Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
`
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HÕA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT
HAI BẬC TỰ DO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật diều khiển và tự động hóa
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.
NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản
thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào
khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công
bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái nguyên, tháng 5 năm 2014
Học viên
2.1 Các hệ điều khiển kinh điển 12
2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 12
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến 12
2.2 Logic mờ và điều khiển mờ 14
2.2.1. Giới thiệu 14
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
iii
2.3. Điều khiển thích nghi : 28
2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 28
2.3.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 29
2.3.3. Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 35
2.3.4. Phương pháp ổn định của Lyapunov. 37
2.4. Kết luận 40
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO
CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 41
3.1 Mô hình toán học cánh tay robot 43
3.2 – 43
3.3 Kết luận 55
Chương 4. THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN
ROBOT RD5NT 56
4.1. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI 56
4.2. Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller) cho tay máy 2
bậc tự do 58
4.3. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC 66
4.4. Kết luận 66
Kết luận chung và kiến nghị 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các 9
Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ 10
Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu 10
Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc 11
Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA 11
Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 16
Hình 2.2. Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 17
Hình 2.3. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min 20
Hình 2.5. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min 22
Hình 2.6. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod 24
Hình 2.7. Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 25
Hình 2.8. Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 25
Hình 2.9. Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 26
Hình 2.10. Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 27
Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ 27
Hình 2.13. Hệ thích nghi tín hiệu 33
Hình 2.14. Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 35
Hình 3.1. Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 45
Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong phần mềm Matlab 45
Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab 46
Hình 3.4. Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần mềm Matlab 46
Hình 3.5. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 47
Hình 3.6. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 47
Hình 3.7. Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 49
Hình 3.8. Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ 49
Hình 3.9. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 50
Hình 3.10. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
bài toán khá phức tạp. Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trong bài toán
điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phần nâng cao
hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác đối tượng trong các
môi trường làm việc.
Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu điều khiển cánh
tay robot. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn. Chính vì lý do
trên tác giả quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do”.
Luận văn chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy
Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự
do và mô phỏng
Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT.
Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời gian và kinh nghiệm khoa học còn
nhiều hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp!
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà và các
thầy cô khác đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành bản luận văn này!
Và qua đây xin dành lời biết ơn sâu sắc đến người thân đã hết lòng động viên,
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn này!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2014
Tác giả
Nguyễn Thị Hòa
Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối
tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
3
b) Ý nghĩa thực tiễn
Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa thực tiễn rất
lớn. Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng buộc
phải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác định trước và thay đổi.
Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bất chấp
sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot
sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả lao động.
chiếc máy có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
5
người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người đồng nghĩa robot phải thoả
mãn ba nguyên tắc cơ bản sau:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra, quy
tắc này không vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Robot phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không vi phạm hai nguyên
tắc trên.
Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư cấu này
khoa học viễn tưởng robot được giới kỹ thuật hình dung như chiếc máy đặc biệt để
thay thế mình trong một số công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc,
vận chuyển, lắp ráp, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài khoảng không vũ trụ,
trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân…
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 (NC-Numerically Controlled machine tool). Năm 1952, mẫu
máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công Nghệ Massachuasetts sau
một vài năm nghiên cứu chế tạo.
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh
trong Chiến tranh thế giới lần thứ II nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người
thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài
cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ
xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ)
và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng
một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp.
Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.
như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại
robot nổi tiếng.
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học-
Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt. Có thể nói robot là sự
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
7
tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các 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…
Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot
công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng
Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) đã đạt tới trình độ rất cao như trong công nghiệp sản
xuất kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có sử dụng máy tính.
- Tự động hoá cũng được hình thành dưới dạng thiết bị hoặc dây chuyền chuyên
môn hoá theo đối tượng nó áp dụng cho sản xuất hàng khối với khối lượng lớn các
sản phẩm cùng loại.
- Tự động hoá khả trình được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất hàng loại vừa, nhỏ
đáp ứng phần lớn nhu cầu sử dụng. Sản phẩm công nghiệp dạng này có thể lập trình
hàng loạt để thay đổi chủng loại sản phẩm.
- Tự động hoá linh hoạt là dạng phát triển của TĐH khả trình nó thích hợp với
công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, có thể thay đổi đối tượng
sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người. TĐH linh hoạt được biểu diễn
dưới 2 dạng tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống linh hoạt.
- Hai đặc trưng cơ bản của robot công nghiệp:
động lực của các cơ cấu chấp hành.
+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần
thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản
thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của
môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt
động của robot. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
9
1.5. Kết cấu tay máy
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp, đó
là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc như nâng hạ vật. Ban đầu người ta
chế tạo tay máy phỏng theo tay người còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại
khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay
và khớp để chỉ các bộ phận của nó. Trong thiết kế tay máy người ta quan tâm đến các
thông số ảnh hưởng khả năng làm việc
- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay.
- Tầm với của vùg làm việc.
- Khả năng định vị, định hướng phần công tác.
Chúng có đặc điểm chung sau:
Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi
động học hở các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trượt tuỳ theo cách bố chí mà
các khớp có thể tạo ra tay máy có toạ độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, tọa độ goác và
SCARA.
+ Tay máy kiểu tọa độ Đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật.
Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm
+ Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời năm 1979 tại trường đại học
Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá
trình sản xuất. tên gọ SCARA là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot
Arm”: Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp
nên SCARA đôi khi được giải thích là “Selective Compliance Assembly Robot
Arm”. Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều
theo phương thẳng đứng. Sơ đồ của robot SCARA như hình 1.5.
Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA
1.6. Kết luận
Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một số vấn đề sau:
- Lịch sử phát triển;
- Robot công nghiệp và các ứng dụng;
- Ứng dụng robot công nghiệp.
- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Kết cấu tay máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
12
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN
2.1 Các hệ điều khiển kinh điển
Trong các hệ thống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thống điều
khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượng điều
khiển. Chất lượng của các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các
quá trình công nghệ bao gồm: chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và các chỉ
tiêu khác của dây chuyền công nghệ…
điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là tuyến tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà: là phương pháp khảo sát hệ thống trong
miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt, phương pháp này còn được gọi là
phương pháp hàm mô tả. Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng để mở rộng gần đúng
hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến.
Hàm mô tả (hay hệ số khuếch đại phức) của khâu phi tuyến là tỉ số giữa thành cơ
bản của đáp ứng đầu ra với kích thích hình sin ở đầu vào. Nếu một hệ có chứa nhiều
khâu phi tuyến ta phải gộp tất cả chúng lại để được hàm mô tả tổ hợp.
Phương pháp tuyến tính điều hoà cho phép đưa ra kết quả hợp lý và có thể dùng
cho các hệ thống bậc bất kỳ, nhưng vì là phương pháp gần đúng nên ta phải kiểm tra
lại độ chính xác bằng các kỹ thuật khác hoặc bằng mô phỏng trên máy tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn: Từ đặc tuyến phi tuyến của hệ ta chia
thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn nhỏ coi là đoạn thẳng và được mô tả bởi phương
trình tuyến tính. Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra lời giải tương đối chính xác
cho hệ phi tuyến bất kỳ. Phương trình vi phân dẫn ra trên mỗi phân đoạn là tuyến tính
và có thể giải được dễ dàng bằng các kỹ thuật tuyến tính thông dụng.
- Phương pháp mặt phẳng pha: Tiện dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2.
Trong điều khiển kinh điển, sự tác động của máy điều chỉnh được phân thành 2 vùng:
vùng tác động lớn và vùng tác động nhỏ. Vùng tác động lớn tồn tại khi hệ thống ở xa
trạng thái cân bằng, khi có tác động lớn hệ thống sẽ nhanh chóng dịch chuyển về
trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn như vậy hệ thống dễ dàng
vượt qua trạng thái cân bằng và gây độ quá điều chỉnh lớn, điều này không mong
muốn. Vì vậy khi hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùng
tác động nhỏ để giảm độ quá điều chỉnh. Xuất phát từ ý tưởng đó các bộ điều chỉnh
có cấu trúc thay đổi ra đời phát triển đã đáp ứng phần nào yêu cầu nâng cao chất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
14
lượng hệ điều khiển phi tuyến.
15
Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đại học
Berkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Sets
Theory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọng dựa
trên cơ sở lý thuyết tập mờ. Đây là một trong những phát minh quan trọng có tính
bùng nổ và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn của thực tế.
Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng
logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ
thuật cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết
định. Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fụi Electrinic
vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đường sắt Sendai.
Các ứng dụng đã và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điều chỉnh, nội suy,
phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạng trong các máy quay
video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghiệm con lắc ngược đã
được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng được sinh ra gần 100 lần
ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống”.
Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ
nhất ở Nhật. Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi,
nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, phức
tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển
không làm được.
Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phương pháp
có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển. Vì đối tượng điều khiển là
một hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các mô hình toán lý.
Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (các luật) với các dữ
liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đã ra đời. Ta lấy một
ví dụ phận biệt cá voi có tính khoa học. Ở những trường tiểu học, nhiều điều làm mọi
người ngạc nhiên, rằng cá voi là động vật có vú bởi vì: nó là loại máu nóng, đẻ con,
nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông. Hệ thống phân biệt này là một ví dụ hoàn
hoá
Thiết bị
hợp thành
Giải
mờ
Giao
diện ra
Giao diện
vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
17
b) Giao diện vào, ra: Hệ mờ là một hệ điều khiển số do đó tín hiệu đưa vào bộ
điều khiển mờ phải là tín hiệu số. Giao diện vào có nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu
tương tự thu nhận được từ đối tượng điều khiển và chuyển đổi thành tín hiệu số. Giao
diện ra có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tương tự, khuyếch đại tín hiệu điều
khiển cho phù hợp với đối tượng cụ thể. Trong thực tế, giao diện vào, ra được tích
hợp trong một CARD xử lý số chuyên dụng hoặc lắp thêm vào khe cắm mở rộng của
máy tính.
c) Khối mờ hóa: Là khối đầu tiên của bộ điều khiển mờ có chức năng chuyển
mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véc tơ µ có số chiều bằng số tập mờ
đầu vào. Số tập mờ đầu vào do người thiết kế qui định tùy thuộc đối tượng cụ thể,
nhưng thông thường không chọn quá 9 tập mờ. Hình dạng các hàm liên thuộc cũng
được tùy chọn theo hình tam giác, hình thang, hàm Gaus … Mỗi loại hàm liên thuộc
có ưu, nhược điểm riêng. Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ rõ dùng dạng hàm
liên thuộc nào là tốt nhất. Hình 1.2 minh họa phương pháp mờ hóa biến điện áp trong
khoảng từ 100V - 300V bằng 5 tập mờ dạng hàm Gaux. Khi đó ứng với mỗi giá trị rõ
x
0
Hình 2.2. Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ
Copyright: Tài liệu đại học ©