Ứng dụng logic mờ trong điều khiển đồng bộ tính mô men thích nghi cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN NGỌC NHỰT ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐOÀN NGỌC NHỰT ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Chuyên nghành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 80520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Tiến Dũng Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tự thân thực Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên Đồn Ngọc Nhựt ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Học viên: Đoàn Ngọc Nhựt Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60520216 Khóa: K34 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt: – Trong luận văn này, vấn đề phân tích động học, động lực học thiết kế thuật toán điều khiển đồng tính mơ-men thích nghi cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự 3-RRR (Revolute – Revolute – Revolute) đƣợc trình bày Trƣớc hết, mơ hình động học ngƣợc động học thuận tay máy robot 3-RRR đƣợc xây dựng dựa vào phƣơng pháp hình học Đó mơ hình thể mối quan hệ khớp chủ động vị trí hệ tọa độ Descartes, góc xoay khâu chấp hành cuối Các ma trận suy từ động học ma trận Jacobian, sau ứng dụng ma trận vào tìm cấu hình kỳ dị đồng thời phục vụ cho việc điều khiển phƣơng pháp điều khiển tính tốn lực Luận văn đƣa ba phƣơng pháp điều khiển điều khiển tính mơ men truyền thống điều khiển tính mơ men đồng điều khiển tính mơ-men đồng thích nghi Trong thuật tốn điều khiển tính mơ men truyền thống, hệ thống có sai số nhiều sai số mơ hình nhiễu ngoại lực tác động tham số điều khiển khơng thể thay đổi tự động Thuật tốn điều khiển đồng sử dụng sai số đồng bộ, sai số đồng chéo, ứng dụng vào thuật tốn điều khiển tính tốn lực để nâng cao chất lƣợng điều khiển, thuật tốn điều khiển đồng tính mơ-men thích nghi kết hợp điều khiển đồng mờ với tín hiệu đầu vào mờ sai số vận tóc góc quay góc chủ động để khâu chấp hành cuối có độ bám quỹ đạo đầu vào tốt so với hai điều khiển Các kết đƣợc kiểm chứng Matlab/Simulink kết hợp SolidWorks nhằm phục vụ cho việc thiết kế kích thƣớc, quỹ đạo chuyển động, phân tích khơng gian làm việc loại trừ cấu hình kỳ dị, tính mơ hình động lực học điều khiển tay máy robot song song phẳng ba bậc tự Từ khóa - Tay máy robot song song phẳng; Cấu hình kỳ dị; Động học thuận; Động học ngƣợc; Điều khiển đồng bộ, hệ thống logic mờ APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN SYNCHRONIZED CONTROLLER FOR DEGREE-OF-FREEDOM PLANAR PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS Abstract – In this thesis, the problems of kinematics, dynamic model and synchronous control of degree-of-freedom planar parallel robotic manipulators 3RRR (Revolute – Revolute – Revolute) are presented Firstly, the inverse kinematics and forward kinematics of the robot 3-RRR are analyzed based on geometric method These models demonstrate the relationship of the active joint coordinates and endeffector Cartesian coordinates, and the angle of the end-effector The matrices which derived from kinematic models are called Jacobian matrices which are applied to find out singularity configurations and to calculate the dynamic model of the robot This dynamic model is used in computed torque control algorithm The thesis also introduces two control methods for the robot, they are conventional computed torque control algorithm and synchronized control algorithm The conventional computed torque control algorithm has bigger error because of the modeling errors, uncertainties, and the parameters variation of the robot On the contrary, the synchronized control algorithm which uses the synchronized error and cross-coupling error, bring about the better control performance in comparison to the traditional control method The results of this thesis are verified by simulation SolidWorks, which using Matlab/Simulink combined with are helpful for designing dimension, planning trajectory, analyzing of singularity avoidance, modeling and designing control algorithm for the robot manipulators Key words - Planar parallel robotic manipulators; Singularity; Forward kinematics; Inverse kinematics; Synchronized control, fuzzy logic system MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu tay máy robot công nghiệp 1.2 Phân loại robot công nghiệp 1.3 Giới thiệu tay máy robot song song phẳng bậc tự 10 CHƢƠNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG 3-RRR 13 2.1 Mô hình động học cánh tay robot song song phẳng 3_RRR 13 2.1.1 Động học thuận 13 2.1.2 Động học ngược 14 2.1.3 Ma trận Jacobian 15 2.1.4 Các cấu hình kỳ dị 17 2.1.5 Không gian làm việc loại trừ điểm kỳ dị 21 2.2 Mơ hình động lực học cánh tay robot song song phẳng 3RRR 23 2.2.1 Phương pháp chung tìm mơ hình động lực học robot song song 23 2.2.2 Mơ hình động lưc học tay máy robot song song phẳng 3_RRR 26 CHƢƠNG ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO ROBOT 3_RRR 32 3.1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển 32 3.1.1 Một số phương pháp điều khiển 32 3.1.2 Điều khiển tính mô men truyền thống 32 3.2 Thuật toán điều khiển đồng tính mơ men 34 3.2.1 Sai số đồng 35 3.2.2 Sai số đồng chéo .35 3.2.3 Thuật toán điều khiển đơng tính mơ men .35 3.3 Ứng dụng logic mờ đề tài .36 3.3.1 Khái quát điều khiển mờ 36 3.3.2 Hệ thống logic mờ 37 3.4 Đề xuất thuật tốn điều khiển đồng tính mơ men thích nghi ứng dụng logic mờ 38 CHƢƠNG MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM 45 4.1 Xây dựng mơ hình phần khí robot tr n phần mềm solidworks 45 4.2 Xây dựng mơ hình cánh tay robot matlab-simulink .46 4.3 Mơ với thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển 46 4.3.1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển .46 4.3.2 Mơ với quỹ đạo trịn: 47 4.3.3 Mô sai số theo trục X, trục Y 48 4.3.4 Mô so sánh quỹ đạo góc đặt góc thực tế khâu chấp hành cuối 48 4.4 Mô với thuật tốn điều khiển đồng tính mơ men 49 4.4.1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men đồng .49 4.4.2 Mơ theo quỹ đạo trịn .49 4.4.3 Mô sai lệch theo trục X, trục Y 50 4.4.4 Mô so sánh quỹ đạo góc đặt góc thực tế khâu chấp hành cuối 50 4.4.5 Mô mô-men sai lệch có masat khơng có ma sát 51 4.5 Mơ với thuật tốn điều khiển đồng tính mơ men thích nghi 51 4.5.1 Thuật tốn điều khiển đồng tính mơ-men thích nghi .51 4.5.2 Mơ theo quỹ đạo tròn 52 4.5.3 Mô sai lệch theo trục X, trục Y 52 4.5.4 Mô so sánh quỹ đạo góc đặt góc thực tế khâu chấp hành cuối 53 4.6 So sánh trƣờng hợp sử dụng thuật toán điều khiển 53 4.6.1 So sánh với quỹ đạo tròn .53 4.6.2 So sánh với sai số trục X 54 4.6.3 So sánh bám quỹ đạo 𝑝 55 KẾT LUẬN .56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: Ma trận xác định dƣơng có kích thƣớc 3x3 Sai số đồng Véc tơ lực tác động l n tay máy robot 3-RRR (N) Véc tơ lực tác động l n khớp chủ động (N) Véc tơ lực tác động l n khớp bị động (N) Véc tơ lực tác động l n khớp chủ động bị động (N) Véc tơ lực tác động l n khâu chấp hành cuối (N) Góc xoay khâu chấp hành cuối (0) 𝑞 góc chủ động tay máy robot Ma trận Coriolis lực hƣớng tâm theo góc chủ động Ma trận Coriolis lực hƣớng tâm tổng quát e Véc tơ sai lệch giá trị góc mong muốn góc thực Sai số đồng chéo I Ma trận đơn vị K Động (J) L Hàm Lagrange 𝑙 Chiều dài thứ i (m) Ma trận quán tính theo góc chủ động Ma trận qn tính tổng quát P Thế (J) q Véc tơ góc khớp khâu chấp hành cuối (rad) 𝑞 Góc chủ động (rad) 𝑞̇ Vận tốc góc chủ động 𝑞̈ Gia tốc góc chủ động 𝑞 Góc chủ động mong muốn (rad) 𝑞̇ Vận tốc góc chủ động mong muốn 𝑞̇ Gia góc chủ động mong muốn 𝑞 Góc bị động (rad) p Tọa độ khâu chấp hành cuối theo trục X p Tọa độ khâu chấp hành cuối theo trục Y Ma trận Jacobian khớp chủ động Ma trận Jacobian khớp bị động p Vector trọng lực vector lực ma sát , ma trận tham số xác định dƣơng lực momen bù thích nghi CÁC CHỮ VIẾT TẮT: CTC Computed Torque Control P Prismatic R Revolute MIMO Multiple-Input/ multiple-Output DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang ảng 1.1 o sánh gi a hai loại tay máy robot nối tiếp song song 10 Bảng 3.1 Luật mờ điều khiển mờ .43 54 4.6.2 So sánh với sai số trục X ình 4.18 o sánh quy đạo trục X với phương pháp Nhận xét: Đồ thị thể quỹ đạo theo trục X khâu chấp hành cuối với phƣơng pháp thể qua màu khác nhau, với phƣơng pháp đồng mức độ bám quỹ đạo đặt đƣợc cải thiện rõ rệt so với phƣơng pháp truyền thống, đặc biệt với phƣơng pháp mờ kết hợp đồng cho quỹ đạo bám tốt hai phƣơng pháp lại thể qua đƣờng màu xanh tr n đồ thị So sánh với sai số trục Y Hình 4.19 o sánh quy đạo trục Y với phương pháp 55 Nhận xét: Đồ thị thể quỹ đạo theo trục Y khâu chấp hành cuối với phƣơng pháp thể qua màu khác nhau, với phƣơng pháp đồng mức độ bám quỹ đạo đặt đƣợc cải thiện rõ rệt so với phƣơng pháp truyền thống, đặc biệt với phƣơng pháp mờ kết hợp đồng cho quỹ đạo bám tốt hai phƣơng pháp lại thể qua đƣờng màu xanh tr n đồ thị 4.6.3 So sánh bám quỹ đạo Hình 4.20 o sánh quy đạo góc lệch khâu chấp hành cuối với phương pháp Nhận xét: Kết sai số góc lệch khâu chấp hành cuối thể qua biểu đồ với phƣơng pháp điều khiển khác tr n đồ thị, ban đầu sai số lớn sau thời gian sai số đƣợc cải thiện nhiều với phƣơng pháp,với phƣơng pháp đồng thích nghi sai số gần nhƣ dƣới 3% 56 KẾT LUẬN Đề tài tiến hành phân tích mơ hình động học, động lực học, cấu hình kỳ dị tay máy robot song song phẳng ba bậc tự 3-RRR Thiết kế đƣợc mơ hình điều khiển đồng tính mơ-men thích nghi, để điều khiển tay máy robot bám quỹ đạo đặt, thể ƣu điểm so sánh với điều khiển CTC truyền thống, điều khiển đồng tính mơ-men Qua q trình nghi n cứu đề tài đạt đƣợc số kết sau: - Nghi n cứu đƣợc mơ hình động học thuận, động học ngƣợc, động lực học, ma trận Jacobian tay máy robot song song phẳng 3-RRR - Dẫn đƣợc loại cấu hình kỳ dị tay máy robot Về phƣơng diện vật lý nhƣ tốn học, tìm đƣợc khơng gian làm việc loại trừ đƣợc điểm kỳ dị Điều có ý nghĩa lớn với việc thiết kế quỹ đạo thuật toán điều khiển - Nghi n cứu thuật toán điều khiển đồng tính mơ-men thích nghi để tính tốn lực CTC phù hợp ứng dụng thành công vào mơ hình đem lại kết điều khiển bám tốt quỹ đạo đặt tốt so với điều khiển CTC điều khiển đồng tính mơmen Qua chứng minh tính đắn thuật tốn điều khiển đồng thích nghi góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển tay máy robot song song phẳng ba bậc tự Tr n sở kết đó, đề tài đề xuất số công việc cần thiết tƣơng lai để phát triển th m: - Nghi n cứu th m thuật tốn phân tích chặt chẽ tính ổn định độ cứng vững điều khiển đồng - Nghi n cứu điều khiển thích nghi để điều khiển mơ hình tay máy robot song song phẳng 3-RRR với thuật toán nâng cao nhƣ điều khiển nơ ron kết hợp luật điều khiển để đạt đƣợc mục ti u điều khiển tốt - Thiết kế mơ hình cụ thể để kiểm nghiệm kết đạt đƣợc nhằm phục vụ cho việc nghi n cứu - Tính tốn th m sai số trung bình sai số độ lệch chuẩn quỹ đạo mô 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1] Nguyễn Phùng Quang, "Matlab & imulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động", NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 [2] Phạm Đăng Phƣớc, "Giáo trình Robot Cơng Nghiệp" [3] Lê Tiến Dũng, Đồn Quang Vinh, “Phân tích độ ng họ c cấ u hình kỳ dị củ a tay máy robot song song phẳ ng ba bậ c tự do”, Chuyên san Kỹ Thuậ t Điều Khiể n & Tự Độ ng Hóa, Tạ p chí Tự độ ng hóa ngày nay, số 5, tr 3-7, 2017 Tài liệu tiếng anh [4] GOUGH V E., WITEHALL S G., 1962,Universal Tire Test Machine, Proceedings of the 9th International Automobile Technical CongressFISITA, London (UK), ImechE (pp 117 – 137) 1962 [5] HUNT, K.H., 1983, Structural Kinematics of InParallel-Actuated Robot Arms, ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation i Design, Vol 105, pp 705-712 [6] TSAI L W., 1999, Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1999 [7] Merlet, J P., Parallel Robots, 2nd ed Springer, 2006 [8] H.R Mohammadi Daniali, P.J Zsombor-Murray, J Angeles, “Singularity Analysis of a General Class of Planar Parallel Manipulators”, International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp 1547-1552, 1995 [9] K.H Patel, V.C Nayakpara, Y.K Patel, Y.D Patel, “Workspace and singularity analysis of 3-RRR planar parallel manipulator”, International and 16th National Conference on Machines and Mechanisms, pp 1071-1077, 2013 [10] Lei Liu, Quanmin Zhu, Lei Cheng, Yongji Wang, Dongya Zhao, Applied Methods and Techniques for Mechatronic Systems Springer, 2014 [11] L Min-Jung, C Young-Kiu, An adaptive neurocontroller using RBFN for 58 robot manipulators, IEEE Trans Ind Electron 51 (2004) 711–717 [12] C Hui, Y Yiu-Kuen, L Zexiang, Dynamics and control of redundantly actuated parallel manipulators, IEEE/ASME Trans Mechatron (2003) 483–491 [13] Tien Dung Le, Hee-Jun Kang, “An Adaptive Tracking Controller for Parallel Robotic Manipulators Based on Fully Tuned Radial Basic Function Networks” Neurocomputing – Elsevier, vol 137, pp 12-23, 2014 [14] Paul, R P., “Technical Report AIM-177”, Stanford Artificial Intelligence Laboratory, 1972 [15] Hunt, L R., Su, R., Meyer, G., “Global transformations of nonlinear systems”,IEEE Transactions on Automatic Control, pp 24-31, 1983 [16] Gilbert, E.G., Ha, I J., “An approach to nonlinear feedback control with applications to robotics” IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics.14(6), pp 879-884, 1984 [17] Song, Zuoshi, et al., "A computed torque controller for uncertam robotic manipulator systems: FuZzZy approach” Buzzy Sets and Systems 154.2 (2005): 208226 [18] L Tiến Dũng, L Quang Dân, “Điều khiển đồng tính mô-men cho tay máy robot song song phẳng bặc tự do”, Chuy n san Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, Số 7(116).2017 [19] Lei Liu, Quanmin Zhu, Lei Cheng, Yongji Wang, Dongya Zhao, Applied Methods and Techniques for Mechatronic Systems Springer, 2014 ... BÁCH KHOA ĐOÀN NGỌC NHỰT ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ -MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Chuyên nghành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 80520216... đơng tính mơ men .35 3. 3 Ứng dụng logic mờ đề tài .36 3. 3.1 Khái quát điều khiển mờ 36 3. 3.2 Hệ thống logic mờ 37 3. 4 Đề xuất thuật tốn điều khiển đồng tính. .. TỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ -MEN THÍCH NGHI CHO ROBOT 3_ RRR 32 3. 1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển 32 3. 1.1 Một số phương pháp điều khiển 32 3. 1.2 Điều khiển