Điều khiển robot 5 bậc tự do với cơ cấu tay máy toàn khớp quay trên cơ sở ứng dụng bộ điều khiển mờ nơ ron

Bài viết này trình bày các bước thiết kế và kiểm nghiệm bộ điều khiển mờ - nơ ron (NEFCON) ứng dụng điều khiển cánh tay máy robot 5 bậc tự do (DOF) dựa vào phương pháp điều khiển các khớp độc lập. Bộ điều khiển mờ - nơ ron giúp khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển PID kinh điển.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển robot 5 bậc tự do với cơ cấu tay máy toàn khớp quay trên cơ sở ứng dụng bộ điều khiển mờ nơ ron Nghiên cứu khoa học công nghệ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5 BẬC TỰ DO VỚI CƠ CẤU TAY MÁY TOÀN KHỚP QUAY TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ NƠ RON Phan Văn Dư *, Đinh Văn Nam Tóm tắt: Bài báo này trình bày các bước thiết kế và kiểm nghiệm bộ điều khiển mờ - nơ ron (NEFCON) ứng dụng điều khiển cánh tay máy robot 5 bậc tự do (DOF) dựa vào phương pháp điều khiển các khớp độc lập. Bộ điều khiển mờ - nơ ron giúp khắc phục những nhược điểm của bộ điều khiển PID kinh điển. Phần mềm Matlab/SIMULINK được sử dụng mô phỏng, kiểm chứng và so sánh kết quả đạt được của hai phương pháp. Từ khóa: Điều khiển mờ nơ ron, Điều khiển robot, Tay máy robot 5 bậc tự do. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, Robot ngày càng phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp. Việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho robot nhằm đảm bảo yêu cầu về các chỉ chất lượng là yêu cầu thiết yếu để robot có thể hoạt động chính xác. Bài báo [8] đã trình bày một số kỹ thuật điều khiển (PID, FLC, Neural Fuzzy Controller) robot 5 DOF, tuy nhiên, kết quả đạt được còn hạn chế về chất lượng, cụ thể là độ quá điều chỉnh lớn (trên dưới 16%). Nội dung bài báo này gồm ba phần chính, phần đầu tiên trình bày về động học, động lực học cùng với việc mô hình hóa một cách rõ ràng và chi tiết các cơ cấu chấp hành cho robot. Phần hai thiết kế bộ điều khiển kinh điển PID để điều khiển đối tượng, trên cơ sở đó đề xuất một phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ - nơron nhằm nâng cao chất lượng hệ thống được trình bày ở phần hai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng kiểm chứng và có sự so sánh chi tiết sẽ trình bày ở phần 3. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN 2.1. Khảo sát đối tượng điều khiển 2.1.1. Mô hình hóa cơ cấu robot 5 bậc tự do Hình 1. Sơ đồ tay máy 5 DOF. Ta xem xét một cơ cấu tay máy 5 DOF toàn khớp quay như trong sơ đồ hình 1. Tài liệu [5] đã trình bày phương pháp xây dựng phương trình động lực học tổng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 48, 04 - 2017 27  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử quát của robot n thanh nối. Quá trình tiến hành theo các bước: tính tốc độ của điểm bất kỳ trên thanh nối; tính động năng; tính thế năng; tính hàm Lagrange; tính lực và momen của các khớp. Trên cơ sở đó tác giả đưa ra phương trình động lực học của tay máy robot 5 bậc tự do toàn khớp quay. Thông số DH [1][3] của robot 5 DOF như trong bảng 1 Bảng 1. Khâu Khớp nối i i di ai 1 0-1 1 900 d1 0 2 1-2 2 0 0 a2 3 2-3 3 0 0 a3 0 4 3-4 4 90 0 a4 5 4-5 5 0 d5 0 Trong đó - ai : Khoảng cách theo phương xi từ Oi đến giao điểm của các trục xi và zi-1 . - di : Khoảng cách theo phương zi-1 từ Oi-1 đến giao điểm của các trục xi và zi-1. -  i : Là góc quay quanh trục xi từ zi-1 đến zi. - i : Là góc quay quanh trục zi-1 từ xi-1 đến xi. 5 5 5 Phương trình động lực học: Fi   Dikk   hikmkm  ci ; i  1  5 (1) k 1 k 1 m 1 Hay F  D( )  V ( , )  C ( ) (2) Với robot có 5 bậc tự do thì:   1 ,2 ,3 ,4 ,5  T T T   1 , 2 ,3 , 4 ,5  F  F  F1 , F2 , F3 , F4 , F5  ; ; Ma trận D   , ma trận V ( , ) , vecto C ( ) [2]  D11D12 D13 D14 D15   hi11 hi12 hi13 hi14 hi15   c1  D       21 D22 D23 D24 D25  hi 21 hi 22 hi 23 hi 24 hi 25  c2  D     D31  D32 D33 D34 D35  ; V ( , )   hi 31 hi 32 hi 33 hi 34 hi 35  ; C()  c3        D41 D42 D43 D44 D45  hi 41 hi 42 hi 43 hi 44 hi 45  c4   D51 D52 D53 D54 D55   hi 51 hi 52 hi 53 hi 54 hi 55  c   5 2.1.2. Mô hình cơ cấu chấp hành Hệ thống chuyển động robot gồm cơ cấu cơ khí và hệ thống truyền động. Hệ thống cơ khí thông thường có quán tính lớn so với quán tính hệ thống truyền động điện, do đó, ở đây sử dụng động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu có sơ đồ như hình 2 làm cơ cấu chấp hành được thể hiện bằng hệ phương trình cân bằng điện áp và cân ...