CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN
5.3. Hệ thống diều khiển
39
5.3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển
Hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) sử dụng kết hợp với hệ thống thị giác máy (Machine Vision) được gắn trên hệ thống giường massage dành cho việc xoa bóp bấm huyệt massage tự động, hệ thống camera này được gắn phía trên giường massage cho việc chụp đầu người. Hệ thống trí tuệ nhân tạo dựa trên nền tảng thị giác máy này cho phép biết kích thước của đầu để từ đó đưa ra tiên đoán vị trí các huyệt massage và đường massage cũng như lực tác động bấm của đầu massage trên đầu từng người. Độ chính xác của hệ thống thị giác máy này tùy thuộc vào một số hệ số như tác động ánh sáng, tư thế nằm. Như vậy ta sẽ xác định vị trí huyệt masage, đường massage cũng như lực tác động của đầu massage dựa vào hệ thống thị giác máy tiên đoán dựa trên trí tuệ thông minh nhân tạo. Ta sẽ xây dựng massage dọc theo đường đi xây dựng trước với
vị trí xác định bởi hệ thống trí tuệ nhân tạo. Tuy nhiên nếu ta sử dụng hệ trục tuyệt đối
từ ngoài thì cần so sánh giá trị đo và giá trị tuyệt đối. Dành cho điều khiển quỹ đạo, dữ liệu vị trí/lực được so sánh với trường vị trí và lực tác động trên đầu mà giá trị tiến đến được đánh dấu. Mỗi trường vị trí/lực chỉ ra quỹ đạo tham chiếu trên vùng diện tích mà
hệ thống trí tuệ nhân tạo có thể xác định. Việc tính toán quỹ đạo được lập trình trên máy tính gắn trên hệ thống massage này còn có nhiệm vụ quản lý và giám sát các thiết
bị và điều khiển các cánh tay robot massage. Máy tính sẽ ra lệnh cho động cơ DC gắn với cánh tay thông qua bộ truyền bánh đai. Động cơ này có thể di chuyển cánh tay nhanh và chính xác như cách người kỹ thuật viên massage thường làm. Cuối cùng card tín hiệu tương tự sẽ đọc thông tin về tốc độ hệ thống massage và đây cũng chính là tín hiệu vào của bộ điều khiển. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển được chỉ ra như trong
hình 5.6. Ta có 4 tín hiệu vào là: Hệ thống thị giác máy, cảm biến lực, cảm biến lực,
đã mã hóa gia lượng (encoder). Hệ thống điều khiển sẽ cho lệnh động cơ cánh tay robot masage và nhận từ nó vị trí thật sự của hệ thống.
Hệ thống điều khiển Cơ cấu cánh tay
Robot Quỹ đạo Massage
Lực tác động
Vị trí của đầu
Massage Đầu Massage
Phản hồi lực Encoder Encoder
Hình 5.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Máy tính gắn trên giường masage được xem như là bộ điều khiển trung tâm của
hệ thống, nó có chức năng tính toán, phân tích các thông số hiện thời và xuất ra tín hiệu điều khiển cho hệ thống. Máy tính chạy trên hệ điều hành Window và được cài đặt Visual Studio C++.net, máy tính làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ hệ thống thị giác
40
máy, cảm biến lực, cảm biến dòng, các hệ thống thu thập vị trí và vận tốc từ các đã mã hóa encoder để định vị trí/lực của cánh tay robot massage đồng thời gửi dữ liệu truyền lệnh cho vi điều khiển thực hiện những lệnh như điều khiển động cơ nhằm điều khiển chuyển động tịnh tiến tạo lực của đầu massage theo yêu cầu, hoặc cho vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển vận tốc động cơ gắn trên các cánh tay robot [19]. Nói tóm lại máy tính không làm việc trực tiếp với các bộ phận cảm biến mà làm việc trực tiếp với các bộ điều khiển trung tâm. Phần chuyển động tạo lực nhấn của robot được trang bị 1 động cơ DC servo có sẵn hộp giảm tốc, phần tạo ra chuyển động của bề mặt trên 2 động cơ gắn trên cánh tay robot tạo chuyên động quay thì cũng được điều khiển bởi 2 động cơ DC servo có gắn hộp số. Đồng thời Robot cũng được trang bị 4 cảm biến lực, cảm biến dòng, hệ thống camera, hệ thống cảm biến xác định chiều sâu. Các chức năng của MCU như sau: MCU 1 nhận tín hiệu từ các cảm biến sau đó xử lý và ra quyết định, MCU 2 dùng cho quá trình điều khiển các động cơ gắn trên cơ cấu song song, MCU 3 điều khiển động cơ tạo lực nhấn và chuyển động của trục Z. Các MCU trên robot dùng Arduino Mega 2560.
5.3.2. Nguyên lý điều khiển
Trong quá trình điều khiển Robot massage nhóm đã sử dụng cấu trúc của hệ thống điều khiển 2 tầng được thiết kế để điều khiển Neural Network dựa trên việc thu thập dữ liệu của các cảm biến và so sánh nó với quỹ đạo tham chiếu để tạo ra lệnh điều khiển 2 cánh tay robot massage phù hợp theo yêu cầu. Lớp cấp độ thấp hơn sử dụng một bộ điều khiển động cơ PID cổ điển nhận lệnh điều khiển cánh tay robot massage
từ tín hiệu ra của lớp cao và điều khiển các động cơ đạt đến vị trí yêu cầu. Cấu trúc 2 tầng (lớp) này còn gọi là cấu trúc điều khiển theo tầng (cascade control).
Sơ đồ điều khiển theo tầng đặc biệt thích hợp cho việc điều khiển cánh tay robot massage, có một khoảng thời gian trễ đáng kể giữa biến tác động và biến điều khiển. Trong trường hợp này ta có thể sử dụng tín hiệu đo tức thời đáp ứng nhanh hơn
so với tín hiệu điều khiển. Trong sơ đồ này ta thấy có 2 vòng điều khiển như trong
hình 5.7. Một vòng trong được biết như vòng thứ cấp và vòng ngoài là vòng sơ cấp.
Với vòng điều khiển sơ cấp sẽ xác định vị trí cánh tay robot cần đạt và vòng điều khiển thứ cấp sẽ bám theo chuyển động quỹ đạo massage của hệ thống hướng tới vị trí cần đạt.
41
Hình 5.7 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng (cascade controller)
Vòng điều khiển ngoài sử dụng bộ điều khiển Neural Network để tìm quỹ đạo điều khiển massage yêu cầu. Mục đích của bộ điều khiển này là thu thập dữ liệu và sau
đó là xử lý thông tin này để tạo ra vị trí tham chiếu để hệ thống robot massage hướng đến. Tín hiệu vào cảm biến từ hệ thống thị giác máy sẽ xác định vị trí của điểm huyệt, đường massage cũng như lực tác động tùy theo vị trí trong vùng giám sát với tốc độ lấy mẫu là 10Hz. Mỗi giá trị đo được so sánh với quỹ đạo trong cơ sở dữ liệu tham chiếu xác định được đường đi của 2 cánh tay robot massage. Hai biên vào là sai số góc
và sai số lệch quỹ đạo. Sai số lệch là giá trị của vị trí massage Neural Network mờ sẽ
là giá trị góc quay cần đạt gửi tới bộ điều khiển và chỉ ra góc điều khiển. Ngoài ra trong hệ thống điều khiển ta sử dụng bộ điều khiển Fuzzy có 2 biến mờ đó là sai số góc và sai số lệch. Mỗi biến có 2 hàm liên thuộc dạng tam giác đó là trái và phải (left
và right). Giá trị vị trí/lực điều khiển sẽ phụ thuộc vào phía của sai số. Có 2 chế độ để điều khiển chuyển động đó là theo đường thẳng hoặc đường cong. Các chế độ này sẽ ảnh hưởng lên việc xác định hàm liên thuộc.
5.3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
Để điều khiển di chuyển của đầu massage gắn trên 2 cánh tay của robot massage thì hệ thống điều khiển vị trí được thiết kế như hình 5.8. Với lý do này, góc của mỗi khớp cánh tay dựa trên bài toán động học nghịch để tính toán vị trí. Như đã nói trong các phần trước, đầu massage phải có khả năng thực hiện các công việc xoa bóp bấm huyệt với các động tác khác nhau. Đầu massage bằng nhựa và cao su sẽ di chuyển trên đầu người vì vậy nó phải tạo ra một quỹ đạo chuyển động phù hợp với kỹ thuật massage đưa ra.
42
Bộ điều khiển vị trí Cơ cấu
Robot
Tọa độ vị trí
lưng
Encoder thực
Hiệu chỉnh phản hồi lực
+ + +
-
Encoder
Encoder
MassageĐầu Phản hồi lực
Hình 5.8 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển robot massage
Để tạo ra quỹ đạo di chuyển của robot massage dựa trên cơ sở nền tảng của y học cổ truyền cũng như những đường di chuyển cơ bản của quá trình massage trên đầu cũng như các huyệt, sự đàn hồi của da, đặc tính cơ thể thu được từ thị giác máy cũng như cơ sở dữ liệu trong hệ thống quản lý sức khỏe. Quỹ đạo di chuyển qua các điểm huyệt thông qua phép nội suy Spline. Sau đó với hệ thống quản lý sức khỏe cũng như cảm biến lực để xác định được độ đàn hồi của da từ đó xác định được.