Phát triển các thuật toán thông minh điều khiển chuyển động của hệ thống robot dạng tay máy đôi

BáGI ODệCV OT O TRìNG I HC B CH KHOA H NáI * LìU TH HU PH TTRI NC CTHU TTO N TH˘NG MINH I U KHI N CHUY N áNG CếA H THăNG ROBOT D NG TAY M Y ˘I LU N NTI NS KßTHU T TÜ I UKHI NV ¸NGH´A H Nºi - 2021 B¸GI ODƯCV OT O TRìNG I HC B CH KHOA H NáI * LìU THÀ HU PH TTRI NC CTHU TTO N TH˘NG MINH I U KHI N CHUY N áNG CếA H THăNG ROBOT D NG TAY M Y ˘I Ng nh: Kÿ thut M s: 9520216 iãu khin v tỹ ng hõa LU N NTI NS KßTHU T TÜ I UKHI NV ¸NGH´A NG×˝I HײNG D N KHOA H¯C PGS TS NGUY N PH M THƯC ANH TS D×ÌNG MINH ÙC H Nºi - 2021 L˝I CAM OAN Tæi xin cam oan Ơy l cổng trnh nghiản cứu ca tổi dữợi sỹ hữợng dÔn ca PGS TS Nguyn Phm Thửc Anh v TS D÷ìng Minh øc C¡c k‚t qu£ tr…nh b y lu“n ¡n l trung thüc v ch÷a tłng ÷ỉc c¡c t¡c gi£ kh¡c cỉng bŁ C¡c thỉng tin trch dÔn lun Ăn l chnh xĂc, ữổc ch rê nguỗn gc H Ni, ng y thĂng nôm 2021 Ngữới hữợng dÔn khoa hồc Nghiản cứu sinh PGS.TS Nguy„n Ph⁄m Thưc Anh L÷u Thà Hu‚ TS D÷ìng Minh øc i L˝IC MÌN Lu“n ¡n ÷ỉc ho n th nh t⁄i Bº mæn Tü ºng hâa cæng nghi»p vi»n i»n, tr÷íng ⁄i håc B¡ch Khoa H Nºi, dữợi sỹ hữợng dÔn tn tnh, chu Ăo, y trĂch nhi»m cıa PGS.TS Nguy„n Ph⁄m Thưc Anh v TS D÷ìng Minh øc T¡c gi£ xin b y tä lỈng bi‚t ìn s¥u s›c ‚n cỉ Nguy„n Ph⁄m Thưc Anh v thy Dữỡng Minh ức cÊm thĐy rĐt may mn v vinh dỹ nhn ữổc sỹ du dt, hữợng dÔn ca thy trản ữớng nghiản cứu khoa hồc TĂc giÊ cụng xin ữổc gòi lới cÊm ỡn sƠu sc tợi TS Nguyn Danh Duy v TS Vê Duy Th nh, gi£ng vi¶n bº mỉn Tü ºng hâa cỉng nghi»p Vi»n i»n, ⁄i håc B¡ch khoa H nºi ¢ ln giúp ù phn xƠy dỹng thỹc nghiằm, cụng nhữ m⁄ch o cho lu“n ¡n T¡c gi£ xin tr¥n trång gòi lới cÊm ỡn n Ban GiĂm hiằu, Phặng sau ⁄i håc, Ban Chı nhi»m vi»n i»n, Tr÷íng ⁄i håc B¡ch Khoa H Nºi, °c bi»t l c¡c thƒy cæ gi¡o Bº mỉn Tü ºng hâa cỉng nghi»p ¢ luổn giúp ù, ng viản, to mổi trữớng hồc nghi¶n cøu thu“n lỉi cho t¡c gi£ T¡c gi£ xin ÷ỉc b y tä lỈng bi‚t ìn ‚n Ban Gi¡m hiằu trữớng i hồc iằn lỹc, cĂc anh ch ỗng nghi»p cỉng t¡c t⁄i Khoa Kÿ thu“t i»n, Tr÷íng ⁄i hồc iằn lỹc  luổn to iãu kiằn thun lổi, gióp ï v ºng vi¶n t¡c gi£ suŁt qu¡ tr…nh håc t“p v nghi¶n cøu Líi c£m ìn sau còng, t¡c gi£ xin d nh cho gia …nh, nhœng ngữới luổn yảu thữỡng, chia sÃ, ng viản tĂc giÊ vữổt qua khõ khôn ho n th nh lun ¡n Nghi¶n cøu sinh ii Mưc lưc Líi cam oan i Líi c£m ìn ii Danh möc c¡c chœ vi‚t t›t vi Danh möc c¡c k‰ hi»u to¡n håc vii Danh möc c¡c h…nh v‡ x Danh möc c¡c b£ng bi”u xi Mð ƒu Ch÷ìng T˚NG QUAN V C C PH×ÌNG PH P I U KHI N CHO H THăNG ROBOT D NG TAY M Y ˘I 1.1 TŒng quan v• h» thŁng ro 1.2 TŒng quan c¡c cæng tr… h» thŁng robot dng tay mĂ 1.2.1 CĂc phữỡng phĂp iãu 1.2.2 CĂc phữỡng phĂp iãu 1.3 B quan sĂt 1.4 K‚t lu“n ch÷ìng Chữỡng áNG HC V áNG LĩC HC CếA H TAY M Y I 17 2.1 Nguyản lỵ cĐu t⁄o v l m vi» 2.2 C¡c r ng buºc hnh hồc robot vợi i tữổng 2.2.1 MŁi quan h» giœa tay 2.2.2 MŁi quan h» giœa ta 2.2.3 MŁi quan h» gœa cıa c¡c tay m¡y 2.3 ºng lüc håc cıa h» thŁng 2.3.1 ºng n«ng cıa h» thŁ 2.3.2 Th‚ nông ca hằ thn 2.3.3 Phữỡng trnh ng lỹ 2.4 K‚t lu“n ch÷ìng Ch÷ìng THI T K I U KHI N CÌ B N CHO H TAY M Y ˘I 31 3.1 Thi‚t k‚ i•u khi”n cho h» tay 3.1.1 iãu khin lỹc cho hằ iii ng ca i tữổng theo tröc y a) Quÿ ⁄o gâc xoay b) Sai sŁ gâc xoay H…nh 4.8: Quÿ ⁄o chuy”n ºng xoay cıa Łi t÷ỉng C¡c k‚t qu£ mỉ phäng tł H…nh 4.3 Hnh 4.8 cho thĐy b iãu khin khổng cõ bị th nh phƒn b§t ành cıa mỉ h…nh bà mĐt n nh B iãu khin sò dửng mng noron RBF ” bị th nh phƒn b§t ành cıa mỉ h…nh ho⁄t ºng tŁt v Œn 63 ành, m⁄ng noron RBF  bũ ữổc th nh phn bĐt nh ca mæ h…nh thüc Quÿ ⁄o tr‰ v gâc xoay ca i tữổng  bĂm vợi qu o t, vợi quĂ iãu chnh bng khổng v sai lằch tắnh r§t nhä, nhä hìn 0,8% sai l»nh cıa mỉ hnh dữợi 10% Cặn vợi sai lằch mổ hnh lợn trản 20% hằ thng vÔn n nh, xuĐt hiằn sai lằch tắnh ca iãu khin qu o theo trửc y lợn hỡn, nhọ hỡn 2,5% Mng noron vÔn bũ ữổc th nh phn bĐt nh ca mổ hnh thỹc Trong iãu khin hằ tay mĂy ổi i tữổng, ngo i iãu khin v tr, hữợng ca i tữổng th… ki”m so¡t lüc t⁄i tr‰ ti‚p xóc cơng cn quan tƠm Do iãu khin v tr v hữợng ca i tữổng theo mt qu o tợi v tr‰ mong muŁn (và tr‰ c¥n b‹ng), t⁄i tr‰ n y y¶u cƒu tŒng hỉp lüc v mỉ men tĂc ng lản i tữổng phÊi bng khổng Trong phn ti‚p theo lu“n ¡n s‡ tr…nh b y thu“t to¡n i•u khi”n th‰ch nghi lai lüc/ tr‰ ¡p øng y¶u cƒu cıa b i to¡n °t vła ki”m so¡t lüc t⁄i kh¥u t¡c ºng cuŁi cıa c¡c tay mĂy tĂc ng lản i tữổng, ỗng thới iãu khin v tr v hữợng ca i tữổng theo mt qu ⁄o °t 4.2 i•u khi”n th‰ch nghi lai lüc/ tr‰ Vi»c ki”m so¡t lüc t⁄i tr‰ ti‚p xóc giœa kh¥u t¡c ºng cuŁi cıa tay m¡y ỉi v i tữổng l rĐt cn thit xĂc nh lỹc ti õ thữớng sò dửng cÊm bin lỹc xĂc ành nh÷ [67, 72] Nh÷ng c£m bi‚n lüc bà Ênh hững rĐt nhiãu ca tĂc ng nhiu ngo i, ngo i lüc t¡c ºng cıa hai tay m¡y tĂc ng lản i tữổng rĐt khõ o ữổc chnh x¡c v… c£m bi‚n lüc khæng th” °t t⁄i i”m tip xúc gia tay mĂy vợi i tữổng Nhữ [68]  ữa thut toĂn iãu khin thch nghi lai lüc/và tr‰ khỉng sß dưng c£m bi‚n o lüc Trong nghiản cứu n y b iãu khin thch nghi tham s cõ cĐu trúc  ữổc sò dửng, iãu n y khâ kh«n ph£i x¡c ành ch‰nh x¡c tham s bĐt nh ca hằ thng ỗng thới thut toĂn sò dửng ng lỹc hồc nghch Êo dỹa trản mỉ h… nh v t‰nh gƒn óng ºng håc nghàch £o â Khi â, c¡c bº i•u khi”n phøc t⁄p, iãu kiằn tip xúc gia khƠu tĂc ng cui ca c¡c tay m¡y v Łi t÷ỉng câ th” khỉng ÷ỉc £m b£o Trong phƒn ti‚p theo lu“n ¡n s‡ tr…nh b y b iãu khin lỹc khƠu tĂc ng cui ca cĂc tay mĂy tĂc ng lản i tữổng t⁄i tr‰ ti‚p xóc, m khỉng cƒn sß dưng cÊm bin lỹc ỗng thới phĂt trin thut toĂn thch nghi lai lüc/và tr‰, thu“t to¡n n y khæng cƒn x¡c ành ch‰nh x¡c c¡c tham sŁ b§t ành cıa mæ h…nh ºng lüc håc v khæng ph£i x¡c ành ºng lüc håc nghàch £o cıa h» thŁng 4.2.1 Thi‚t k lỹc tĂc ng lản i tữổng Vn tc tham chiu ca i tữổng ữổc nh nghắa nhữ sau: zr = (zd + ep): vỵi l ma tr“n h» sŁ x¡c ành d÷ìng Lüc mong muŁn ÷ỉc t⁄o bði ÷ỵc l÷ỉng mỉ h…nh tham chi‚u cıa Łi t÷ỉng nh÷ sau, xem [68] vỵi ^0 l v ^ tham s ữợc lữổng ca Hz; Cz v g^z ữợc lữổng ca Hz; Cz v gz: 64 0; ma trn hỗi quy cıa Łi t÷ỉng Lu“t c“p nh“t c¡c tham sŁ ºng lüc håc cıa t÷ỉng düa theo Li-Slotine [116] ÷ỉc ÷a nh÷ sau: Y0(z; zr; zr) l Łi _ ^0 = vỵi l ma tr“n h» sŁ x¡c ành d÷ìng, v s0 l tŁc tham chi‚u cıa Łi t÷ỉng s = z z r = ep Lüc thit k tĂc dửng lản i tữổng ữổc cp nht dỹa trản ữợc lữổng cĂc tham s ng lỹc hồc cıa Łi t÷ỉng Lüc thi‚t k‚ t⁄i c¡c i”m ti‚p xúc phÊi thọa mÂn mi quan hằ phữỡng trnh (4.8) Do â, lüc thi‚t k‚ t⁄i i”m ti‚p xóc ÷æc ÷a nh÷ sau: F 4.2.2 d + d = E Fz : i•u khi”n lai lüc/ tr‰ Bº i•u khi”n lai lüc/ tr‰ m khỉng ph£i sß dưng c£m bi‚n o lüc t⁄i i”m ti‚p xóc ữổc ã xuĐt nhữ sau: = Sai s ữợc lữổng ca cĂc tham s ca i tữổng ữổc nh nghắa = ^0 0, â phƒn sai sŁ ºng lüc håc cıa Łi t÷ỉng thu ÷ỉc Y0(z; z; z) Y0(z; zr; zr) ^0 = Hz s0 + C0s0 Y0(z; zr; zr) Xem x†t h» thŁng Œn ành theo tiảu chu'n Lyapunov, vy h m Lyapunov ữổc ã xuĐt nhữ sau: 0: V= vợi 0=^ o h m cıa h m Lyapunov ph÷ìng tr…nh (4.33) thu ÷ỉc: _ T V=s Hs+ Vợi lut iãu khin (4.31), sò dưng h» ph÷ìng tr…nh (4.30), ph÷ìng tr…nh (4.23) th‚ v o ph÷ìng tr…nh (4.13) ºng lüc håc cıa h» thŁng ÷æc mæ t£: H p p p =W (x) Th‚ ph÷ìng tr…nh (4.35) v o ph÷ìng tr…nh ⁄o h m ca h m Lyapunov (4.34), sò dửng B ã 4.2 ỗng thới sò dửng phữỡng trnh (4.29) v phữỡng trnh (4.32) ⁄o h m cıa h m Lyapunov x¡c ành ÷æc nh÷ sau: _ T V= s 65 T T A T Düa v o t‰nh ch§t cıa ma tr“n s A = (A s) v _ Theo ti¶u chu'n Lyapunov ” h» thŁng Œn ành th… ⁄o h m cıa h m Lyapunov ph£i l mºt h m x¡c _ nh Ơm nghắa l V Do vy ~ T tr(W tr Lu“t c“p nh“t trång sŁ cıa mng noron ữổc xĂc nh: W= Nhữ vy vợi thut toĂn iãu khin ã xuĐt phữỡng trnh (4.31), lut c“p nh“t tham sŁ cıa Łi t÷ỉng ph÷ìng tr…nh (4.29), v lu“t c“p nh“t trång sŁ cıa m⁄ng noron ph÷ìng tr…nh (4.36) Theo ti¶u chu'n Œn ành cıa Lyapunov th… h» thŁng Œn ành 4.2.3 Mỉ phäng ki”m chøng tr¶n Matlab/Simulink xĂc minh kt lun trản ca b iãu khin ã xuĐt, b iãu khin v ng hồc kn ca hằ thng ữổc mổ phọng trản Matlab/simulink Qu o chuy”n ºng cıa Łi t÷ỉng ÷ỉc thi‚t k‚ theo q o bc nôm, phữỡng trnh qu o v tr v gâc xoay tŁi ÷u cıa Łi t÷ỉng ÷ỉc thi‚t k‚ nhữ mửc 4.1.4 CĂc tham s ca b iãu khin Ks = diag(15; 15; 15; 15; 15; 15); = diag(350; 350; 350); = diag(0:3; 5; 0:5); = diag(10; 10) CĐu trúc v cĂc tham s ca mng noron hữợng t¥m: M⁄ng noron RBF câ ƒu v o, ƒu v 50 noron lỵp 'n Trång sŁ khði t⁄o cıa m⁄ng t⁄i thíi i”m t = l W0 = [6]50 6; T¥m cıa h m cì sð cj = [ 2; 2]50; º rºng cıa h m cì sð bj = 10; Tham sŁ håc cıa m⁄ng = diag[2:::2]50 Phƒn ti‚p theo s‡ l k‚t qu£ mỉ phäng vỵi c¡c sai l»ch kh¡c cıa mỉ h…nh 66 Mỉ phäng h» thŁng vỵi sai l»ch cıa mổ hnh l 30% cho b iãu khin cõ sò dưng m⁄ng noron RBF ” bị th nh phƒn b§t ành, v bº i•u khi”n khỉng câ bị th nh phƒn b§t ành Hp = 30%H0; Cp = 30%C0; Gp = 30%G0: K‚t qu£ mỉ phäng cıa thu“t to¡n i•u khi”n th ‰ch nghi lai lüc/và tr‰ v bº i•u khi”n lai lüc/và tr‰, vỵi q ⁄o chuy”n ºng cıa Łi t÷ỉng ÷ỉc thi‚t k‚ v lüc thi‚t k‚ theo Łi t÷ỉng ÷ỉc th” hi»n H…nh 4.9 H…nh 4.12 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 0.5 3.5 1.5 b) Sai sŁ tr‰ b iãu khin cõ bũ th nh phn bĐt nh H…nh 4.9: Q ⁄o chuy”n t÷ỉng theo trưc x 1.7 1.6 1.9 1.8 1.5 1.4 ºng cıa Łi 2.5 1.3 0.5 3.5 2.5 1.5 0.005 a) Và tr‰ cıa Łi t÷ỉng -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 0.5 2.5 1.5 3.5 b) Sai sŁ tr‰ bº i•u khi”n câ bị th nh phƒn b§t ành H…nh 4.10: Q⁄o chuy”n t÷ỉng theo trưc y 67 0.35 0.3 0.25 ºng cıa Łi 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 0.5 a) Gâc xoay cıa Łi t÷ỉng H…nh 4.12: TŒng lüc v mổ men ti tƠm ca i tữổng b iãu khin cõ bũ th nh phn bĐt nh Mổ phäng h» thŁng vỵi sai l»ch cıa mỉ h…nh l 70% cho b iãu khin cõ sò dửng mng noron RBF ” bị th nh phƒn b§t ành Hp = 70%H0; Cp = 70%C0; Gp = 70%G0: C¡c k‚t quÊ mổ phọng iãu khin v tr v hữợng ca i tữổng theo qu o t cho trữợc sai l»ch cıa mỉ h…nh l 70% ÷ỉc th” hi»n H…nh 4.13 H…nh 4.16 68 -0.005 -0.01 -0.015 -0.02 -0.025 -0.03 -0.035 -0.04 -0.045 0.5 3.5 1.5 2.5 a) Và tr‰ cıa Łi t÷ỉng b) Sai sŁ tr‰ H… nh 4.1 3: Qu ÿ ⁄o chu y”n ºng cıa Łi t÷ỉ ng the o tröc x 1.8 1.7 1.6 a) Và tr‰ cıa 0.04 1.5 0.03 1.4 0.02 Łi t÷ỉng b) Sai sŁ tr‰ 0.01 1.3 H… nh 4.1 4: Qu ÿ 0 -0.01 -0.02 -0.03 1.5 3.5 3 TIME 0.5 2.5 ⁄o chu y”n ºng cıa Łi t÷ỉ ng the o trưc y 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 H…nh 4.15: Q ⁄o gâc xoay cıa Łi t÷ỉng 69 -2 -4 0.5 3.5 1.5 2.5 H…nh 4.16: TŒng lüc v mổ men ti tƠm ca i tữổng Kt quÊ mổ phọng cho thĐy b iãu khin khổng cõ bũ th nh phn bĐt nh mĐt n nh B iãu khin sß dưng m⁄ng noron RBF ” bị th nh phƒn b§t ành cıa mỉ h…nh ho⁄t ºng tŁt v Œn nh, mng RBF  bũ ữổc th nh phn bĐt ành cıa mæ h…nh thüc Và tr‰ v gâc xoay ca i tữổng  hi tử theo qu o mong mun, vợi quĂ iãu chnh bng khổng v sai lằch tắnh gn nhữ bng khổng Nhữ Hnh 4.9 Hnh 4.12, sai s lợn nhĐt gia v tr, hữợng mong mun vợi v tr , hữợng thỹc dồc theo tröc x, tröc y v gâc xoay ch¿ l [am] (0,7%); [mm] (0,6%) v 0,007 [rad] (2%) Trong H…nh 4.12, t⁄i tr‰ c¥n b‹ng tŒng lüc ... thng robot d⁄ng tay m¡y ỉi, t¡c gi£ s‡ i ph¥n t‰ch kh¡i qu¡t v• h» thŁng robot d⁄ng tay n¡y ỉi v øng dưng cıa nâ 1.1 TŒng quan v• h» thŁng robot d⁄ng tay m¡y ỉi v øng dưng Vi»c x¡c ành thao t¡c tay. .. lắnh vỹc khĂc [16] Dü ¡n SMErobotics [17] thüc hi»n nhi»m vö l›p r¡p vỵi robot tay m¡y ỉi cỉng nghi»p th” hi»n H…nh 1.4 H…nh 1.3: FRIDA robot tay m¡y H…nh 1.5: Robot tay m¡y æi Motoman DA20 l›p... y nay, c¡c h» thng a robot  ữổc nghiản cứu rng rÂi v robot d⁄ng tay m¡y ỉi l b£n mỉ phäng ìn gi£n cıa h» thŁng n y Nh…n chung, robot d⁄ng tay mĂy ổi ữổc thit k vợi hai tay mĂy sp xp theo kiu