` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HÒA
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBỎ 2 BẬC TỰ DO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp
thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ
thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều
khiển kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần
đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ điều khiển
giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến
chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích
nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây
dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày
càng cao của nền sản xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có
nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng
phi tuyến. Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như
mong muốn. Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ
thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do.


3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY
1.1. Lịch sử phát triển
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng
1.3. Ứng dụng robot công nghiệp
1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.5. Kết cấu tay máy

Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ

Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu

4

a) Sơ đồ khối:

Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

b) Giao diện vào, ra.
c) Khối mờ .
d) Khối thiết bị hợp thành:
- Luật hợp thành Max-min:
-Luật hợp thành MAX-PROD:
-Luật hợp thành SUM-MIN:
-Luật hợp thành SUM - PROD:
e) Khối giải mờ (rõ hoá)
*Phương pháp cực đại
*Phương pháp điểm trọng tâm

6

* Phương pháp độ cao

Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ
2.3. Điều khiển thích nghi :
2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO
CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG
3.1. Xây dựng mô hình toán học cánh tay robot hai bậc tự do:

Phương trình động học của robot hai bậc tự do được miêu tả
bởi công thức sau:



8Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong
phần mềm Matlab Cấu trúc của bộ lọc đầu vào (State Variable Fiter) được mô tả như sau: Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào
trong phần mềm Matlab

9Hình 3.4. Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần
mềm Matlab
* Định nghĩa các biến vào ra: Hình 3.5: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1

10Hình 3.6: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2
* Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:


tốt ( hình 3.13, hình 3.14) với sự thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc
thang qua bộ lọc có dạng như hình 3.13, cụ thể sai lệch giữa tín hiệu đặt
và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ tầm
3
10

được
biểu thị trên hình 3.15
.
Tuy nhiên, có hiện tượng dao động khi hệ thống ở trạng
thái xác lập (hình 3.13 và 3.14). Điều này sẽ được khắc phục
bằng bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller).13

Chương 4
THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN
ROBOT RD5NT

4.1. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI
- Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển Robot tại phòng
thí nghiệm Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên. Hệ thống thực nghiệm có các thành phần: Arduino
Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) và giao tiếp với
máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (Cầu H) để điều khiển động
cơ; Mạch cầu H: Thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Động cơ dùng
để truyền động cho cánh tay robot.
- Mô hình thực nghiệm:


Hình 4.5: Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp

Nhận xét:
Bộ điều khiển PI-FUZZY cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ
chạy thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực
và quỹ đạo đặt của biến khớp điều khiển khoảng 0.05, trong các chu kỳ
tiếp theo quỹ đạo robot được điều khiển ổn định thể hiện trên hình 5.4
và hình 5.5.
Qua thực nghiệm ta thấy, khi cánh tay Robot bám theo quỹ đạo
xuống thì có hiện tượng giật, và theo quỹ đạo đi lên thì vẫn tồn tại sai
lệch tĩnh. Điều này sẽ được khắc phục khi sử dụng bộ điều khiển mờ
thích nghi trực tiếp.
4.2. Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy
Controller) cho tay máy 2 bậc tự do
Bước 1: Chọn số lượng đầu vào, và miền giá trị

16

Bước 2: Chọn dạng hàm liên thuộc đàu vào
Bước 3: Xây dựng hàm


e

được xây dựng dựa vào lập trình trên S-
function buider

Bước 4: Xây dựng luật thích nghi (cập nhật tham số) 20 Hình 4.12 So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển
Nhận xét:
Bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller)cho
đáp ứng đầu ra của hệ thống khá tốt ( hình 4.9) với sự thay đổi tín hiệu
vào có dạng bậc thang qua bộ lọc có dạng như hình 4.9, cụ thể sai lệch
giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ
tầm
4
10

được biểu thị trên hình 4.11
.

Đáp ứng đầu ra sau khoảng 1.5 chu kỳ, sai lệch giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra đã giảm dần từ 0.015 đến 0.001 hoặc 10
-4
thể hiện
trên hình 4.9 và hình 4.11. Điều này chứng tỏ bộ điều khiển mờ thích
nghi đã hiệu chỉnh các tham số của đầu ra (hình 4.12) sao cho sai lệch
điều khiển là nhỏ nhất.
Hơn nữa hiện tượng dao động nhỏ khi xác lập ở bộ điều khiển
mờ truyền thống cũng được khắc phục hoàn toàn bằng luật thích nghi
theo Lyapunov (hình 4.12)

21

23

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHI

Kết luận:
Như vậy, Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển cho cánh tay robot hai bậc tự do.
Nhiệm vụ cụ thể là “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi
cho cánh tay robot hai bậc tự do”
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các Chương sau:
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
Kết quả luận văn đã đạt được là:
Thiết kế được bộ điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh
tay robot hai bậc tự do. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng
minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều
khiển và bám theo quỹ đạo đặt trước.
Luận văn cũng đã đề xuất một phương án cải thiện chất lượng
điều khiển bằng điều khiển mờ thích nghi. Kết quả mô phỏng cho thấy
khi thông số thay đổi và nhiễu tác động vào hệ thống thì bộ điều khiển
vẫn duy trì được chất lượng.
Kiến nghị :
Với việc nghiên cứu cánh tay robot hai bậc tự do thì bộ điều