- Phát triển hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp khai triển thành đa thức để giải bài động học ngược Robot.
- Phát triển phương pháp tối ưu hoá giải bài toán động học cho robot song song, theo định hướng ghép bài toán xác định các nghiệm toán học và nghiệm điều khiển làm một bài toán duy nhất nhằm giảm thời gian chuẩn bị dữ liệu.
- Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot hở để giải quyết các bài toán khác kết hợp như tránh va chạm trong vùng làm việc, hạ thấp trọng tâm, di chuyển tối thiểu, trên cơ sở điều chỉnh miền chọn nghiệm của bài toán tối ưu, hoặc khởi tạo bài toán quy hoạch đa mục tiêu.
- Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot để khảo sát sự di động của điểm tựa công nghệ hợp lý, trong khi giải bài toán động học ngược của robot theo phương pháp các nhóm ba [8].
- Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot, trên cơ sở quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp thay vì sử dụng quy tắc DH như hiện nay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Tạ Văn Đĩnh (2000) Phương pháp tính – Giáo trình dùng cho các trường đại học kỹ thuật, NXB Giáo dục, Hà Nội tr.7- 20.
2. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Điều khiển tối ưu & Bền vững, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
3. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn khắc Kiểm (2003) Lập trình matlab, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội tr. 114- 131
4. Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật robot NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 18-55
5. B.HeiMann, W. Gerth, K popp (2008) Cơ điện tử NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 19-65
6. Nguyễn Nhật Lệ (2001) Tối ưu hóa ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 76-87
7. Tạ Duy Liêm (2004) Robot và hệ thống công nghệ robot hóa – giáo trình cao học ngành cơ khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 109-127
8. Nguyễn Thiện Phúc (2002) Robot Công Nghiệp NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 86-133
9. Nguyễn Ngọc Quỳnh, Hồ Thuần (1978) Ứng dụng ma trận trong kỹ thuật ,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 123-142
10.Trần Thế San (2003) Cơ sở nghiên cứu và sáng tạo robot , NXB Thống kê tr.27-192
11.Trần Vũ Thiệu, Bùi Thế Tâm (1998) các phương pháp tối ưu hóa NXB Giao thông vận tải , Hà Nội tr.373-389
12.Nguyễn Mạnh Tiến (2007) Điều khiển robot công nghiệp NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 59-99
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
14.Đoàn Thị Minh Trinh (1998) Công nghệ CAD/CAM NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 23-37
15.Nguyễn Phùng Quang (2006) ”Những điều cần biết về điều khiển robot ”Tạp chí tự động hóa ngày nay (68) tr 49-52
16.Nguyễn Trọng Doanh (2008) Thiết kế hệ thống đo chính xác lặp cho robot công nghiệp, Tạp chí khoa học và công nghệ các trường đại học kỹ thuật (64) NXB Bách khoa Hà Nội tr 25-29
17.Phạm Thành Long (2009) “Nghiên Cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp” Luận án Tiến sỹ kỹ thuật ĐHKTCN Thái Nguyên
18.Thái Thu Hà, Hồ Thanh Tâm (2005) Ứng dụng robot song song trong máy đo tọa độ CMM, Tuyển tập các bài báo khoa học vica 6, Hà Nội tr.162-166 19.Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2007) Nhập môn robot công nghiệp, NXB
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội tr. 128-214
20.Hoàn Kiếm, Lê Hoàng Thái (2000) Giải thuật di truyền, cách giải tự nhiên các bài toán trên máy tính, NXB Giáo dục.
Tiếng Anh
21.J. Abadie and J. Carpentier (1969) Generalization of the Wolfe reduce gradient method to the case of nonlinear constraint, optimization , Academic Press, London,pp.37-47
22. P.T boggs and J.W Tolle(2000) Sequential quadratic programming for largge – scale nonlinear optimization , J. Comput. Appl. Math .124 (1-2) 23. K. Deb (2000) An efficient constraint handling method for genetic
algorithm, Comput,Method Appl Mech.Eng . 186 (2-4) pp. 311-338
24. L. Yan and D. Ma (2001) Global Optimization for constrained nonlinear programs using line-up competition algorithm, Conpus . Oper. Res. 25, (11- 22) pp.1601-1610
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
25. M . Marthur, S. B. Karale, S.Priye, V. K. jayaraman, and B. D. Kulkani(2000), Ant Colony approach to continuos function oplimization, Ind. Eng. Chem . Res 39 (10) pp.3814- 3822.
26. M. Sakawa and K. Yauchi (2000) Floating point genetic algorithms for non convex nonlinear programming problems : revised GENOCOP III , Electron .Comm.Japan 83,(8) pp.1-9
27. A. F >Kuri- Morales and J. Guitiesrrez –Garcia (2001) Penalty functions methods for constraited optimization with genetic algorithm: a statistical analysis, Proc . 2nd Mexican International Conference on Artifician Intelligence , Springer- velag ,heideberg ,gemany ,pp.108-117
28. L. S . Lasdon , A.D. Warren , A. Jain, and M. Ratner (1978) Design and Testing of a Generalized reduce gradient code for nonlinear programming , ACM Trans . Math. Software 4 (1) pp.34-50
29. Z. Michelewicz (1995) Genetic Algorithms , numerical optimization and constraints , Proc , 6th International Conference on genetic algorithm (L. J. Eshelman , ed) , morgan Kaufmann , california , pp.151-158
30. Z. Michelewicz , M. Schoenauer (1996) Evolutionary algorithms for constrainted parameter optimization problems , Evolutionary Computation 4 (1) pp.1-32
31. Parviz E. Nikravesh (1988) Computer –Aided analysis of Mechnical systems , printed in USA, pp.19-250
32. P.M Taylor (1990) ,Robotic control ,printed in the London,pp. 12-33
33. T. Wang (2001) , Global optimization for constrained nonlinear programming , Ph. D. Thesis, Department of computer Science , University of Illinois , Illinois,pp. 1-40.
34. Ozgur Yeniay (2005) : A comparative study on optimization method for the constrained nonlinear programming problems : mathematical problems in Engineering 2005,pp.165-173.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÓM TẮT
Luận văn được trình bày trong 4 chương:
Chương 1: Trong chương này tác giả giới thiệu chung về bài toán tối ưu, bao gồm:
Giới thiệu bài toán điều khiển tối ưu tĩnh, trình bày một số phương pháp tìm nghiệm.
Giới thiệu bài toán điều khiển tối ưu động: trong đó chủ yếu giới thiệu 3 phương pháp cơ bản giải bài toán tối ưu động, đó là: phương pháp biến phân, phương pháp quy hoạch động của Bellman, phương pháp nguyên lý cực đại của Pontryagin
Chưong 2: Chương này giới thiệu về Robot công nghiệp, các đặc tính của Robot công nghiệp, chất lượng quá trình làm việc và các thông số điều khiển Robot. Giới thiệu bài toán động học ngược, mô hình toán học trong điều khiển động học ngược Robot và đưa ra yêu cầu về thời gian thực trong điều khiển động học Robot, trình bày hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực.
Chương 3: Trong chương này Luận văn trình bày về cách chuyển bài toán động học ngược về bài toán tối ưu, thành lập bài toán tối ưu cho một số loại Robot và sử dụng một số phương pháp giải để đi tìm lời giải cho một robot cụ thể: Robot cơ cấu 3 khâu phẳng (3 khớp quay). Chương này luận văn đã giải quyết hai nội dung cơ bản:
Xây dựng mô hình toán học của đối tượng điều khiển; thành lập bài toán điều khiển, trong đó đã chuyển được bài toán động học ngược robot về bài toán tối ưu dạng quy hoạch bậc hai với ràng buộc tuyến tính(dạng hình hộp). Mặc dù hàm mục tiêu có dạng siêu việt khá phức tạp nhưng với ràng buộc tuyến tính nên bài toán tối ưu chắc chắn sẽ có lời giải.
Đưa ra hai phương pháp tìm nghiệm cho bài toán tối ưu: đó là phương pháp sử dụng Optimization Toolbox và phương pháp sử dụng Giải thuật di truyền (GA). Ngoài ra đã đề xuất giải pháp chuyển hàm mục tiêu dạng bậc hai của các hàm siêu việt về dạng đa thức bằng phương pháp nội suy Lagrange, sau đó có thể dùng chính hai phương pháp trên để tìm lời giải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Lời giải của bài toán tối ưu cho kết quả chấp nhận được, với giá trị hàm mục tiêu khá nhỏ(<0,05); nghiệm tối ưu chính là các biến khớp - là các giá trị đặt cho mạch vòng điều khiển.
Chương 2,3 gồm nhiều nội dung chính của luận văn.
Chương 4: Chương này đưa ra những vấn đề đã được giải quyết trong Luận văn và một số hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật và công nghệ ở các nước trong khu vực và trên thế giới đang trong thời kỳ phát triển như vũ bão đã đưa Việt Nam đứng trước rất nhiều thời cơ vận hội và thách thức mới trên con đường hội nhập với nền kinh tế thế giới.
Để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội, phục vụ công cuộc đổi mới của đất nước đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật và công nhân lành nghề phải không ngừng nghiên cứu, học tập nâng cao trình độ để kịp thời tiếp cận làm chủ các kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại và công nghệ tiên tiến.
Các khoá đào tạo thạc sỹ tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên nhằm đào tạo những cán bộ khoa học có trình độ cao để tiếp thu và làm chủ kỹ thuật hiện đại để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và sản xuất. Là một giáo viên giảng dạy tại một trường kỹ thuật tôi rất vinh dự được học tập tại khoá đào tạo thạc sỹ khoá 10 của trường. Để đánh giá kết quả học tập trong toàn khoá học tôi được giao đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cánh tay Robot bằng phương pháp Quy hoạch phi tuyến”
Trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, các ngành công nghiệp đang phát triển hết sức nhanh chóng, nhiều nhà máy xí nghiệp được xây dựng với quy mô và công nghệ hiện đại, tiên tiến đáp ứng được nhu cầu của tình hình sản xuất hiện nay. Trong đó phải kể đến sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là sự ra đời của máy tính và công nghệ thông tin đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của nền sản xuất có tính chất tự động hoá cao, đã dần thay thế sức lao động của con người đồng thời hiệu quả của nó đem lại cho nền kinh tế là rất lớn.
Hiện nay sự xuất hiện của các Robot trong các ngành công nghiệp, cũng như trong đời sống sinh hoạt đã trở nên phổ biến. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vục khác nhau, đặc biệt trong các ngành sản xuất có tính dây truyền và công nghệ cao. Robot đóng vai trò quan trọng, chúng vừa đảm bảo độ chính xác vừa đảm bảo tính liên tục của dây truyền mà với con người hay những máy móc thông
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thường khó có thể đạt được. Đồng thời nó có thể thay thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, nơi con người khó có thể đặt chân tới như vũ trụ… Nói chung, ứng dụng của Robot là hết sức to lớn, vì vậy mà trong tương lai đây là nhân tố rất quan trọng trong sự phát triển của các ngành sản xuất của nền kinh tế hiện đại. Do vậy việc nghiên cứu các vấn đề về Robot mang tính thời sự.
Để Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cánh tay Robot bằng phương pháp Quy hoạch phi tuyến, luận văn của tôi gồm bốn chương:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về điều khiển tối ưu
Chƣơng 2: Robot công nghiệp và giới thiệu bài toán điều khiển động học ngược robot
Chƣơng 3 Giải bài toán điều khiển tối ưu cho cánh tay robot
Chƣơng 4: Kết luận và kiến nghị
Đề tài đã được hoàn thành đúng thời hạn dưới sự hướng dẫn tận tình của
PGS.TS. Nguyễn Hữu Công - Trưởng Khoa Điện Tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy giáo, cô giáo thuộc trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Vì nhiều điều kiện khách quan và khả năng của bản thân, luận văn hoàn thành chắc chắn còn thiếu sót. Rất mong sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU 1.1. Định nghĩa
Điều khiển tối ưu là một chuyên ngành cơ bản trong điều khiển tự động, nó có vai trò xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ thống để hệ thống đạt được chỉ tiêu về tính hiệu quả đã được định trước dưới dạng ( phiếm) hàm mục tiêu Q.
Trong thực tế tồn tại các bài toán điều khiển tối ưu như sau: - Bài toán tối ưu cực tiểu:
+ Xác định tham số của mô hình sao cho bình phương sai lệch trung bình giữa mô hình và đối tượng đạt giá trị nhỏ nhất, ví dụ như huấn luyện mạng nơ-ron, nhận dạng đối tượng, ...
+ Điều khiển một quá trình đạt chỉ tiêu chất lượng, kỹ thuật cho trước sao cho tổn hao năng lượng là nhỏ nhất.
+ Tạo ra một sản phẩm đạt chỉ tiêu chất lượng cho trước nhưng chi phí là nhỏ nhất.
+ Bài toán tìm đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kỳ, ví dụ như xác định quĩ đạo chuyển động của cánh tay robot, đường đi thu rác, thu tiền điện, thu tiền nước, đi chào hàng ...
- Bài toán tối ưu cực đại.
+ Tạo ra sản phẩm với chi phí cho trước, nhưng có chất lượng cao nhất. + Bài toán tìm đường căng.
- Bài toán tối ưu tác động nhanh: Thời gian xảy ra quá trình là ngắn nhất, ví dụ như điều khiển tên lửa.
1.2. Điều kiện hạn chế
Cho hệ thống nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, được mô tả bởi hệ các phương trình như sau:
y = f(x,u) được gọi là mô hình toán học u = (u1 u2 . . . ur)T là các đầu vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
y= (y1 y2 . . . ym)T là các đầu ra
Do bài toán tối ưu được thực hiện trên mô hình hệ thống, cho nên lời giải của bài toán tối ưu phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình hệ thống.
Những tín hiệu không thể mô tả được trong các phương trình trên sẽ được coi là nhiễu tác động.
1.3. Bài toán điều khiển tối ƣu
Bài toán tối ưu được xây dựng dựa trên các giả thiết sau: + Có một mô hình toán học.
+ Không có nhiễu tác động.
+ Biết các điều kiện biên của mô hình như : điểm làm việc, thời gian làm việc của hệ thống.
+ Biết miền giá trị cho phép của các đầu vào u.
+ Biết hàm mục tiêu Q mô tả tính hiệu quả mà hệ thống cần đạt được. Mục đích của điều khiển tối ưu là tìm tín hiệu tối ưu u*
để hàm mục tiêu Q đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu.
Với những giả thiết này có rất nhiều phương pháp giải bài toán điều khiển tối ưu khác nhau. Trong nội dung của Luận văn sẽ giới thiệu các phương pháp cơ bản nhất của lĩnh vực điều khiển tối ưu, được chia thành hai nhóm chính như sau:
+ Điều khiển tối ưu tĩnh. + Điều khiển tối ưu động.
1.3.1. Điều khiển tối ƣu tĩnh
Bài toán điều khiển tối ưu tĩnh là bài toán trong đó quan hệ vào, ra và biến trạng thái của mô hình không phụ thuộc vào thời gian. Giá trị đầu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào các đầu đầu vào và trạng thái tại thời điểm đó.
Mô hình hệ thống được cho như sau: