vận chuyển, lắp ráp, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài khoảng không vũtrụ, trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân…

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực

kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và cácmáy công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool) Năm 1952,mẫu máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công NghệMassachuasetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnhtrong Chiến tranh thế giới lần thứ II nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Ngườithao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặcvài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điềukhiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bêntrong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối vớinhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của taycầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêucầu gia công các chi tiết trong nghành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực

chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lậptrình của máy công cụ điều khiển số.

Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatrancủa công ty AMF của Mỹ vào năm 1960 Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuấthiện loại robot Unimate được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh

-1967, Thụy Điển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức-1971; 1972; Ý-1973…

Pháp-Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhậnbiết và xử lý Năm 1968, trường đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫurobot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướngbàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến

Năm 1974, Công ty Cincinnati của Mỹ đã đưa ra loại robot được điều khiển bằngmáy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này

có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg

Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian trên tàu thám hiểm Vikingcủa cơ quan không gian Nasa Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiềuđến sự lắp đặt thêm các cảm biến để nhận biết môi trường làm việc Tại trườngđại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot dùng để lắp ráp tự động vàđược điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực vàthị giác Cũng vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biếnxúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20cụm chi tiết

Năm 1990, có hơn 40 công ty của Nhật Bản trong đó có những công ty khổng lồnhư công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loạirobot nổi tiếng

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot khôngngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để

nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vựcTin học- Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt Có thể nóirobot là sự

tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “trithức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũngnhư kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của tríkhông nhân tạo, hệ chuyên gia…

Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robotcông nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.2 Robot công nghiệp và các ứng dụng

Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) đã đạt tới trình độ rất cao như trong công nghiệp sảnxuất kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có sử dụng máy tính

- Tự động hoá cũng được hình thành dưới dạng thiết bị hoặc dây chuyền chuyênmôn hoá theo đối tượng nó áp dụng cho sản xuất hàng khối với khối lượng lớncác sản phẩm cùng loại

- Tự động hoá khả trình được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất hàng loại vừa,nhỏ đáp ứng phần lớn nhu cầu sử dụng Sản phẩm công nghiệp dạng này có thể lậptrình hàng loạt để thay đổi chủng loại sản phẩm

- Tự động hoá linh hoạt là dạng phát triển của TĐH khả trình nó thích hợp vớicông nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, có thể thay đổi đối tượngsản xuất mà không cần sự can thiệp của con người TĐH linh hoạt được biểu diễndưới 2 dạng tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống linh hoạt

- Hai đặc trưng cơ bản của robot công nghiệp:

+ Thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lập trình lại

để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác

+ Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng xếp dỡ nguyên vật liệu, láp ráp…

nh Định nghĩa robot công nghiệp

Robot công nghiệp là tay máy tự động được đạt cố định hoặc di động baogồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiểntheo

chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

1.3 Ứng dụng robot công nghiệp

- Một trong các lĩnh vực đó là kỹ nghệ đúc Thường trong các phân xưởngđúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng luôn luônthay đổi…

- Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệtmỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot côngnghiệp

- Trong ngành hàn và nhiệt luyện bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và

ở nhiệt độ cao Do vậy ngành này cũng nhanh chóng ứng dụng robot côngnghiệp

- Ngành gia công và lắp ráp thường sử dụng robot vào các việc tháo lắp phôi vàsản phẩm trong các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tựđộng…

1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

- Robot công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:

+ Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạocác chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thànhthao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành

+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cầnthiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bảnthân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái củamôi trường

+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiểnhoạt động của robot.

1.5 Kết cấu tay máy

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp, đó

là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc như nâng hạ vật Ban đầu người

ta chế tạo tay máy phỏng theo tay người còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiềuloại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay,bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của nó Trong thiết kế tay máy người ta quantâm đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc

- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

- Tầm với của vùg làm việc

- Khả năng định vị, định hướng phần công tác

Chúng có đặc điểm chung sau:

Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗiđộng học hở các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trượt tuỳ theo cách bố chí

mà các khớp có thể tạo ra tay máy có toạ độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, tọa độgoác và SCARA

+ Tay máy kiểu tọa độ Đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theophương của các hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữnhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí

dễ đảm bảo vì vậy nó thường dung để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặtphẳng…

Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề các

+ Tay máy kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng.Thường khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.Tnhư hình vẽ

1.2 Có nhiều robot tọa độ trụ như: Robot Versatran của hang AMF (Hoa Kỳ)

Hình 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ

+ Tay máy kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độcứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do,cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu (Hình 1.3)

Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu

+ Robot kiểu tọa độ góc: Đây là kiểu robot được dung nhiều hơn cả Ba chuyểnđộng đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trụckia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việccủa tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặtphẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản lầ bài toán phẳng, ưu điểm nổi bật của

Số hóa bởi Trung tâm Học

các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việctương đối lớn so với kích cỡ của bản than robot, độ linh hoạt cao

Hình 1.4 Tay máy kiểu tọa độ góc

+ Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời năm 1979 tại trường đại họcYamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quátrình sản xuất tên gọ SCARA là viết tắt của “Selective Compliant Articulated RobotArm”: Tay máy mềm dẻo tùy ý Loại robot này thường dùng trong công việc lắp rápnên SCARA đôi khi được giải thích là “Selective Compliance Assembly RobotArm” Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đềutheo phương thẳng đứng Sơ đồ của robot SCARA như hình 1.5

Hình 1.5 Tay máy kiểu SCARA

1.6 Kết luận

Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một số vấn đề sau:

- Lịch sử phát triển;

- Robot công nghiệp và các ứng dụng;

- Ứng dụng robot công nghiệp

- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Số hóa bởi Trung tâm Học

- Kết cấu tay máy

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Các hệ điều khiển kinh điển

Trong các hệ thống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thốngđiều khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượngđiều khiển Chất lượng của các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượngcủa các quá trình công nghệ bao gồm: chất lượng sản phẩm, năng suất lao động

và các chỉ tiêu khác của dây chuyền công nghệ…

Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá bởi tính ổn định

và các chỉ tiêu khác của quá trình xác lập và quá độ Ổn định mới chỉ là chỉ tiêu nói lên rằng hệ thống có thể làm việc được hay không, còn chất lượng của quá trình quá độ mới nói tới việc hệ thống có được sử dụng hay không Vì vậy việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là đề tài được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm

Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có nhiều đóng góp trong cáclĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng,hàng hải…Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2 loại: Tổnghợp hệ điều khiển mờ tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến

2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (bao gồm P, PI, PD và PID) đã được nghiên cứu vàphát triển tới mức hoàn thiện Để xác định được thông số tối ưu (Kp, Ki, Kd) của PID

ta có thể dùng phương pháp môdul tối ưu, phương pháp môdul đối xứng và cácphần mềm chuyên dụng (ví dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông sốPID Đặc điểm của phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hình của đốitượng

2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến

Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính phi tuyến,chúng chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó Vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp

hệ phi tuyến có ý nghĩa phổ biến và thực tiễn Các phương pháp phân tích và tổng

Số hóa bởi Trung tâm Học

hợp hệ phi tuyến không tiến bộ nhanh như hệ tuyến tính và hiện nay còn đangtrong giai

đoạn phát triển, hệ phi tuyến có những đặc điểm riêng khác hẳn hệ tuyến tính, ví dụtính tạo tần, tính phi tuyến Vì vậy để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phảidùng các phương pháp gần đúng, các phương pháp gần đúng thường dùng là:

- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng: được áp dụng cho các hệ gần tuyếntính, lúc đó sai lệch so với tuyến tính không quá lớn Khi hệ thống làm việc ở lân cậnmột điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là tuyến tính

- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà: là phương pháp khảo sát hệ thống trongmiền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt, phương pháp này còn được gọi làphương pháp hàm mô tả Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng để mở rộng gầnđúng hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến

Hàm mô tả (hay hệ số khuếch đại phức) của khâu phi tuyến là tỉ số giữa thành cơbản của đáp ứng đầu ra với kích thích hình sin ở đầu vào Nếu một hệ có chứa nhiềukhâu phi tuyến ta phải gộp tất cả chúng lại để được hàm mô tả tổ hợp

Phương pháp tuyến tính điều hoà cho phép đưa ra kết quả hợp lý và có thể dùngcho các hệ thống bậc bất kỳ, nhưng vì là phương pháp gần đúng nên ta phải kiểmtra lại độ chính xác bằng các kỹ thuật khác hoặc bằng mô phỏng trên máy tính

- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn: Từ đặc tuyến phi tuyến của hệ ta chiathành nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn nhỏ coi là đoạn thẳng và được mô tả bởiphương trình tuyến tính Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra lời giải tương đốichính xác cho hệ phi tuyến bất kỳ Phương trình vi phân dẫn ra trên mỗi phân đoạn

là tuyến tính và có thể giải được dễ dàng bằng các kỹ thuật tuyến tính thông dụng

- Phương pháp mặt phẳng pha: Tiện dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2

Trong điều khiển kinh điển, sự tác động của máy điều chỉnh được phân thành 2vùng: vùng tác động lớn và vùng tác động nhỏ Vùng tác động lớn tồn tại khi hệthống ở xa trạng thái cân bằng, khi có tác động lớn hệ thống sẽ nhanh chóngdịch chuyển về trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn như vậy hệ thống dễdàng

Số hóa bởi Trung tâm Học

vượt qua trạng thái cân bằng và gây độ quá điều chỉnh lớn, điều này không mongmuốn Vì vậy khi hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùngtác động nhỏ để giảm độ quá điều chỉnh Xuất phát từ ý tưởng đó các bộ điều chỉnh

có cấu trúc thay đổi ra đời phát triển đã đáp ứng phần nào yêu cầu nâng caochất

lượng hệ điều khiển phi tuyến.

Tóm lại trong một thời gian dài kể từ khi ra đời, lý thuyết điều khiển kinh điển đã

có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài toán điều khiển đặt ra trong thực

tế Tuy nhiên chất lượng của hệ thống cũng chỉ đạt được ở mức độ khiêm tốn, nhất

là đối với hệ phi tuyến Với sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điềukhiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…đã tạo điều kiện thuận lợi để cácnhà kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lượng của hệthống điều khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyếnmạnh và khó mô hình hoá

2.2 Logic mờ và điều khiển mờ

sự giúp đỡ của hệ các chuyên gia

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhất là kỹ thuật vi xử lý vàcông nghệ phần mềm đã đặt nền móng cho việc ứng dụng hệ thống điều khiểnthông minh vào các nghành công nghiệp Các hệ thống điều khiển thông minh đượcxây dựng trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã giúp con người có khả năng khống chếnhững đối tượng mà trước kia tưởng chừng như không điều khiển được như trongrất nhiều bài toán điều khiển khi đối tượng không thể mô tả bởi mô hình toán học,hoặc mô hình của nó quá phức tạp, cồng kềnh…

Số hóa bởi Trung tâm Học

Trong thực tế khi thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặpnhững bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyênthay đổi trạng thái hoặc cấu trúc của đối tượng…

Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đại họcBerkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy SetsTheory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọngdựa trên cơ sở lý thuyết tập mờ Đây là một trong những phát minh quan trọng cótính bùng nổ và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn củathực tế.

Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đã dùnglogic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng

kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ raquyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của FụiElectrinic vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đườngsắt Sendai Các ứng dụng đã và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điềuchỉnh, nội suy, phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạng trongcác máy quay video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghiệmcon lắc ngược đã được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng đượcsinh ra gần 100 lần ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống”

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽnhất ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi,

nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền,phức tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinhđiển không làm được

Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phương pháp

có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển Vì đối tượng điều khiển làmột hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các mô hình toán

lý Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (các luật) với các

dữ liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đã ra đời Ta lấymột ví dụ phận biệt cá voi có tính khoa học Ở những trường tiểu học, nhiều điềulàm mọi người ngạc nhiên, rằng cá voi là động vật có vú bởi vì: nó là loại máu nóng,

Số hóa bởi Trung tâm Học

đẻ con, nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông Hệ thống phân biệt này là một ví

dụ hoàn hảo của logic hai trị truyền thống mà thống trị khoa học suốt nhiều thế

kỷ Mặc dù

thực tế là nó trông giống cá, nó bơi giống cá, nó có mùi cá, và cứ ba học sinh lại có một người nghi ngờ khi nói rằng cá voi không phải là cá, cá voi 100% động vật có vú,

0 % là cá Nếu một nhà logic mờ phân biệt cá voi, ông ta sẽ cho cá voi thuộc về cả hai bộ động vật có vú và bộ cá, tới mức độ tự nhiên

So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp hệthống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau:

Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điểu khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinhđiển là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điềukiện chưa xác định rõ và thiếu thông tin

Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điềukhiển cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn

Với nguyên tắc mờ bộ điều khiển tổng hợp được có cấu trúc đơn giản so với bộđiều khiển kinh điển khác có cùng chức năng Sự đơn giản đó đã đóng vai trò quantrọng trong việc tăng độ tin cậy cho thiết bị, giảm giá thành sản phẩm

Điều khiển mờ là những cải tiến liên tiếp của kỹ thuật vi xử lý, một cầu nối khôngthể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế

2.2.2 Cấu trúc của hệ điều khiển mờ

a) Sơ đồ khối: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên

hình 1.1 Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết bịhợp thành và khối giải mờ Ngoài ra cò có giao diện vào và giao diện ra để đưa tínhiệu vào bộ điều khiển và xuất tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành

Giao diện

thành

Giải mờ

Giaodiện ra

Hình 2.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

b) Giao diện vào, ra: Hệ mờ là một hệ điều khiển số do đó tín hiệu đưa vào bộ

điều khiển mờ phải là tín hiệu số Giao diện vào có nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệutương tự thu nhận được từ đối tượng điều khiển và chuyển đổi thành tín hiệu số.Giao diện ra có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tương tự, khuyếch đại tín hiệuđiều khiển cho phù hợp với đối tượng cụ thể Trong thực tế, giao diện vào, rađược tích hợp trong một CARD xử lý số chuyên dụng hoặc lắp thêm vào khe cắm mởrộng của máy tính

c) Khối mờ hóa: Là khối đầu tiên của bộ điều khiển mờ có chức năng chuyển

mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véc tơ µ có số chiều bằng số tập

mờ đầu vào Số tập mờ đầu vào do người thiết kế qui định tùy thuộc đối tượng cụthể, nhưng thông thường không chọn quá 9 tập mờ Hình dạng các hàm liên thuộccũng được tùy chọn theo hình tam giác, hình thang, hàm Gaus … Mỗi loại hàm liênthuộc có ưu, nhược điểm riêng Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ rõ dùngdạng hàm liên thuộc nào là tốt nhất Hình 1.2 minh họa phương pháp mờ hóa biếnđiện áp trong khoảng từ 100V - 300V bằng 5 tập mờ dạng hàm Gaux Khi đó ứng vớimỗi giá trị rõ

Hình 2.2 Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ

d) Khối thiết bị hợp thành:

Khối thiết bị hợp thành còn được gọi là cơ cấu suy diễn hay động cơ suy diễn có

điều khiển, khối này gồm 2 phần chính: Luật điều khiển (hợp thành) và suy diễn mờ.

Luật điều khiển bao gồm một số mệnh đề hợp thành là các mệnh đề đơn hoặc

mệnh đề phức được liên hệ với nhau bởi toán tử "Hoặc" có dạng tổng quát:

Là nguyên tắc xây dựng ma trận hợp thành chung (R) từ các mệnh đề hợp

thành là: Max-min, Max-prod, Sum-min, Sum-prod Theo thói quen ta thường gọi là

các luật hợp thành Max-min; luật hợp thành Max-prod; luật hợp thành Sum-min vàluật hợp thành Sum-prod.

3 2

Luật hợp thành MIN là tên gọi mô hình (ma trận) R của mệnh đề hợp thành A B

Xét luật hợp thành đơn có cấu trúc SISO: