Xây dựng thuật toán điều khiển trượt đồng bộ thích nghi cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HUỲNH BẢO XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BA BẬC TỰ DO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HUỲNH BẢO XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Chuyên nghành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Tiến Dũng Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tự thân tơi thực Các số liệu kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên Nguyễn Huỳnh Bảo XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Học viên: Nguyễn Huỳnh Bảo Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong đề tài này, vấn đề phân tích động học, động lực học thiết kế thuật toán điều khiển trượt đồng thích cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự 3-RRR (Revolute – Revolute – Revolute) trình bày Trước hết, mơ hình động học ngược động học thuận tay máy robot 3-RRR xây dựng dựa vào phương 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 phương pháp điều khiển tính tốn lực Luận văn đưa ba phương pháp điều khiển điều khiển trượt truyền thống, trượt đồng điều khiển trượt đồng thích nghi Trong luận văn nàychúng tơi đề xuất điều khiển trượt đồng thích nghi cho tay máy robot song song phẳng cách sử dụng hệ thống logic mờ Bộ điều khiển đề xuất dựa kết hợp định nghĩa điều khiển đồng bộ, điều khiển chế độ trượt hệ thống logic mờ tự điều chỉnh trực tuyến Các kết kiểm chứng Matlab/Simulink kết hợp SolidWorks nhằm phục vụ cho việc thiết kế kích thước, 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; Điều khiển trượt đồng bộ; Điều khiển trượt đồng thích nghi DESIGN OF ADAPTIVE SYNCHRONIZED SLIDING MODE CONTROLLER FOR DEGREE OF FREEDOM PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS Abstract – In this thesis, the problems of kinematics, dynamic model and synchronous control of degree-of-freedom planar parallel robotic manipulators 3-RRR (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 end-effector 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 three control methods for the robot, they are conventional sliding mode control algorithm, synchronized sliding mode algorithm and adaptive synchronized sliding mode controller In this thesis, we propose a new adaptive synchronized sliding mode controller for planar parallel manipulators by using fuzzy logic system The proposed controller is based on the combination of the definition of synchronized control, sliding mode control and online self-tuning fuzzy logic system The results of this thesis are verified by simulation using Matlab/Simulink combined with SolidWorks, which 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, Sliding mode control, Synchronized control, Adaptive Synchronized Sliding mode controller, MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Mục đích nghiên cứu: Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiển đề tài Cấu trúc luận văn Chương - TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử phát triển Robot công nghiệp 1.1.1 Robot công nghiệp – Unimate 1.1.2 Shakey 1.1.3 1992 Robot chân Dante 1.1.4 2000 Asimo 1.2 Phân loại Robot công nghiệp: 1.2.1 Phân loại theo kết cấu 1.2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động 1.2.3 Phân loại theo ứng dụng: 1.2.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển 1.3 Giới thiệu robot song song : 1.3.1 Ứng dụng robot song song 1.3.2 Đặc điểm robot song song 1.4 Mơ hình robot 3RRR 10 1.4.1 Số bậc tự robot 3RRR 10 1.4.2 Cấu trúc robot 3RRR: 11 Chương - MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT SONG SONG PHẲNG - RRR 12 2.1 Mơ hình động học: 12 2.1.1 Mơ hình động học thuận: 12 2.1.2 Mơ hình động học ngược: 12 2.1.3 Các ma trận Jacoban: 12 2.1.4 Cấu hình kì dị Robot 3-rrr: 16 2.1.4.1 Cấu hình kì dị loại 1: 16 2.1.4.2 Cấu hình kì dị loại 2: 17 2.1.4.3 Cấu hình kì dị loại 3: 18 2.1.5 Không gian làm việc: 19 2.2 Mơ hình động lực học robot - RRR: 22 2.2.1 Mơ hình động lực học robot song song: 22 2.2.2 Động lực học robot 3RRR: 25 Chương - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG 29 – RRR 29 3.1 Điều khiển trượt truyền thống cho tay máy robot 3-RRR: 29 3.2 Thuật toán điều khiển trượt đồng cho tay máy robot 3-RRR 31 3.2.1 Sai số đồng bộ: 32 3.2.2 Sai số đồng chéo: 32 3.2.3 Kỹ thuật thiết kế điều khiển đồng bộ: 33 3.3 Đề xuất thuật toán điều khiển trượt đồng thích nghi cho tay máy robot 3RRR: 34 3.4 Thiết kế điều khiển mờ 36 Chương 4: - MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ 39 4.1 Mô phần khí robot 3-RRR: 39 4.1.1 Xây dựng mơ hình robot 3-RRR: 39 4.1.2 Xây dựng thuật toán điều khiển : 42 4.2 Kết mô đánh giá: 44 4.2.1 Thông số ban đầu: 44 4.2.2 Kết mô phỏng: 45 4.2.2.1 Kết mô bám theo quỹ đạo cho trường hợp điều khiển trượt đồng bộ: 45 4.2.2.2 Kết mô bám theo quỹ đạo cho trường hợp điều khiển trượt đồng thích nghi: 46 4.3 NHẬN XÉT: 50 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 𝜀 Sai số đồng τ Vecto lực tac động lên tay máy robot 3-RRR Vecto lực tac động lên khớp chủ động tay máy robot 3-RRR Vecto lực tac động lên khớp bị động tay máy robot 3-RRR Vecto lực tac động lên khớp chủ động bị động robot 3-RRR Vecto lực tac động lên khâu chấp hành cuối tay máy robot 3-RRR Góc xoay khâu chấp hành cuối Góc ban đầu thứ i tay may robot Ma trận Coriolis lực hướng tâm theo góc chủ động Ma trận Coriolis lực hướng tâm tổng quát e Vecto sai lệch giá trị góc mong muốn góc thực Sai số đồng chéo Sai lệch góc phi Sai lệch theo trục X Sai lệch theo trục Y Vetor lực ma sát I Ma trận đơn vị K Động L Hàm Lagrage Chiều dài thứ i Khối lượng tay máy l1 Khối lượng tay máy l2 Khối lượng khâu chấp hành cuối Khối lượng tay máy l1 Mơ men qn tính khâu l1 Mơ men qn tính khâu l2 Mơ men quán tính khâu chấp hành cuối Ma trận qn tính theo góc chủ động Ma trận qn tính tổng quát P Thế q Vector góc khớp khâu chấp hành cuối Góc chủ động Góc chủ động mong muốn Góc bị động W Ma trận góc vận tốc góc chủ động X Vetor tọa độ góc xoay khâu chấp hành cuối CÁC CHỮ VIẾT TẮT RRR Revolute – Revolute - Revolute SMC Sliding Mode Control FSMC Fuzzy Sliding Mode Control DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 4.1 Bảng thông số robot - RRR 44 4.2 Tổng hợp kết sai lệch E - RSME 49 49 Kết mơ điều khiển bám theo quỹ đạo trịn cúa điều khiển hình 4.13, 4.14 4.15 thấy điều khiển trượt đồng thích nghi cho kết bám tốt theo sai số trục X,Y khâu chấp hành cuối Để làm rõ việc so sánh kết hai điều khiển, sai lệch RSME (root- square mean error) đưa để so sánh Sai lệch RSME khâu chấp hành cuối theo tọa độ x y định nghĩa theo tác giả Weiwei Shang, Shuang Cong, Shilong Jiang đưa [22]: E – RSME = √ ∑ ( ) (4.2) Trong đó: E – RSME : Sai lệch RSME theo tọa độ x y khâu chấp hành cuối N : Số lượng giá trị lấy mẫu Sai lệch theo trục x y hệ tọa độ Descartes Bảng 4.2: Tổng hợp kết sai lệch E - RSME Bộ điều khiển Sai lệch theo quỹ đạo hình trịn (m) Điều khiển SMC 2.408 x 10-3 Điều khiển FSMC 0.943 x 10-3 Độ lợi sai lệch điều khiển FSMC so với điều khiển SMC 60.8% 50 4.3 NHẬN XÉT: Qua mô so sánh kết mô bám theo quỹ đạo hình trịn thuật tốn điều khiển trượt truyền thống, thuật toán điều khiển trượt đồng trượt đồng thích nghi có số nhận xét sau: - Thuật toán điều khiển trượt đồng khắc phục nhượt điểm điều khiển trượt truyền thống sai số nhỏ - Các kết cho thấy điều khiển đề xuất FSMC có sai số theo trục X,Y nhỏ ba phương pháp điều khiển Bộ điều khiển FSMC có tín hiệu điều khiển trở nên “mềm hóa” hạn chế tượng chattering trạng thái hệ thống mặt trượt - Có thể kết luận điều khiển đề xuất FSMC có hiệu suất hiệu so với phương pháp điều khiển SMC truyền thống phương pháp trượt đồng 51 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 mơ hình điều khiển đồng để điều khiển tay máy robot bám quỹ đạo đặt, thể ưu điểm so sánh với điều khiển SMC truyền thống Qua trình nghiên cứu đề tài đạt số kết sau: - - - Nghiên cứu mơ hình động học thuận, động học ngược, động lực học, ma trận Jacobian tay máy robot song song phẳng 3-RRR Dẫn loại cấu hình kỳ dị tay máy robot Về phương diện vật lý tốn học, tìm khơng gian làm việc loại trừ điểm kỳ dị Điều có ý nghĩa lớn với việc thiết kế quỹ đạo thuật toán điều khiển Xây dựng thuật toán điều khiển trượt truyền thống Xây dựng thuật toán điều khiển trượt đồng trượt đồng thích nghi ứng dụng thành cơng vào mơ hình đem lại kết điều khiển bám tốt quỹ đạo đặt, giảm thiểu sai số đồng thời tín hiệu điều khiển trở nên mềm dẻo hơn, hạn chế tối đa tượng rung trạng thái hệ thống mặt trượt Qua chứng minh tính đắn thuật tốn điều khiển trượt đồng thích nghi góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển tay máy robot song song phẳng bậc tự Trên sở kết đó, đề tài đề xuất số cơng việc cần thiết tương lai để phát triển thêm: - Nghiên cứu thêm thuật toán chặt chẽ ổn định độ cứng vững điều khiển đồng thích nghi - Nghiên cứu thêm thuật tốn nâng cao điều khiển trượt Noron kết hợp thuật toán để điều khiển đạt kết tốt - Thiết kế, chế tạo robot 3RRR cụ thể để kiểm nghiệm kết nghiên cứu 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Đăng Phước (2007), Robot công nghiêp, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội [2] Lê Tiến Dũng, Đồn Quang Vinh, “Phân tích động học cấu hình kỳ dị tay máy robot song song phẳng hai bậc tự do”, Chuyên san Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 8, tr 2632, 2013 [3] Lê Tiến Dũng, Lê Quang Dân, “Điều Khiển tính đồng cho tay máy Robot song song phẳng bậc tự do” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN Số: 7(116).2017 Trang: 27-32 Năm 2017 [4] Bùi Công Cường, Nguyễn Doãn Phước (2006), Hệ mờ, mạng Nơron ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỷ thuật, Hà Nội [5] Nguyễn Dỗn Phước (2015), Phân tích điều khiển hệ phi tuyến, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [6] Nguyễn Doãn Phước (2009), Lý thuyết Điều khiển nâng cao, Nhà xuất Khoa học Kỷ thuật, Hà Nội [7] Nguyễn Phùng Quang, "Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động", NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2004 Tiếng Anh [8] Merlet, J P., Parallel Robots, 2nd ed Springer, 2006 [9] Le Tien Dung, Doan Quang Vinh, "Adaptive Sliding Mode Control of Robot Manipulators Using Radial Basis Function Networks and Error Estimators", Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá VCCA-2013 [10] Ahmad A Mahfouz, Mohammed M K., Farhan A Salem, "Modeling, Simulation and Dynamics Analysis Issues of Electric Motor, for Mechatronics Applications, Using Different Approaches and Verification by MATLAB/Simulink", I.J Intelligent Systems and Applications, 2013, 05, 39-57 [11] Frank L.Lewis, Darren M.Dawson and Chaouki T.Abdallah, "Robot Manipulator Control Theory and Practice", MARCEL DEKKER, INC Second Edition [12] Lei Liu, Quanmin Zhu, Lei Cheng, Yongji Wang, Dongya Zhao, Applied Methods and Techniques for Mechatronic Systems Springer, 2014 [13] Tien Dung Le, Hee-Jun Kang, “An Adaptive Tracking Controller for Parallel 53 Robotic Manipulators Based on Fully Tuned Radial Basic Function Networks” Neurocomputing – Elsevier, vol 137, pp 12-23, 2014 [14] Tien Dung Le, Hee-Jun Kang, Young-Soo Suh, “Chattering-Free Neuro-Sliding Mode Control of 2-DOF Planar Parallel Manipulators” International Journal of Advanced Robotic Systems No Robot Arm issue, pp 1-15, 2013 [15] Lu Ren, James K Mills, Dong Sun, “Adaptive Synchronization Control of a Planar Parallel Manipulator”, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol 128, pp 976-979, 2006 [16] Yoo, Byung Kook, and Woon Chul Ham "Adaptive control of robot manipulator using fuzzy compensator." Fuzzy Systems, IEEE Transactions on 8.2 (2000): 186199 DOI: 10.1109/91.842152 ... 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; Điều khiển trượt đồng bộ; Điều khiển trượt đồng thích nghi DESIGN OF ADAPTIVE... BẢO XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG BẬC TỰ DO Chuyên nghành Mã số : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT... xảy cấu hình kỳ dị - Xây dựng thuật toán điều khiển trượt truyền thống, trượt đồng bộ, trượt đồng thích nghi cho tay máy robot song song phẳng bậc tự tượng rung tín hiệu điều khiển, giảm nhỏ sai