TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC – TỰ ĐỘNG HÓA NGUYỄN XUÂN VINH TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cơng trình hồn thành tại: Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm TS Nguyễn Minh Thạnh Phản biện 1: PGS TS Hoàng Trang Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Ngọc Phương Phản biện 3: PGS TS Đồng Văn Hướng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Viện tại: Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa vào hồi … …… ngày … tháng 10 năm 2015 Có thể tìm hiểu Luận án tại: Thư viện Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa; Thư viện Quốc gia CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA TÁC GIẢ [CTTG] [1] Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Ngọc Lâm (2011), “Optimization of Parallel Manipulators Using Genetic Algorithms”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử, VCM-2010, tr 242-247 Journal of Computer Science and Cybernetics, ISSN: 1813-9663, vol 27, no 1, pp 93-106 [2] Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Ngọc Lâm (2011), “Tối Ưu Hóa Thiết Kế Tay Máy Song Song Dùng Giải thuật Di Truyền Kết Hợp Tập Hợp Tối Ưu Pareto”, Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011, tr 207-214 [3] Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Ngọc Lâm (2012), “Xác Định Tập Hợp Cấu Hình Suy Biến Tay Máy Song Song Dùng Lý Thuyết Vít”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ điện tử, VCM2012, tr 754-762 [4] Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Ngọc Lâm (2013), “Điều Khiển Tay Máy Song Song Dùng Lý Thuyết Mờ Kết Hợp Giải Thuật Di Truyền”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013, tr 305-313 [5] Nguyễn Xuân Vinh, Lê Quốc Hà, Nguyễn Ngọc Lâm, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Minh Thạnh (2014), “Experimental System for the Optimization of the Parallel Manipulator Control”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử, VCM-2014, tr 280-287 Journal of Computer Science and Cybernetics, ISSN: 1813-9663, vol 31, no 2, pp 83-96 [6] Nguyen Xuan Vinh, Nguyen Ngoc Lam, Le Quoc Ha, Le Hoai Quoc, Nguyen Minh Thanh, (2015), “Optimal Design and Control of a StewartGough Platform”, 7th IEEE International Conferences on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), Cambodia CƠNG TRÌNH THAM GIA CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Minh Thanh, Victor Glazunov, Tran Cong Tuan, Nguyen Xuan Vinh (2010), Multi-criteria optimization of the parallel mechanism with actuators located outside working space”, The 11th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, IEEE 2010, Singapore MỞ ĐẦU Tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: gia công khí xác, giải phẫu y học, thiên văn học, mơ chuyển động, … Đó có ưu điểm vượt trội so với tay máy nối tiếp như: độ cứng vững cao, khả chịu tải trọng lớn, khả thay đổi vị trí định hướng linh hoạt, độ xác, ổn định cao, Tuy nhiên, tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform tồn nhược điểm định như: không gian làm việc bị giới hạn, thiết kế chế tạo phức tạp, giá thành cao, toán động học thuận phức tạp đặc biệt tồn điểm kỳ dị (singularities) không gian làm việc Nhằm hạn chế nhược điểm nêu trên, việc nghiên cứu tối ưu hoá thiết kế điều khiển quan tâm đặc biệt trình chế tạo vận hành tay máy Quá trình thiết kế bao gồm bước: mơ hình hóa; đánh giá khả hoạt động tay máy với ràng buộc; tối ưu hóa thiết kế theo đa tiêu chí; tối ưu hóa điều khiển phân cấp sở cấu hình tối ưu hóa thiết kế Qua tìm hiểu cơng trình cơng bố, tác giả nhận thấy cơng trình nghiên cứu phần nhiều thực cách riêng biệt hệ thống khí hệ điều khiển, mơ hoạt động, giải toán động học, tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform theo vấn đề khác Vì vậy, nghiên cứu có tính tổng thể tối ưu hóa thiết kế cấu hình khí hệ điều khiển cho tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu luận án: Xây dựng sở khoa học tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform, góp phần tạo cơng cụ để thiết kế, chế tạo hệ thống ứng dụng cụ thể Phạm vi nghiên cứu: Tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform mô hình máy tính thực nghiệm Giới hạn luận án: - Áp dụng giải pháp tối ưu hóa sử dụng giải thuật di truyền (GA), thuật toán PSI, thuật tốn GA-PSI Áp dụng lý thuyết Vít xác định cấu hình suy biến, điểm kỳ dị vùng lân cận điểm kỳ dị tay máy song song - Mơ hình thực nghiệm xây dựng với mục tiêu kiểm tra, so sánh giải thuật tối ưu hố thiết kế điều khiển, khơng địi hỏi tốc độ lớn độ xác cao - Thực nghiệm khảo sát với giải thuật điều khiển: PID Fuzzy-PID Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết dựa phương pháp mơ hình hóa, sử dụng cơng cụ điện tử - phần mềm máy tính thực tối ưu hóa thiết kế điều khiển Tiến hành kiểm chứng mơ hình thực nghiệm Nội dung nghiên cứu: - Xây dựng cơng cụ mơ hình hóa, khảo sát đánh giá khả hoạt động tay máy song song - Xây dựng giải pháp nhằm tối ưu hóa thiết kế tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform theo đa tiêu chí (số điểm làm việc, số cấu hình làm việc, độ cứng vững tay máy) - Xây dựng mơ hình thực nghiệm thực tối ưu hố cấu hình - Đề xuất thiết kế giải thuật tối ưu hóa cho điều khiển tay máy sở sử dụng thuật toán điều khiển kinh điển đại Cấu trúc luận án: Luận án trình bày 133 trang khổ A4 bao gồm: phần mở đầu, chương trình bày nội dung luận án, kết luận, danh mục cơng trình tác giả, 121 tài liệu tham khảo phụ lục Đóng góp ý nghĩa khoa học luận án: - Xây dựng sở toán học cho tối ưu hoá thiết kế, xây dựng công cụ nghiên cứu dùng để mơ hình hóa, đồng thời đánh giá tiêu chí ảnh hưởng đến khả làm việc tay máy song song kiểu Stewart– Gough Platform - Đề xuất giải pháp tối ưu hóa, xây dựng chương trình tối ưu hóa thiết kế theo đa tiêu chí cho tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform theo giải thuật di truyền GA, thuật toán PSI, phương pháp kết hợp giải thuật di truyền thuật toán PSI (GA-PSI) Đặc biệt, thuật tốn GA-PSI có khả giảm thiểu thời gian tối ưu hóa với cấu hình ban đầu xác định phù hợp theo không gian khảo sát - Xây dựng mơ hình vật lý tay máy song song có khả tái cấu hình có tính mở, cho phép kiểm chứng thuật tốn tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song - Đề xuất giải pháp tối ưu hóa điều khiển tay máy song song sở áp dụng thuật tốn điều khiển thơng minh (Fuzzy) phương pháp kết hợp (Fuzzy-PID) Ý nghĩa thực tiễn Luận án: - Trên sở kết nghiên cứu luận án, với ứng dụng thực tiễn tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform, ta xác định cấu hình thiết kế tối ưu với tiêu chí phản ánh khả làm việc như: vùng làm việc, cấu hình suy biến, độ cứng vững,… theo yêu cầu nhà thiết kế - Ứng dụng giải thuật điều khiển tối ưu đa hợp cho tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform - Kết luận án xây dựng thành quy trình, áp dụng cho tối ưu hoá thiết kế điều khiển cho tay máy song song CHƯƠNG 1: TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM VÀ CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC Nội dung chính: Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu, sở toán học làm tảng cho nghiên cứu luận án: toán động học, giới hạn động học, động lực học, cấu hình suy biến, điểm kỳ dị vùng lân cận, độ cứng vững tay máy 1.1 Tổng quan tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough 1.1.1 Giới thiệu tay máy song song Tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform có bậc tự cấu tạo mặt phẳng nền, chuyển động chân dẫn động, có khả thay đổi chiều dài kết nối với hai mặt phẳng thông qua khớp nối đầu cuối Do tay máy song song tập hợp chuỗi nhiều khâu khép kín không gian làm việc đa dạng q trình điều khiển phức tạp, địi hỏi tác động điều khiển cho khâu phải phối hợp với cách nhịp nhàng xác 1.1.2 Tình hình nghiên cứu tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Qua nghiên cứu tài liệu công bố, tác giả nhận thấy kết dừng tối ưu hoá hệ tối ưu hoá điều khiển, chưa có tính tổng thể để áp dụng vào thực tiễn cho tồn q trình thiết kế, chế tạo vận hành tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform 1.2 Các sở toán học tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Trên sở ứng dụng giải pháp dùng véc tơ khơng gian lý thuyết Vít, phương pháp xác định độ cứng vững luận án, tác giả chọn lựa phương pháp phân tích hình học (từ hai phương pháp hình học đại số) để mơ hình hóa tay máy song song 1.2.1 Phân tích hình học tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Hai hệ tọa độ {B} mặt phẳng hệ tọa độ {P} đặt chuyển động xác định véc tơ vị trí khớp nối Bi, Pi góc hợp thành chân dẫn động hai mặt phẳng 1.2.2 Mơ hình tốn tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Đối với tay máy song song, giải tốn động học ngược khơng q phức tạp Ngược lại, việc giải toán động học thuận gặp nhiều khó khăn tồn phương trình phi tuyến khơng giải tích 1.2.2.1 Động học ngược Véc tơ biểu diễn chiều dài chân dẫn động sau: Li = Pi + BP − Bi (1.8) Chiều dài chân dẫn động xác định: li  Li  Lix  Liy  Liz (1.11) 1.2.2.2 Động học thuận Theo phương pháp Newton-Raphson, để giải toán động học véc tơ biểu diễn sai lệch chiều dài tính toán thực tế (đo được) chân dẫn động: f i  X   Li T Li  Li Với Li a a (1.12) chiều dài thực tế đo chân dẫn động Bài toán động học thuận giải theo bước từ đo chiều dài thực tế chân dẫn động; Ước lượng vị trí góc hướng chuyển động; Tính ma trận chuyển đổi Euler, fi(X) dfi(X)/dt; Thực bước lặp Xn+1 – Xn đạt hội tụ mong muốn với sai số cho phép 1.2.2.3 Động lực học Phương trình động lực học hệ Stewart–Gough Platform: H (q)q  C (q, q )q   g (q)  J T (1.16) Trong đó: H(q) ma trận mơmen qn tính (n × n), ma trận đối xứng xác định dương với q  R ; C (q, q ) véc tơ thể lực quán tính ly tâm Coriolis; τg(q) véc tơ (n×1) thể mơmen xoắn tạo trọng lượng hệ τ véc tơ (n×1) thể mômen xoắn điểm thuộc khâu tác động cuối, q = [xp, yp, zp, x, y, z] T ; 1.2.2.4 Các giới hạn động học Có giới hạn động học ảnh hưởng đến hoạt động tay máy: Giới hạn chiều dài chân dẫn động; Giới hạn góc chuyển động khớp nối; Giới hạn khơng gian chân dẫn động 1.2.2.5 Lý thuyết Vít (Screw theory) cấu hình suy biến (Singularity) Các cấu hình suy biến xác định việc áp dụng lý thuyết Vít để xác định tọa độ Plücker theo trục dẫn động tuyến tính tay máy Từ tọa độ Plücker này, thiết lập ma trận để xác định giá trị chuẩn số hoạt động cấu tay máy song song Cấu hình suy biến tìm thấy tất véc tơ trục dẫn động phụ thuộc tuyến tính Các vít lực định vị dọc trục chuỗi động tuyến tính tác động lên khâu xác định tọa độ Plücker Ei: Ei = ei + ƛeoi; (i = 1, , 6) (1.20) ƛ: hệ số Clifford, (ƛ2 = 0); ei: tọa độ véc tơ (eieoi = 0) Với: Từ tọa độ Plücker vít đơn vị Ei, ta cần xác định ma trận T sau:  ex1   ex  (T )      e  x6 Trong đó: exi  e y1 ez exo1 e y1 ey ez ex o ey ey6 ez ex o ey6 o e z1  o o o  ezo2       o ez  (1.21) xBi  xAi y  yPi z z , eyi  Bi , ezi  Bi Pi Li Li Li exio  yPi ezi  zPi eyi ; eoyi  z Pi exi  xPi ezi ; ezio  xBi eyi  yBi exi Cấu hình cấu song song đặc biệt định thức ma trận T tiến đến zero, nghĩa là: det(T) = 1.2.2.6 Độ cứng vững tay máy song song Khái niệm “độ cứng vững” tay máy song song xem giá trị trung bình định thức det(T) tương ứng với cấu hình thiết kế Nếu giá trị lớn tay máy song song giảm cấu hình suy biến nâng cao độ cứng vững trình hoạt động Độ cứng vững (stiffness) xác định sau: i stiffness  j k l m n  | det (T ) | x 1 y 1 z 1  1  1  1 i j.k l.m.n (1.22) với i, j, k, l, m, n bước khảo sát khơng gian làm việc theo vị trí dịch chuyển góc chuyển động tâm khâu 1.3 Kết luận chương Chương trình bày tình hình nghiên cứu tập trung khảo sát tối ưu hố tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform Từ đó, luận án xác định nội dung nghiên cứu Tác giả trình bày sở tốn học khái niệm làm tảng để thực nghiên cứu luận án CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CƠNG CỤ MƠ HÌNH HĨA, KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART–GOUGH PLATFORM Chương trình bày kết ứng dụng sở toán học khái niệm nêu chương nhằm xây dựng công cụ nghiên cứu dùng để mơ hình hóa, đồng thời, sử dụng cơng cụ để đánh giá tiêu chí ảnh hưởng đến khả làm việc tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Bộ công cụ sử dụng cho nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế chương sau 2.1 Xây dựng công cụ mơ hình hóa tay máy song song kiểu StewartGough Platform Bộ cơng cụ mơ hình hố, luận án xây dựng, để giải toán khảo sát vùng làm việc, cấu hình làm việc, cấu hình suy biến, độ cứng vững tay máy, đánh giá tiêu chí ảnh hưởng đến khả hoạt động tay máy song song Bộ công cụ viết dạng ngôn ngữ C tạo thành M-file phần mềm Matlab Lưu đồ gồm bước: Nhập thông số -> Xác định bước dịch chuyển -> Vị trí khảo sát ban đầu -> Giải toán động học (chương 1) -> Kiểm tra ràng buộc -> Xác định cấu hình suy biến (lý thuyết Vít) -> Ghi liệu, thay đổi vị trí khảo sát -> Tính độ cứng vững -> Dựng hình 3D, biểu diễn giao diện Giao diện công cụ mơ tả hình 2.2, cho phép nhập tham số khảo sát như: thông số tay máy, vùng không gian khảo sát, giới hạn động học, số bước khảo sát theo vị trí góc hướng cột bên trái Khi tiến hành khảo sát (check workspace), máy tính thực mơ hình hóa cho kết như: số điểm làm việc, số cấu hình, vùng làm việc, thời gian khảo sát thể trực quan giao diện, dựng hình 3D, 10 2.2.3 Cấu hình làm việc với góc hướng tâm khâu thay đổi Tại điểm làm việc (tâm khâu) khảo sát khơng gian, góc hướng tâm khâu φ, θ, ψ thay đổi tạo thành cấu hình khác tay máy song song Ứng với cấu hình khác này, ta phải tính đến ràng buộc chiều dài chân dẫn động Nếu thỏa ràng buộc này, cấu hình cấu hình làm việc đạt tay máy Một điểm khảo sát tâm khâu không gian xem đạt tay máy thỏa mãn ràng buộc độ dài chân dẫn động, giới hạn góc khớp,… cho tất cấu hình khảo sát (khi thay đổi góc hướng tâm khâu) điểm khảo sát Như vậy, khảo sát theo góc hướng thay đổi, ngồi kết số tâm khâu đạt không gian ta cần phải xét đến tổng số cấu hình đạt tay máy cho dù vị trí tâm khâu khảo sát khơng thỏa mãn hết tất cấu hình khảo sát Hình 2.11 Điểm làm việc tâm khâu góc hướng thay đổi Hình 2.12 Vùng làm việc tay máy với góc hướng thay đổi Kết khảo sát cho thấy số điểm vùng làm việc tay máy giảm góc hướng tâm khâu thay đổi (hình 2.11 2.12) Các kết tiền đề cho tốn tối ưu hóa đa tiêu chí nghiên cứu chương sau 2.2.4 Áp dụng lý thuyết Vít xác định cấu hình suy biến (Singularity), điểm kỳ dị vùng lân cận tay máy song song Luận án khảo sát tìm kiếm cấu hình suy biến cho hai thiết kế khác tay máy song song với vùng không gian khảo sát 2.2.4.1 Cấu hình kiểu Stewart Gough Platform đối xứng 11 Kết khảo sát cho cấu hình đối xứng (hình 2.3) xuất cấu hình suy biến điểm kỳ dị (hình 2.14: 2.16): 3 z z 2 1 -1 -2 -2 -1 x y -1 -2 -2 x y Hình 2.14.Tập hợp điểm làm việc -1 Hình 2.15 Phân bố điểm kỳ dị 3.5 2.5 2 z z 1.5 1 0.5 -2 -4 y -4 -2 2 -2 -3 y x Hình 2.16 Một cấu hình suy biến -1 -2 x Hình 2.17 Cấu hình biến thể 2.2.4.2 Cấu hình biến thể (hình 2.17) 4 3 2 z z Đối với cấu hình biến thể khơng thấy xuất cấu hình đặc biệt điểm kỳ dị (hình 2.18, 2.19) 1 -2 -2 -1 x -2 -1 y Hình 2.18 Lân cận điểm kỳ dị với det(T) Tối ưu hóa điều khiển => Kiểm tra mô thực nghiệm 5.4 Kết luận chương Chương trình bày kết khảo sát mô điều khiển kinh điển PID, điều khiển mờ trực tiếp điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID Các kết thực nghiệm cho thấy tay máy song song kiểu Stewart-Gough hoạt động tốt với cấu hình tối ưu hóa thiết kế vùng làm việc cho trước Việc tối ưu hóa điều khiển sử dụng điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID cho kết tối ưu so với phương pháp PID truyền thống trình điều khiển chuyển động tay máy 24 KẾT LUẬN Dựa việc nghiên cứu tối ưu hoá thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform, luận án đưa kết nghiên cứu sau: Xây dựng cơng cụ mơ hình hóa tay máy song song kiểu Stewart– Gough Platform Ứng dụng cơng cụ để phân tích đánh giá tổng hợp ràng buộc (giới hạn chiều dài chân dẫn động, giới hạn góc khớp, bán kính mặt phẳng nền); xem xét tiêu chí đặc biệt ảnh hưởng đến thể tích vùng làm việc; xác định cấu hình suy biến, điểm kỳ dị vùng lân cận, độ cứng vững cho tay máy Đề xuất giải thuật tối ưu hóa thiết kế theo đa tiêu chí: giải thuật di truyền GA, thuật tốn PSI, thuật toán GA-PSI nhằm nâng cao khả hoạt động tay máy song song Trong thuật tốn GA-PSI có khả giảm thời gian tối ưu hóa thiết kế cho tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Xây dựng mơ hình thực nghiệm linh hoạt gồm hệ khí tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform có khả thay đổi cấu hình thiết kế với hệ thống điều khiển phân cấp Mơ hình sử dụng làm công cụ để kiểm tra giải thuật điều khiển khác cho trình chuyển động tay máy song song kiểu Stewart–Gough Platform Đề xuất phương pháp nâng cao chất lượng điều khiển đối tượng động học tay máy song song sở kết hợp thuật toán điều khiển kinh điển điều khiển đại (thuật toán Fuzzy, thuật toán tự chỉnh định Fuzzy-PID) Áp dụng kiểm chứng giải pháp tối ưu hóa thiết kế điều khiển vào mơ hình thực nghiệm tay máy song song kiểu Stewart– Gough Platform Kết thực nghiệm phù hợp với kết mơ máy tính cơng trình cơng bố NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform với kết hợp thuật tốn tìm kiếm ngẫu nhiên thuật tốn tìm kiếm theo biên; Giải tốn đa tiêu chí có tính đến thơng số tải trọng; Nghiên cứu, ứng dụng giải thuật điều khiển khác mơ hình thực nghiệm ... Platform”, 7th IEEE International Conferences on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), Cambodia CƠNG TRÌNH THAM GIA CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Minh Thanh,... with actuators located outside working space”, The 11th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, IEEE 2010, Singapore 1 MỞ ĐẦU Tay máy song song kiểu Stewart–Gough