Kết luận chươn g3

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂNTAY MÁY ROBOT

3.3. Kết luận chươn g3

Từ nội dung được trình bày và phân tích trong chương 3, một số kết luận được rút ra như sau:

1. Thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực cho tay máy Robot được tổng hợp dựa trên cơ sở thuật tốn điều khiển thích nghi của Slotine-Li. Thuật tốn bao gồm hai vòng điều khiển. Một vòng điều khiển theo vị trí thực hiện điều khiển quỹ đạo vị trí ln bám theo một quỹ đạo đặt trước. Trong khi đó, vịng điều khiển lực thực hiện điều khiển lực tương tác giữa điểm tác động cuối tay máy Robot với môi trường luôn bám theo một lực mong muốn. Các tham số động lực học của tay máy Robot được cập nhật liên tục với luật cập nhật các tham số. Như vậy, bộ điều khiển ln thích nghi với các sự thay đổi của chính các tham số này trong khi tay máy Robot làm việc. Nội dung

nghiên cứu này đã được cơng bố trong cơng trình khoa học số [3], [5].

2. Bộ điều khiển thực hiện kết hợp giữa thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực với bộ quan sát vận tốc/lực đã được xây dựng trong chương hai. Như vậy, bộ điều khiển thực hiện điều khiển đồng thời quỹ đạo chuyển động và lực tương tác của tay máy Robot trong điều kiện có các tham số động lực học có sự thay đổi trong khi làm việc. Với sự kết hợp này, Bộ điều khiển chỉ cần sự đo lường về vị trí, các giá trị phản hồi của lực và vận tốc được lấy từ giá trị ước lượng của vận tốc và lực từ bộ quan sát. Nội dung nghiên cứu được cơng bố trong cơng trình khoa học số [5].

CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC 4.1. Xây dựng mơ hình tốn học và các tham số mơ phỏng

4.1.1. Mơ hình tốn học tay máy Robot A465

Để kiểm chứng chất lượng bộ quan sát đã được xây dựng trong chương 2 và thuật toán điều khiển đã được tổng hợp trong chương 3, các mô phỏng được thực hiện trên tay máy Robot A465 của CRS Robotics [28] như hình 4.1. tay máy Robot A465 được thiết kế với phạm vi của chuyển động và tải trọng tương đương như một cánh tay con người. Cánh tay chuyển động với 6 bậc tự do được liên kết lần lượt bằng 7 thanh nối tạo thành 6 khớp quay được mơ tả như trong hình 4.1.

Hình 4.1. Chuyển động các khớp tay máy Robot A465

Trong phạm vi nội dung của luận án, ta chỉ xét tay máy Robot với 3 khớp quay lần lượt là khớp 2, khớp 3 và khớp 5 tương tác với môi trường là một mặt phẳng nằm nghiêng. Chuyển động điểm tác động cuối của tay máy Robot được mô tả trên hình 4.4. Các khớp này lần lượt được ký hiệu lại là khớp 1,

khớp 2 và khớp 3. Với ba góc quay của các khớp lần lượt là q1, q2 và q3 được mơ tả trong hình 4.2.

Hình 4.2. Hệ tọa độ gán trên tay máy Robot

Sau khi lược bớt các khớp, tay máy Robot A465 được mô tả bằng một tay máy Robot mới R

A465 với các mơ tả hình học trong hình 4.3. Trong đó,    

 0 ,, 4  là các hệ tọa độ lần lượt được gắn trên đế, khớp 1, khớp 2, khớp 3 và điểm tác động cuối của tay máy Robot .

1 q 2 q 3 q  0 và 1  0 1 Z Z 1 X 2 X 3 X 2 Z 3 Z 0 Y 0 X 1 l 2 l 3 l  2  3  4

Hình 4.3. Mơ tả hình học tay máy Robot R

A465

Phương trình động học và các thành phần của phương trình động học tay máy

Robot R

Trong q trình thực hiện mơ phỏng, bộ điều khiển thực hiện điều khiển điểm tác động cuối của tay máy Robot R

A465 di chuyển trên một đoạn thẳng dài  

i

d 0.4 m được mơ tả bởi phương trình sau:

 x cos y sin x  0

        (4.1)

Trong đó,  T

x x y  và 2

x, y là vị trí điểm tác động cuối tay máy Robot trong hệ tọa độ Descartes.  là hướng tương ứng giữa hệ tọa độ điểm tác động cuối với hệ quy chiếu cơ sở.  là góc nghiêng của mặt phẳng,  là khoảng cách giữa mặt phẳng và trục thẳng đứng của hệ tọa độ cơ sở. Mục tiêu là điều khiển để điểm tác động cuối của tay máy Robot di chuyển theo một đoạn thẳng và luôn tác động lên bề mặt một lực cho đặt trước. Quỹ đạo mong muốn được thiết kế nội suy theo đa thức bậc 5 như sau:

2 3 4 5 d 0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 d 0 1 2 3 4 5 d x a a t a t a t a t a t y b b t b t b t b t b t 2                  (4.2)

Các tham số của chuyển động điểm tác động cuối được mơ tả trên hình 4.4.

0.4 f d i d 3 q 1 q 2 q 2 c x 1 c x 2i x 1i x 2 yx 1 xx   

Như vậy, tọa độ vị trí điểm đầu xix , x1i 2 i của quỹ đạo chuyển điểm tác động cuối được xác định là x1i   d cosi , x2 id sini , trong đó di là chiều dài của đoạn thẳng mà tay máy Robot dịch chuyển trên đó. Tương tự như vậy, tọa độ vị trí điểm cuối xf x , x1f 2 f quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối tay máy Robot được xác định là x1f  , x2 f 0.

4.1.2. Các tham số mô phỏng

Các tham số động lực học tay máy Robot sử dụng mô phỏng được lựa chọn trong bảng 1.

Bảng 1. Các tham số động lực học tay máy Robot R

A465

Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ký hiệu Giá trị Đơn vị

1 l 0.305  m I3 01.8  2 Kg.m 2 l 0.33  m m1 28.5  Kg 3 l 0.13  m m2 16.6  Kg c1 l 0.14  m m3 1.0  Kg c 2 l 0.14  m g 9.81  2 m / s c 3 l 0.07  m d1 2.6 N.m / s 1 I 0.85  2 Kg.m d2 2.5 N.m / s 2 I 0.7  2 Kg.m d3 1.5 N.m / s

Các tham số của ràng buộc chuyển động được lựa chọn như sau:

Góc nghiêng của bề mặt với trục nằm nằm ngang của hệ tọa độ gốc được

chọn 0

68

  , khoảng cách  0.35 m , góc  của vị trí ban đầu của điểm

tác động cuối tay máy Robot là 0

d

(0) 12

2 

        . Như vậy, trong suốt quá trình di chuyển, điểm tác động cuối của tay máy Robot luôn được giữ vng góc với bề mặt và sai lệch về hướng ở vị trí ban đầu bằng 0 và được mơ tả như hình 4.5. Quỹ đạo chuyển động của Robot được thực hiện mô phỏng trong khoảng thời gian là 6 s .

1 xx f d i d 2i x 1i x 2 yx 1 xx    0 

Hình 4.5. Mơ tả chuyển động của điểm tác động cuối

Điểm tác động cuối tay máy Robot yêu cầu luôn đảm bảo tác động lên lên bề mặt mơi trường một lực trong q trình chuyển động. Lực này gọi là lực đặt và có giá trị như sau:

t / 2 d 3 t 12 50(1 e ) 15sin , 0 t 6[s] 2 62[N] t 6[s]                         (4.3)

Trong q trình mơ phỏng, số vòng lặp của bộ quan sát trong phương trình (2.74) được lựa chọn p3, các điểm cực của bộ quan sát trong đa thức đặc trưng (2.81) được gán lần lượt là s1     s2 s3 s4 s5 60, các hệ số i của đa thức của  s trong (2.81) được xác định lần lượt là  0 777600000I,

1 64800000I

  ,  2 2160000I,  3 36000I,  4 300I,  5 I. Trong quá trình mơ phỏng bộ quan sát và bộ điều khiển, thời cho một chu kỳ trích mẫu được chọn T1 ms . Với việc lựa chọn chu kỳ trích mẫu, trong khoảng thời gian bằng một chu kỳ trích mẫu thì các tham số động lực học của tay máy robot được giả định là không thay đổi. Giá trị chọn là đủ nhỏ để cập nhật sự

4.2. Sơ đồ mô phỏng

Sơ đồ mô phỏng tổng quát của hệ thống được mơ tả dưới hình 4.6.

Hình 4.6. Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển trong Simulink

Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm hai khối chính là khối điều khiển và khối Robot trong chuyển động ràng buộc với môi trường làm việc. Khối điều khiển thực hiện luật điều khiển được mơ tả trong phương trình (3.41). Khối robot và ràng buộc mơ tả động lực học tay máy robot được mô tả trong phương trình (2.46) và sự ràng buộc của điểm tác động cuối tay máy robot với môi trường làm việc được mơ tả trong phương trình (2.62).

Mơ phỏng được thực hiện trong hai trường hợp có nhiễu và khơng có nhiễu đo lường thơng qua khóa chuyển mạch “Manual Switch” trong hình 4.7.

Hình 4.8. Khối tạo nhiễu đo lường

Nhiễu đo lường được giả định thực hiện mô phỏng để đánh giá chất lượng của bộ điều khiển và bộ quan sát là nhiễu được tạo ra từ cộng tín hiệu đo lường vị trí với một tín hiệu ngẫu nhiên được giới hạn bởi hai giá trị là giá trị lớn nhất và nhỏ nhất được thể hiện trong hình 4.8.

Hình 4.9 Khối điều khiển

Khối điều khiển bao gồm bốn tín hiệu đầu vào, các tín hiệu đầu ra bao gồm các đáp ứng các góc khớp, tọa độ vị trí điểm tác động cuối, lực tương tác và các tín hiệu ước lượng của bộ quan sát. Các tín hiệu này được sử dụng để vẽ kết quả và đánh giá chất lượng của bộ điều khiển và bộ quan sát.

4.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét

Kết quả mô phỏng được thực hiện để minh chứng và đánh giá chất lượng của bộ quan sát vận tốc/lực và thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực đã được thiết kế trong chương 3. Mô phỏng được thực hiện trong ba trường hợp bao gồm: Trường hợp 1 thực hiện mơ phỏng khơng có sự tác động của nhiễu đo lường và sự bất định tham số động lực học của tay máy Robot . Trường hợp 2 được thực hiện có sự tác động của nhiễu đo lường. Trường hợp 3 được thực hiện với sự thay đổi của các tham số động lực học của tay máy Robot.

4.3.1. Trường hợp khơng có sự thay đổi của các tham số động lực học và khơng có sự tác động của nhiễu đo lường khơng có sự tác động của nhiễu đo lường

Khi khơng có sự tác động của nhiễu đo lường và sự thay đổi các tham số động lực học, kết quả mô phỏng được thể hiện trên các hình sau:

Hình 4.10. Đáp ứng vị trí theo trục x

Hình 4.11. Đáp ứng vị trí theo trục y

Hình 4.10, hình 4.11 và hình 4.12, thể hiện giá trị đáp ứng và giá trị đặt của tọa độ điểm tác động cuối của tay máy Robot theo trục x, y và góc . Kết quả cho thấy, giá trị đáp ứng luôn bám theo giá trị đặt. Tuy nhiên, giá trị đáp ứng của  có sai số lớn hơn của tọa độ x và và, sai lệch này được thể hiện trong hình 4.13, hình 4.14 và hình 4.15.

Hình 4.13. Sai lệch vị trí theo trục x

Hình 4.14. Sai lệch vị trí theo trục y

Hình 4.15. Sai lệch vị trí theo góc 

Các giá trị ước lượng của bộ quan sát vận tốc/lực là lực ước lượng ˆ và vận tốc ước lượng ˆq được ký hiệu trên các hình vẽ mơ phỏng tương ứng là

g

 và q . Tương tự như vậy, g  và q ii 1: 3 là đáp ứng lực của điểm tác động cuối tay máy robot và góc của các khớp.

Hình 4.16. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực đặt

Kết quả thu được trong hình 4.16 và hình 4.17 cho thấy giá trị đáp ứng lực từ bộ điều khiển và giá trị lực ước lượng từ bộ quan sát luôn bám theo giá trị lực đặt sau khoảng thời gian t0.4 s .

Hình 4.17. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực ước lượng

Các giá trị vận tốc của các khớp lần lượt được ký hiệu là V q 1 , V q 2 và  3

V q . Tương ứng với vận tốc ược lượng các khớp từ bộ quan sát được thể hiện trong các hình vẽ sau:

Hình 4.18. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 1

Hình 4.20. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 3

Hình 4.18, hình 4.19 và hình 4.20 thể hiện đáp ứng vận tốc các khớp và giá trị ước lượng của vận tốc các khớp từ bộ quan sát. Tại thời điểm t0, ta có

ˆ

q  q 0. Từ kết quả thu được cho thấy giá trị vận tốc ước lượng luôn bám theo vận tốc thực sau khoảng thời gian rất nhỏ, t0.06 s .

Hình 4.21. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 1

Hình 4.22. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 2

Hình 4.23. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 3

Hình 4.21, hình 4.22 và hình 4.23 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng của các khớp rất nhỏ và thời gian đáp ứng rất ngắn.

4.3.2. Trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường

Trong trường hợp này, mơ phỏng được thực hiện trong điều kiện có sự tác động của nhiễu đo lường được mơ tả trong hình 4.8. Các nhiễu đo lường này được đưa một cách ngẫu nhiên tác động đến góc quay các khớp. Như vậy tín hiệu vị trí được phản hồi về bộ điều khiển có sự ảnh hưởng của cả tín hiệu nhiễu. Để thực hiện mô phỏng có sự tác động của nhiễu, khóa “Manual Switch” được chuyển trạng thái như trong hình 4.24.

Hình 4.24. Sơ đồ điều khiển với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.25. Đáp ứng vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.27. Sai lệch vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.25 và hình 4,26 cho thấy khi có sự tác động của nhiễu đo lường, bộ điều khiển làm việc rất tốt, thể hiện ở đáp ứng vị trí điểm tác động cuối đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian rất nhỏ t0.3 s . Sai lệch vị trí theo hai trục x , y và  được thể hiện trên hình 4.27, hình 4.28 và hình 4.29.

e y

[m

]

Hình 4.28. Sai lệch vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.29. Sai lệch vị trí theo góc  với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.31. Sai lệch lực khi có tác động của nhiễu đo lường

Các đáp ứng của lực từ bộ điều khiển và sai lệch với lực đặt được thể hiện trong hình 4.30 và hình 4.31. Kết quả mơ phỏng cho thấy, bộ điều khiển hoạt động rất hiệu quả khi có sự tác động của nhiễu đo lường. Đáp ứng lực của bộ điều khiển đạt được lực đặt sau khoảng thời gian nhỏ t0.7 s . Giá trị lực ước lượng của bộ quan sát và sai lệch lực ước lượng được thể hiện trong hình 4.32 và hình 4.33.

Hình 4.32. Lực ước lượng khi có tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.33. Sai lệch lực ước lượng khi có nhiễu đo lường

Kết qủa mơ phỏng thu được trên hình 4.33 cho thấy, sai lệch ước lượng lực của bộ quan sát NGPI tương đương với trường hợp khơng có tác động của nhiễu đo lường. Hình 4.33 thể hiện sự so sánh giữa sai lệch ước lượng lực của

bộ quan sát được xây dựng trong luận án (NGPI) với sai lệch ước lượng lực của bộ quan sát GPI được công bố trong [13] với các đánh giá sau: Thứ nhất, thời gian đáp ứng của sai lệch ước lượng lực đối với bộ quan sát NGPI