Ứng dụng logic mờ để điều khiển robot, ứng dụng trong gia công cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Mạnh Hà Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot, ứng dụng gia công khí Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Phan Bùi Khơi Hà Nội – Năm 2018 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : ………………………………… …………… Đề tài luận văn: ………………………………………… …………… .… Chuyên ngành:…………………………… ………………… … Mã số HV:………………………………… ………………… … Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: …………………………………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………………… ………………… ………………………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………… …………………………………………………………… ………………………………………………… ………………………………………………… …………………………………………………………… ……………………… Ngày Giáo viên hướng dẫn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm Tác giả luận văn Dịng điện khơng đổi LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng tơi hồn thành hướng dẫn bảo tận tình PGS.TS Phan Bùi Khôi Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn chưa công bố nghiên cứu khác Học viên Nguyễn Mạnh Hà Trang Dịng điện khơng đổi LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân nhiệt tình hướng dẫn Thầy PGS.TS Phan Bùi Khơi, tơi cịn nhận hướng dẫn nhiệt tình q Thầy Cơ, động viên ủng hộ gia đình bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS Phan Bùi Khơi người hết lịng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ giảng dạy giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hoàn thiện đề tài luận văn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đến gia đình, anh chị bạn học đồng nghiệp hỗ trợ cho nhiều suốt trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh Một lần xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018 Học viên Nguyễn Mạnh Hà Trang Dịng điện khơng đổi Mục Lục LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Danh mục từ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu 10 LỜI MỞ ĐẦU 11 Lý chọn đề tài 11 Mục đích nghiên cứu 11 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 12 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài 12 Phương pháp nghiên cứu 13 Chương 1: Tổng quan Robot công nghiệp ứng dụng Robot gia cơng khí 14 1.1 Giới thiệu Robot công nghiệp 14 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển 14 1.1.2 Các khái niệm Robotics 17 1.2 Ứng dụng Robot gia cơng khí 18 1.2.1 Cấu trúc Robot công nghiệp 18 1.2.2 Ứng dụng Robot gia cơng khí 20 Chương 2: Động học Robot mài bậc tự 25 2.1 Đề xuất mơ hình Robot hệ trục tọa độ Robot mài 25 2.1.1 Đề xuất mơ hình Robot 25 2.1.2 Hệ trục tọa độ Robot 26 Trang Dòng điện không đổi 2.1.3 Các ma trận truyền biến đổi tọa độ Denavit – Hartenberg 29 2.2 Bài toán động học thuận 32 2.2.1 Vị trí hướng khâu thao tác 32 2.2.2 Bài toán thuận vận tốc gia tốc 34 2.2.3 Các đồ thị thể vị trí, vận tốc gia tốc điểm tác động cuối 36 2.3 Bài toán động học ngược 42 2.3.1 Đặc trưng hình học đối tượng gia công 42 2.3.2 Phương pháp tam diện trùng theo xác định điều kiện thao tác 44 2.3.3 Giải hệ phương trình động học ngược Robot 46 2.4 Thiết kế quỹ đạo đường 50 2.5 Động lực học Robot mài 57 2.5.1 Khối lượng, tọa độ trọng tâm ten-xơ quán tính 57 2.5.2 Ma trận Jacobi (JTi) 61 2.4.3 Ma trận Jacobian JRi 69 2.4.4 Động 72 2.4.5 Thế Robot 73 2.6 Phương trình động lực học Robot viết dạng ma trận 74 Chương 3: Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot 76 3.1 Bài toán điều khiển Robot 76 3.2 Điều khiển động lực học ngược 77 3.3 Bộ điều khiển mờ 82 3.3.1 Sơ lược logic mờ 82 3.3.2 Ứng dụng logic mờ vào điều khiển Robot 84 Trang Dịng điện khơng đổi 3.3.3 Kết mô 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 Kết luận 96 Kiến nghị 96 Tài liệu tham khảo 97 Trang Dịng điện khơng đổi Danh mục từ viết tắt CNC – Computer Numerical Control IFR - International Federation of Robotics DH – Denavit Hartenberg PID – Proportional Integral Derivative PD – Proportional Derivative Trang Dòng điện khơng đổi Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Robot hàn 15 Hình 1.2: Cấu trúc chung Robot cơng nghiệp 18 Hình 1.3: Hình dạng điển hình Robot cơng nghiệp 19 Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo phận Robot công nghiệp 20 Hình 1.5: Biểu đồ phân bố Robot cơng nghiệp 21 Hình 1.6: Robot hàn 22 Hình 1.7: Robot sơn vỏ tơ BMW 23 Hình 1.8: Robot phay 24 Hình 1.9: Robot mài 24 Hình 2.1: Mơ hình Robot mài bậc tự 25 Hình 2.2: Gắn hệ trục tọa độ vào mơ hình Robot 26 Hình 2.3: Các tham số động học Denavit – Hartenberg 28 Hình 2.4: Quỹ đạo điểm E 37 Hình 2.5: Đồ thị vị trí điểm thao tác E hướng khâu thao tác 37 Hình 2.6: Đồ thị vị trí khâu thao tác 38 Hình 2.7: Đồ thị hướng khâu thao tác 38 Hình 2.8: Đồ thị vận tốc dài điểm E 38 Hình 2.9: Đồ thị vận tốc dài điểm E theo phương 39 Hình 2.10: Đồ thị vận tốc góc khâu E 39 Hình 2.11: Vận tốc góc khâu E theo phương 39 Hình 2.12: Đồ thị gia tốc dài điểm E 40 Hình 2.13: Đồ thị gia tốc dài điểm E theo phương 40 Hình 2.14: Đồ thị gia tốc góc khâu E 41 Trang Dịng điện khơng đổi Hình 2.15: Đồ thị gia tốc góc khâu E theo phương 41 Hình 2.16: Hệ tọa độ đồ gá 42 Hình 2.17: Đặc trưng hình học đối tượng gia cơng 43 Hình 2.18: Thuật toán giải biến khớp 48 Hình 2.19: Quỹ đạo di chuyển đá mài 50 Hình 2.20: Phép chuyển hệ trục tọa độ 52 Hình 2.21: Mô Robot MATLAB 53 Hình 2.22: Đồ thị tọa độ điểm cuối 53 Hình 2.23: Đồ thị vị trí khâu 55 Hình 2.24: Đồ thị vận tốc khâu 56 Hình 2.25: Đồ thị gia tốc khâu 57 Hình 3.1: Các hệ tọa độ trung gian 76 Hình 3.2: Mơ hình điều khiển động lực học ngược 79 Hình 3.3: Mơ hình cấu trúc điều khiển PD + lực 80 Hình 3.4: Các khối vị trí, vận tốc, gia tốc đặt 80 Hình 3.5: Khối điều khiển PD 81 Hình 3.6: Khối điều khiển Lực 81 Hình 3.7: Khối Robot 82 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn tập mờ 83 Hình 3.9: Dạng tập mờ 86 Hình 3.10: Bộ điều khiển mờ 88 Hình 3.11: Sơ đồ SIMULINK điều khiển mờ 88 Hình 3.12: Sơ đồ điều khiển mờ 89 Hình 3.13: Đồ thị góc quay khâu 92 Trang Dịng điện khơng đổi Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn tập mờ - Độ cao tập mờ F h tính theo cơng thức h = sup  F (x) xX - Miền xác định tập mờ F ký hiệu S S = s u p p F (x) = x  X |  F (x)  0 - Miền tin cậy tập mờ F ký hiệu T T = x  X |  F (x) = 1 - Phép hợp hai tập mờ X Y ký hiệu X  Y + Theo luật Max:  X Y = Max  X ,  Y  + Theo luật Sum:  XY = Min 1,  X +  Y  + Tổng trực tiếp: XY = X + Y − X Y - Phép giao hai tập mờ X, Y ký hiệu là: X  Y + Theo luật Min:  X Y = Min  X ,  Y  + Theo luật Lukasiewicz:  X Y = Max  0,  X +  Y − 1 + Theo luật Prod: XY = X Y - Phép bù tập mờ: cX = −  X - Biến ngôn ngữ: Là phần tử chủ đạo hệ thống logic mờ Một biến thường có hai miền giá trị Miền giá trị ngôn ngữ bao gồm tập hợp biến ngôn ngữ miền giá trị vật lý - Mệnh đề hợp thành Trang 83 Dịng điện khơng đổi Hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu mệnh đề suy diễn có dạng tổng qt sau: If N = ni and M = mi and … Then R = ri and K = ki and … - Luật hợp thành mờ Luật hợp thành tên gọi chung mơ hình biểu diễn hay nhiều hàm thuộc cho hay nhiều mệnh đề hợp thành Các luật hợp thành + Luật Max – Min + Luật Max – Prod + Luật Sum – Min + Luật Sum – Prod - Luật mờ cho hệ SISO có dạng If A Then B - Luật mờ cho hệ MISO có dạng “If cd1 = A1 and cd2 = A2 and … Then rs = B” - Giải mờ Giải mờ trình xác định giá trị rõ đầu từ hàm thuộc μB’(y) tập mờ B’ Có phương pháp giải mờ phương pháp cực đại phương pháp trọng tâm 3.3.2 Ứng dụng logic mờ vào điều khiển Robot Phần này, giới thiệu trình thiết kế điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động Robot khâu Mỗi khâu điều khiển điều khiển logic mờ riêng biệt Mỗi điều khiển logic mờ sử dụng cho khâu Robot hệ thống có hai đầu vào đầu + Hai đầu vào gồm: Một đầu vào sai số vị trí khớp động e đầu vào sai số vận tốc 𝑒̇ + Một đầu mômen tạo nên nguồn động lực khớp động  Trang 84 Dịng điện khơng đổi - Xác định đầu vào đầu Xác định sai lệch vị trí e = [e1,…,e5] Xác định sai lệch vận tốc de = [de1,…,de5] Xác định lượng điều chỉnh mô men lực u = [ u1,…, u5] e1,2,3,4,5 Bộ điều khiển Torque 1,2,3,4,5 mờ de1,2,3,4,5 - Mờ hóa Miền giá trị vật lý chia thành miền nhỏ, miền nhỏ mô tả tập mờ F, tập mờ F miêu tả cho giá trị ngơn ngữ Chúng ta có giá trị ngơn ngữ Giá trị ngơn ngữ Chú thích AL Âm lớn AN Âm nhỏ Z Zero DN Dương nhỏ DL Dương lớn Bảng 7: Giá trị ngôn ngữ Biến ngôn ngữ, giá trị hàm liên thuộc điều khiển mờ: Bộ điều khiển mờ cho khâu gồm biến ngôn ngữ: e1; de1; 1 - Sai số vị trí khớp động e1 e1 = { âm lớn, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương lớn } e1= { AL, AN, Z, DN, DL } - Sai số tốc độ de1 de1 = { âm lớn, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương lớn } Trang 85 Dịng điện khơng đổi de1 = { AL, AN, Z, DN, DL } - Mômen tạo nên nguồn động lực khớp động 1 1 = { âm lớn, âm nhỏ, không, dương nhỏ, dương lớn } 1 = { AL, AN, Z, DN, DL } Tương tự cho khâu lại 2, 3, 4, Các hàm liên thuộc điều khiển mờ có dạng: Hình 3.9: Dạng tập mờ Xây dựng sở luật điều khiển: Xây dựng luật điều khiển cho hệ thống suy luận mờ bước quan trọng trình thiết kế điều khiển mờ Công việc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người thiết kế Cơ sở luật điều khiển mờ cho khâu gồm 25 luật bảng Ở trường hợp có hai luật kết hợp, hệ thống luật tương đối rõ ràng GTNN AL AN Z DN DL AL DL DL DL DN AN DL DN DN Z DL DN DN DN DL Z Z Z Z Z AN AN AL AN AN AL AN AL AL AL Bảng 8: Bảng FAM Trang 86 Dịng điện khơng đổi Cài đặt luật mờ cho điều khiển mờ MATLAB: Luật hợp thành đầu vào đầu cho khâu 1: Trang 87 Dịng điện khơng đổi Tương tự xây dựng cho khâu 2, 3, Ta có sơ đồ SIMULINK chương trình điều khiển mờ biểu diễn hình Bộ điều khiển mờ Hình 3.10: Bộ điều khiển mờ Hình 3.11: Sơ đồ SIMULINK điều khiển mờ Trang 88 Dịng điện khơng đổi Hình 3.12: Sơ đồ điều khiển mờ Một số nội dung M-file Trang 89 Dịng điện khơng đổi Trang 90 Dịng điện không đổi 3.3.3 Kết mô Trong trình mài, có lực tương tác lực khó xác định xác Do phương pháp điều khiển rõ gặp nhiều khó khăn thực Điều khiển mờ theo tư người, dễ điều chỉnh giúp khắc phục yếu tố động lực khơng xác định xác định khơng xác, chẳng hạn ma sát, lực cắt, … Để mô phương pháp điều khiển Robot theo luật điều khiển PD + lực ta cần có đầy đủ đại lượng động lực học phương trình vi phân chuyển động Robot Ở trường hợp mô ta giả sử yếu tố biết thực tế, q trình gia cơng mài ln tồn nhiều yếu tố ảnh hưởng tới trạng thái động lực Robot mà khó xác định đầy đủ xác Ưu điểm điều khiển mờ dễ dàng khắc phục yếu tố không xác định xác định khơng xác kể chẳng hạn lực ma sát, lực cắt, lực tương tác đá mài phôi v.v… Nếu biết đầy đủ yếu tố phương trình vi phân chuyển động Robot ta tiến hành điều khiển Tuy nhiên nhiều trường hợp dù xác phương trình vi phân chuyển động Robot ta sử dụng điều khiển mờ để điều khiển Vậy ưu điểm vượt trội việc sử dụng điều khiển mờ so với việc sử dụng điều khiển rõ (ở điều khiển PD + lực) việc điều khiển mờ tối ưu hóa việc điều khiển Robot xác trường hợp giả thiết phương trình vi phân chuyển động Robot không đúng, hai trường hợp điều khiển mờ điều khiển Cịn với điều khiển rõ ta cần phải xác định yếu tố động lực học phương trình vi phân chuyển động Robot cách xác tiến hành điều khiển được, mà việc xác định yếu tố động lực lực tương tác q trình gia cơng mài điều khó khăn Trang 91 Dịng điện khơng đổi Kết so sánh khâu trường hợp điều khiển PD + lực điều khiển mờ sau: rad rad s s Điều khiển mờ Điều khiển PD+lực Hình 3.13: Đồ thị góc quay khâu rad rad s s Điều khiển PD+lực Điều khiển mờ Hình 3.14: Sai số biến khớp Nhận xét: Kết điều khiển PD + lực Điều khiển mờ đầu vào điều khiển lực biết biểu diễn hình Do sai lệch khơng đáng kể nên đồ thị hai phương pháp điều khiển gần trùng Điều khiển mờ mang lại độ xác giống với việc điều khiển PD + lực rõ ràng có ưu điểm vượt trội điều khiển mà khơng cần biết rõ phương trình vi phân chuyển động Robot Trang 92 Dịng điện khơng đổi m m s s Điều khiển PD+lực Điều khiển mờ Hình 3.15: Đồ thị dịch chuyển khâu m m s s Điều khiển mờ Điều khiển PD+lực Hình 3.16: Sai số biến khớp rad rad s s Điều khiển PD+lực Điều khiển mờ Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu Trang 93 Dịng điện khơng đổi rad rad s s Điều khiển mờ Điều khiển PD+lực Hình 3.18: Đồ thị sai số biến khớp rad rad s s Điều khiển mờ Điều khiển PD+lực Hình 3.19: Đồ thị góc quay khâu rad rad s s Điều khiển PD+lực Điều khiển mờ Hình 3.20: Đồ thị sai số biến khớp Trang 94 Dịng điện khơng đổi rad rad s s Điều khiển mờ Điều khiển PD+lực Hình 3.21: Đồ thị góc quay khâu rad rad s s Điều khiển PD+lực Tích hợp PD+lực với mờ Hình 3.22: Đồ thị sai số biến khớp Nhận xét: Điều khiển mờ điều khiển Robot trường hợp yếu tố động lực học chưa xác định xác định khơng xác Tuy nhiên, để tăng tính ổn định hệ thống ta cần kết hợp điều khiển mờ điều khiển rõ để ổn định sai số e hệ thống gần giá trị Trang 95 Dịng điện khơng đổi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Cấu trúc Robot nghiên cứu, khảo sát tính tốn phù hợp u cầu gia cơng khí Phương pháp thiết kế quỹ đạo cho phép xây dựng chương trình linh hoạt, phục vụ thiết kế, lập trình gia cơng biên dạng khác Các kết nhận từ phương pháp nghiên cứu điều khiển rõ điều khiển động lực ngược sử dụng để làm sở kiểm chứng, so sánh với điều khiển mờ Các kết điều khiển mờ nhận cho ta độ tin cậy cao vào cho thấy khả ứng dụng điều khiển mờ để điều khiển Robot đặc biệt gia cơng khí Đối với robot gia cơng khí việc nâng cao độ xác gia cơng có ý nghĩa quan trọng việc tạo điều kiện áp dụng rộng rãi robot vào thực tế Kết nghiên cứu tạo điều kiện sở cho việc triển khai nghiên cứu ứng dụng logic mờ việc điều khiển Robot vào lĩnh vực khác Kiến nghị Sau đề tài nghiên cứu hồn tất, vận dụng liệu luận văn làm sở để nghiên cứu ứng dụng vào nghiên cứu thực tiễn Để ứng dụng rộng rãi gia công giảng dạy cần tiếp tục nghiên cứu sâu nhằm mang lại hiệu cao tối ưu hoạt động Robot Trong công trình nghiên cứu tiếp theo, tác giả cố gắng kết hợp điều khiển mờ phương pháp điều khiển rõ nhằm khai thác triệt để tối đa ưu điểm khắc phục khuyết điểm hai phương pháp Trang 96 Dịng điện khơng đổi Tài liệu tham khảo PGS.TS Phan Bùi Khôi (2009), Bài giảng robotics, Đại học Bách khoa Hà Nội GS TSKH Nguyễn Văn Khang, TS Chu Anh Mỳ (2010), Cơ sở Robot công nghiệp, NXB Lao động xã hội, Hà Nội TS Nguyễn Thiện Phúc (2006), Robot công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật PGS.TS Phan Bùi Khơi (2009), Bài tốn động học điều khiển chuyển động chương trình robot tác hợp, Tuyển tập cơng trình Hội nghị học tồn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học Tạp chí học Tập 2, tr 317-323 PGS.TS Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh (2007), Tính tốn động học robot hàn có di động Tuyển tập cơng trình hội nghị học toàn quốc lần thứ VIII, Tập 1, tr 280-293 Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, tr 59-99 Phan Bùi Khôi, Nguyễn Xuân Hồng, Nguyễn Văn Toản (2016), “Ứng dụng logic mờ điều khiển robot tác hợp gia công mài”, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa Phan Bùi Khơi, Nguyễn Xuân Hồng, Nguyễn Văn Toản, Trần Đức Trung, Nguyễn Mạnh Hà (2017), “Tích hợp ứng dụng logic mờ với điều khiển robot”, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, Tập 1, Động lực học điều khiển; Cơ học Máy Nguyễn Quang Hoàng, Bài giảng Matlab & Simulink, ĐHBKHN, 2016 10 Phan Bùi Khôi, Robotics – Tĩnh học, động lực học, thiết kế quỹ đạo chuyển động, điều khiển, ĐHBKHN 2016 Trang 97 ... 3: Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot 76 3.1 Bài toán điều khiển Robot 76 3.2 Điều khiển động lực học ngược 77 3.3 Bộ điều khiển mờ 82 3.3.1 Sơ lược logic mờ. .. tạo điều khiển loại tay máy Robot phục vụ cho cơng tự động hóa sản xuất, ứng dụng gia cơng khí cần thiết cho tương lai Mục đích nghiên cứu Luận văn trình bày đề tài: ? ?Ứng dụng logic mờ để điều khiển. .. Robot, ứng dụng gia công khí? ?? Mục đích nghiên cứu đề tài là: Thiết lập phương trình động lực học cho Robot ứng dụng gia cơng khí, xây dựng giải thuật chương trình điều khiển Robot dựa logic mờ