1.4.1. Vài nét về lịch sử phát triển
Năm 1970, Lee nghiên cứu về mối liên quan giữa lý thuyết tập mờ với mạng nơron đã đánh dấu sự ra đời của bộ điều khiển nơron mờ. Phát triển trên nền công trình đó, năm 1971 đã xuất hiện thiết bị tự động với cơ chế suy diễn mờ theo nguyên lý mạng nơron, tuy nhiên vẫn còn ở mức độ thấp.
Thập kỷ 80-90 được xem là thời kỳ nở rộ của các công trình nơron mờ với những ứng dụng trong nhận dạng ảnh, trong hệ thống hỗ trợ quyết định, trong cơ chế suy diễn nơron mờ. Nguyên nhân của sự phát triển đó là do: sự phát triển của mạng nơron Hopfield, Tank, tiếp nối là sự hoàn thiện thuật toán lan truyền ngược của Rumelhart, Hinton, Williams, Nauck, Kruse cho mạng MLP và nguyên nhân nữa thúc đẩy sự phát triển này là các sản phẩm logic mờ ở Nhật Bản phát triển mạnh mẽ và các chíp mờ đã được ứng dụng trong điều khiển máy giặt, nồi cơm điện, máy điều hòa…
1.4.2. Logic mờ
Đối với logic mờ, ta dễ dàng thiết kế một hệ thống mong muốn chỉ bằng các luật Nếu - thì (If-Then) gần với việc xử lý của con người. Với đa số ứng dụng thì điều này cho phép tạo ra lời giải đơn giản hơn, trong khoảng thời gian ngắn hơn. Thêm nữa, ta dễ dàng sử dụ ng những hiểu biết của mình về đối tượng để tối ưu hệ thống một cách trực tiếp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tuy nhiên, đi đôi với các ưu điểm hệ điều khiển mờ còn tồn tại một số khuyết điểm như việc thiết kế và tối ưu hóa hệ logic mờ đòi hỏi phải có một số kinh nghiệm về điều khiển đối tượng, đối với những người mới thiết kế lần đầu điều đó hoàn toàn không đơn giản. Mặt khác còn hàng loạt những câu hỏi khác đặt ra cho người thiết kế mà nếu chỉ dừng lại ở tư duy logic mờ thì hầu như chưa có lời giải.
1.4.3. Mạng nơron
Đối với mạng nơron, chúng có một số ưu điểm như xử lý song song nên tốc độ xử lý rất nhanh; Mạng nơron có khả năng học hỏi; Ta có thể huấn luyện mạng để xấp xỉ một hàm phi tuyến bất kỳ, đặc biệt khi đã biết một tập dữ liệu vào/ra ...
Song nhược điểm cơ bản của mạng nơron là khó giải thích rõ ràng hoạt động của mạng nơron như thế nào. Do vậy việc chỉnh sửa trong mạng nơron rất khó khăn.
1.4.4 Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ
Một số tiêu chí cơ bản trợ giúp cho người thiết kế ở logic mờ và mạng nơron (Bảng 1.1).
Từ những phân tích ở trên ta thấy mạng nơron và logic mờ mỗi loại có một điểm mạnh và điểm yếu riêng của nó. Và những ưu điểm của mạng nơron là nhược điểm của bộ điều khiển mờ và ngược lại. Từ đó để có được ưu điểm của cả điều khiển mờ và mạng nơron trong một bộ điều khiển, người ta đã ghép chúng chung
Tiêu chí Mạng nơron Logic mờ
Thể hiện tri thức Không tường minh, khó
giải thích và khó sửa đổi.
Tường minh, dễ kiểm chứng hoạt động và dễ sửa đổi.
Khả năng học Có khả năng học thông qua
các tập dữ liệu.
Không có khả năng học, người thiết kế phải tự thiết kế tất cả.
Tính nhạy cảm với những thay đổi của mô hình
Thấp Cao
Nguồn của tri thức Từ các mẫu học Từ các kinh nghiệm chuyên gia
Lƣu giữ tri thức Trong nơron và trọng số
của từng đường ghép nối
Trong luật hợp thành và hàm thuộc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thành một hệ thống ta sẽ có một hệ lai với ưu điểm của cả hai: logic mờ cho phép thiết kế hệ dễ dàng, tường minh trong khi mạng nơron cho phép học những gì mà ta yêu cầu về bộ điều khiển. Nó sửa đổi các hàm phụ thuộc về hình dạng, vị trí và sự kết hợp hoàn toàn tự động. Điều này làm giảm bớt thời gian cũng như giảm bớt chi phí khi phát triển hệ mờ nơron
Việc ghép nối này có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau và mỗi cách ghép nối sẽ có một giá trị riêng cho một hệ thống điều khiển nhất định nào đó. Một kỹ thuật ghép nối giữa điều khiển mờ và mạng nơron đã mang lại nhiều thành công trong kỹ thuật điều khiển đó là hệ thống suy luận nơron-mờ.
Hình 1.25: Mô hình hệ nơron mờ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.4.5 Cấu trúc chung của hệ nơron mờ
1.4 Các hệ thống điều khiển dùng nơron mờ trong nƣớc và trên thế giới
Lý thuyết tập mờ và mạng nơron ra đời muộn hơn cả song nó cũng đã khẳng định được ưu thế và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là lĩnh vực điều khiển đòi hỏi chất lượng cao. Có được điều đó là do lý thuyết tập mờ, mạng nơron được kết hợp khi ứng dụng vào kỹ thuật điều khiển có nhiều ưu điểm nổi trội bởi tính linh họat trong xử lý, mềm dẻo trong khả năng ứng dụng. Hiện nay sự phát triển của hệ nơron mờ vẫn tiếp tục phát triển mạnh mẽ và nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học.
Sau đây tác giả xin giới thiệu một số công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về ứng dụng của hệ thống điều khiển dùng nơron mờ ở trong nước và trên thế giới.
1.4.1 Ứng dụng mạng nơron để điều khiển bộ bù tĩnh
- Đoàn Quang Vinh, Trần Đình Tân-Khoa Điện, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.4.2 Ứng dụng mạng nơron mờ với con lắc nghịch đảo:
Đó là khả năng cân bằng con lắc và giảm số luật từ 512 xuống 40 do nhà bác học Nauck, Klawonn, và Kruse nghiên cứu
1.4.3 Ứng dụng mạng nơron mờ để xác định độ hút mong muốn: (phụ thuộc vào dữ liệu thu thập từ thực nghiệm và các đặc tính của máy) - Nikos et al (1999) liệu thu thập từ thực nghiệm và các đặc tính của máy) - Nikos et al (1999)
Một bộ điều khiển van chuyên gia sau đó được thiết kế để tạo ra, điều chỉnh và duy trì lượng hút được tính toán bởi modul hút noron mờ. Đặc tính của toàn bộ hệ thống điều khiển độ hút được so sánh với các kết quả thực nghiệm đạt được khi sử dụng hệ thống kẹp mẫu để thực hiện với vật liệu mềm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.4.4 Ứng dụng mạng nơron mờ cho việc điều khiển nhiệt độ dùng quang phổ dạng TSK - Cheng, Chen, Lee (2006) TSK - Cheng, Chen, Lee (2006)
Mô hình này có cấu trúc 5 lớp kết hợp với bộ TSK (Takagi Sugeno Kang) truyển thống. Lớp 2 của mô hình mạng noron mờ quang phổ dạng TSK chứa các hàm chức năng kích hoạt nhiều lớp thành phần quang phổ. Mỗi hàm thành phần được tạo thành từ tổng các hàm xích ma dịch chuyển bởi các khoảng chuyển tiếp quang phổ. Một thuật toán học tự hình thành chứa thuật toán tự tập hợp (self- clustering algorithm) và thuật toán phản hồi cũng được đưa ra. Thuật toán tự tập hợp nhanh cho ước tính động các tập hợp trong không gian dữ liệu đầu vào. Thuật toán phản hồi được sử dụng để điều chỉnh các thông số.
1.4.5 Ứng dụng mạng nơron điều khiển thích nghi các hàm thành phần mờ và tối ưu hóa động học các luật mờ ngôn ngữ cho hệ thống điều khiển dao động - Yang, Tung & Liu (2005)
Cấu trúc của một mạng thuận 5 lớp được chỉ ra để xác định các luật logic mờ chính xác của hệ thống, điều chỉnh tối ưu các thông số (theo từng vùng) của các hàm thành phần, và thực hiện chính xác can thiệp mờ.
Hình 1.28: Hệ thống hút tích hợp với cánh tay robot
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN CHƢƠNG I
Chương I đã giải quyết các vấn đề sau:
- Cấu trúc của bộ điều khiển mờ, phương pháp giải mờ và tìm hiểu về các phương pháp giải mờ nâng cao.
- Cấu trúc mạng nơ ron, mạng nơ ron một lớp và mạng nơ ron nhiều lớp và phương pháp huấn luyện mạng nơ ron.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chƣơng II: KHẢO SÁT VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT 2.1 Sơ lƣợc quá trình phát triển của robot công nghiệp
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ robot ngay càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống xã hội. Thuật ngữ Robot xuất phát từ tiếng Séc (Czech) "Robota" có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Romssum's Universal Robots của Karel Capek vào năm 1921. Trong vở kịch Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundy Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là "Người máy công nghiệp" (Industrial Robot). Ngày nay người ta đã đặt tên người máy công nghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số.
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate - 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển và Nhật - 1968 theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức - 1971, Pháp -1972, … (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 trường Đại học Tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình mắt-tay, có khả năng định hướng và nhận biết bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính gọi là robot T3 (The Tomorrow). Robot này có khả năng nâng được vật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
có khối lượng lên đến 40kg.
Có thể nói Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí không nhân tạo, hệ chuyên gia…
Trong những năm sau này việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng được phát triển cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học- Điện tử
2.2 Ứng dụng của robot công nghiệp
Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Ví dụ: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò…
- Ứng dụng trong vận chuyển và bốc dỡ vật liệu: Robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi thao tác nhặt và đặt vật thể. Robot nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có khả năng bốc xếp các chi tiết có hình dạng và kích thước khác nhau nhờ các thông tin chuẩn về chi tiết lưu trữ trong bộ nhớ và robot sử dụng các cảm biến để nhận dạng các chi tiết thực
- Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu: robot thực hiện như một máy gia công. Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kẹp. Ứng dụng của robot trong công nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: Hàn điểm, hàn hồ quang liên tục, sơn phủ, công nghệ gia công kim loại…
- Ứng dụng robot trong lắp ráp và kiểm tra sản phẩm: Robot được sử dụng trong dây chuyền lắp ráp thông thường ở bốn dạng sau: lắp chi tiết vào lỗ, lắp lỗ vào chi tiết, lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ và lắp ngăn xếp. Robot cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm và kiểm tra đó là máy đo tọa độ CMM - để kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc các bộ phận cơ khí.
Ngoài ra robot được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử…. Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả ngày càng cao.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, môi trường độc hại, nhiệt độ khắc nghiệt…nhưng đem lại hiệu quả kinh tế cao hoặc thực hiện các công việc nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn. Ở Mỹ đã xuất hiện một loại công nhân mới, loại công nhân này không tham gia vào các tổ chức xã hội nhưng có khả năng làm việc 24/24h, không quan tâm đến tiền lương, tiền thưởng, lương hưu, không quan tâm đến môi trường làm việc…
Chính vì vậy vai trò của robot có ý nghĩa hết sức quan trọng . Một mặt tạo ra một năng suất và chất lượng lao động ngày càng cao mặt khác nó còn phục vụ đắc lực các hoạt động của con người.
Tuy nhiên nhược điểm của robot là chưa linh hoạt như con người trong dây chuyền tự động nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền cho nên robot hoạt động vẫn luôn luôn dưới sự giám sát của con người
Từ những phân tích trên đây ta thấy robot đảm nhiệm vai trò rất quan trọng và việc xác định vị trí của đối tượng là rất cần thiết
Nội dung của luận văn này tác giả đề cập đến vấn đề sử dụng mạng nơ-ron mờ để điều khiển cánh tay robot. Kết quả tính toán được dùng để điều khiển robot gắp vật và di chuyển đến vị trí đã đặt trước.
2.3 Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 2.3.1 Cấu trúc chung 2.3.1 Cấu trúc chung
Một robot công nghiệp bao gồm các phần cơ bản sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay (arm) để tạo các chuyển động cơ bản. Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.
Hệ thống cảm biến: Gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.