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, …
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hệ thống điều khiển (controller): Hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.
2.3.2. Kết cấu tay máy
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như nâng, hạ vật, lắp ráp...Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc để chỉ các bộ phận của tay máy như vai (shoulder), Cánh tay(Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),...
Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay...
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới.
- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc.
Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần công tác.
2.4 Lựa chọn sơ đồ điều khiển hệ điều khiển robot
Để robot có thể hoạt động trong môi trường và thực hiện tốt các chức năng của nó thì robot phải có một chương trình điều khiển. Chương trình này sẽ hướng dẫn robot di chuyển từ vị trí ban đầu tới đích sao cho tránh được những va chạm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trên đường đi và có thể nâng được đối tượng tới vị trí khác mong muốn. Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
- Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)
- Chuyển động quay quanh trục x, y, z ký hiệu là R (Roatation)
- Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp chuyển động (R và T) mà tay máy có kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau.
Trong luận văn này tác giả xét một cơ cấu robot 3 thanh nối trong hệ tọa độ 0xyz như hình 2.4.
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc robot 3 thanh nối
Đặt các hệ trục tọa độ lên tay máy như hình 2.4
Hệ tọa độ X0Y0Z0 được gắn cố định vào bệ máy như hình vẽ
Hệ tọa độ X1Y1Z1 gắn với tâm của chuyển động quay khớp 2 và được hình thành sau phép quay hệ tọa độ O0 quanh trục Z0 một góc 1sau đó tịnh tiến một
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
lượng l1 theo phương trục X
Hệ tọa độ X2Y2Z2 gắn với chuyển động quay khớp 3 và được hình thành sau phép hệ tọa độ O1 quay trục Z1 một góc 2 sau đó tịnh tiến một khoảng l2 theo phương trục X
Hệ tọa độ X3Y3Z3 gắn với bàn kẹp của Robot, hệ tọa độ này được hình thành bằng cách quay hệ tọa độ O2 quanh trục Z2 một góc 3 hay Rot(z2, 3) sau đó tịnh tiến một khoảng l3 theo phương trục X.
- Thanh I có khối trụ tròn có bán kính R, khối lượng m1, chiều dài l1. - Thanh II có khối lượng m2 chiều dài l2.
- Thanh III có khối lượng m3, chiều dài l3.
2.4.1 Thiết lập các phƣơng trình động học cơ bản
Khi hệ trục làm việc theo một quỹ đạo không gian theo yêu cầu, thì một điểm i bất kỳ của quỹ đạo không gian được xác định trong hệ tọa độ i bằng bán kính ri thì trong hệ tọa độ i-1 được xác định bằng bán kính véc tơ ri - 1:
ri - 1 = Airi
Trong đó Ai là ma trận biến đổi tọa độ từ (i - 1) sang tọa độ i:
1 0
b A
Ai i i (2.1)
Ma trận Ai ở dạng khối như (2.1) bao gồm: Ma trận Ui cấp 3x3. Tương ứng với chuyển động quay, ma trận bi cấp 3x1. Tương ứng với chuyển động tịnh tiến và ma trận đơn vị 1x1.
Ta xác định được các Ai như sau:
1 1 1 1 1 1 1 cos sin 0 0 sin cos 0 0 A Rot(Z ) 0 0 1 0 0 0 0 1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 0 0 0 1 l cos sin 0 0 sin cos 0 0 0 0 1 ) , Z ( Rot A 1 2 2 2 2 2 2 2 (2. 2) 1 0 0