Điều khiển rô bốt kiểu tay đôi sử dụng kỹ thuật trượt SMC

Sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt, chúng tôi thiết lập một bộ điều khiển bền vững cho trường hợp tổng quát của tay máy đôi 2n bậc tự do. Ổn định hệ thống điều khiển được chứng minh dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Để kiểm chứng chất lượng của bộ điều khiển, mô phỏng số được thực hiện cho trường hợp rô bốt tay đôi 4 bậc tự do. Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tiệm cận và bền vững khi đối mặt với sự biến đổi tham số và nhiễu ngoài.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển rô bốt kiểu tay đôi sử dụng kỹ thuật trượt SMCCHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 các công trình khoa học đăng trong kỹ yếu Hội nghị quốc tế “The 7 th TSME International Conference on Mechanical Engineering, 13-16.XII.2016 (Thái Lan).[3] LabView (có bản quyền). Phiên bản 2015.Ngày nhận bài: 11/3/2017Ngày phản biện: 23/3/2017Ngày duyệt đăng: 25/3/2017 ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT KIỂU TAY ĐÔI SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRƯỢT SMC CONTROL OF DUAL-ARM ROBOTS USING SLIDING MODE TECHNIQUE LÊ ANH TUẤN, ĐỖ ĐỨC LƯU Trường Đại học Hàng hải Việt NamTóm tắt Sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt, chúng tôi thiết lập một bộ điều khiển bền vững cho trường hợp tổng quát của tay máy đôi 2n bậc tự do. Ổn định hệ thống điều khiển được chứng minh dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov. Để kiểm chứng chất lượng của bộ điều khiển, mô phỏng số được thực hiện cho trường hợp rô bốt tay đôi 4 bậc tự do. Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tiệm cận và bền vững khi đối mặt với sự biến đổi tham số và nhiễu ngoài.Từ khóa: Rô bốt tay đôi, điều khiển trượt, ổn định Lyapunov.Abstract Using sliding mode method, we constitute a robust controller in the generalized case of 2n DOF dual-arm manipulators (DAM). The system stability is proofed based on Lyapunov theory. To investigate quality of the controller, numerical simulation is conducted for 4 DOF- DAM as an illustrating example. The control algorithm assures the asymptotical stability, the robustness of system when faced with parametric uncertainties and external disturbances.Keywords: Dual-arm robot, sliding mode control, Lyapunov stability.1. Giới thiệu chung Rô bốt kiểu tay đôi (hình 1) được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất, lắp ráphiện đại. Ở đó, rô bốt lắp ráp, vận chuyển, các linh kiện, chi tiết, máy móc thay cho con người. Đượcxếp vào nhóm rô bốt giống người (humanoid robot), nhiều mẫu rô bốt với ứng xử giống người đượcsử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và y học. Trong thực tế, rô bốt tay đôicó thể làm việc thay thế hoàn toàn cho con người trong các môi trường độc hại như nhà máy điệnhạt nhân, cứu hỏa, môi trường có nhiệt độ, độ phóng xạ cao. Ví dụ, rô bốt tay đôi dùng để nhấc vàdi chuyển các thanh nhiên liệu, thanh phóng xạ trong lò phản ứng hạt nhân. Cho đến nay, các nghiên cứu về điều khiển taymáy đôi đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu. Các kỹ thuậtđiều khiển truyền thống như hồi tiếp phi tuyến [1], tuyếntính hóa tín hiệu vào - tín hiệu ra (input-outputlinearization) [2] có thể tìm thấy trong các công trìnhnghiên cứu ban đầu về rô bốt tay đôi. Các cấu trúc điềukhiển như vậy không thể giải quyết được vấn đề thamsố biến đổi, nhiễu ngoài, và nhất là yếu tố bền vững củahệ. Điều khiển trượt (sliding mode control -– SMC) làmột trong những kỹ thuật giải quyết tốt bài toán điềukhiển bền vững khi hệ có nhiều tham số biến đổi đồngthời chịu tác động của nhiễu. Yagiz [3] đã nghiên cứuchuyển động tương tác của tay máy đôi 4 bậc tự do sửdụng kỹ thuật điều khiển trượt SMC. Mở rộng công trình Hình 1. Tay máy đôi EPSON[3], chúng tôi đề xuất một bộ điều khiển SMC chotrường hợp tổng quát hơn: tay máy đôi 2n bậc tự do. Bộ điều khiển được cải tiến cho chuyển độngtương tác của hai tay đơn, mỗi tay có n bậc tự do. Cấu trúc của luật điều khiển gồm hai thành phần:phần điều khiển quy đổi hút tín hiệu ra đến mặt trượt và phần điều khiển đóng-ngắt giữ tín hiệu raổn định trên mặt trượt. Ổn định mặt trượt cũng như ổn định tín hiệu ra được phân tích và chứngminh bằng phương pháp thứ hai Lyapunov. Mô phỏng số được áp dụng cho một tay máy đôi 4 bậctự do để kiểm chứng chất lượng của bộ điều khiển đề xuất.Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 10 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/20172. Mô hình hệ động lực2.1. Phương trình chuyển động Xét mô hình vật lý tay máy đôi 2n bậc tự do như trên hình 2. Mỗi tay có r khâu và n bậc tự do.Chuyển động của 2r khâu của hai cánh tay rô bốt được đặc trưng bởi véc tơ q  R , cũng chính 2nlà véc tơ chứa các tọa độ suy rộng của hệ. Các thông số vật lý của mỗi khâu gồm khối lượng tịnhtiến mi , khối lượng quay I i , và chiều dài li ( i  1  2r ). Thiết bị công tác (tay gắp) của hai tay rôbốt sẽ gắp và di chuyển một vật thể hình chữ nhật từ vị trí ban đầu đến vị trí yêu cầu theo một quỹđạo lập trình sẵn. Các thông số khác gồm khối lượng m và dài d1 của vật thể, khoảng cách d 2giữa hai chốt đuôi của hai tay máy. Tính chất động lực của rô bốt được đặc trưng bởi một hệ gồm 2n phương trình vi phân phituyến. Hệ này được ...