Điều khiển mờ cho Robot 2 bậc tự do để phục vụ phòng thí nghiệm điều khiển thông minh: Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Điều khiển mờ cho Robot 2 bậc tự do để phục vụ phòng thí

nghiệm điều khiển thông minh

Mã số đề tài: 21/1DTSV02

Chủ nhiệm đề tài: Lâm Quang Hoàng Thiện

Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện Tử

Tp Hồ Chí Minh, 11/2021

2

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp

thành phố Hồ Chí Minh đã tài trợ kinh phí và tạo điều kiện để nhóm em hoàn thành

đề tài nghiên cứu khoa học này. Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô

Khoa Công nghệ Điện đã tạo điều kiện để cho chúng em có thể vận dụng những

kiến thức đã tiếp thu trong quá trình học tập để thực hiện quá trình nghiên cứu của

mình. Nhóm em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS.Trần Hữu

Toàn đã định hướng, hỗ trợ nhóm em từ những ngày đầu tìm hiểu đề tài, Thầy chính

là người truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu và tạo mọi điều kiện tốt

nhất để chúng em có thể hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu khoa học của mình.

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

3

LỜI MỞ ĐẦU

Robotics đang là một trong những xu hướng phát triển khoa học nhằm ứng

dụng trong quá trình tự động hóa sản xuất để tăng hiệu quả kinh tế. Trong đó,

nghiên cứu các giải thuật điều khiển cho robot là một hướng nghiên cứu mở. Cụ thể,

việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh cho các hệ phi tuyến như robot

để thay thế các bộ điều khiển cổ điển thu hút nhiều nỗ lực nghiên cứu trong lĩnh vực

này. Các bộ điều khiển cổ điển nhờ vào tính ổn định và đơn giản (ví dụ như bộ điều

khiển PI, PID…) nên được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong điều khiển robot. Tuy

nhiên, để thiết kế được bộ điều khiển đòi hỏi phải xác định được mô hình toán của

đối tượng. Trong khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp và phải làm việc

trong các điều kiện chịu ảnh hưởng của các yếu tố bất định (môi trường, thông số

đối tượng…). Chính vì vậy, việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh

cho các hệ phi tuyến như robot để thay thế các bộ điều khiển cổ điển thu hút nhiều

nỗ lực nghiên cứu trong lĩnh nêu trên. Hiện nay cũng có rất nhiều công trình nghiên

cứu về điều khiển mờ cho robot được giảng dạy và ứng dụng vào công nghiệp. Tuy

nhiên hầu hết các công trình đều có điểm chung là giá thành cao so với nhu cầu sử

dụng, đồng thời độ phức tạp cũng cao khiến những người chưa có kiến thức sâu,

đặc biệt là sinh viên gặp nhiêu khó khăn khi tiếp cận. Nhận thức được điều này,

nhóm em đã thực hiện nghiên cứu và phát triển đề tài “Điều khiển mờ cho Robot 2

bậc tự do để phục vụ phòng thí nghiệm điều khiển thông minh”. Mục tiêu nhằm đưa

ra sản phẩm Robot tay máy 2 bậc tự do đảm bảo các đặc tính kỹ thuật, đơn giản, dễ

sử dụng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy các chuyên ngành liên quan trong phòng thí

nghiệm điều khiểu khiển thông minh của khoa Công Nghệ Điện Tử.

4

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN .........................................................................................................2

LỜI MỞ ĐẦU.........................................................................................................3

MỤC LỤC ..............................................................................................................4

DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................6

DANH MỤC BẢNG ...............................................................................................8

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG.........................................................................9

I. Thông tin tổng quát ..........................................................................................9

II. Kết quả nghiên cứu .........................................................................................9

1. Đặt vấn đề....................................................................................................9

2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................10

3. Phương pháp nghiên cứu............................................................................11

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu .................................................................12

5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận.............................................20

6. Tóm tắt kết quả .......................................................................................... 21

III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo ................................................22

1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3).................................................22

IV. Tình hình sử dụng kinh phí..........................................................................22

V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)...........................23

VI. Phụ lục sản phẩm......................................................................................... 24

PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ............25

I. Xây dựng cấu hình và động học robot ............................................................25

1. Xây dựng cấu hình và xác định vùng làm việc của robot............................25

2. Xác định phương trình động học thuận robot .............................................26

3. Xác định phương trình động học ngược robot ............................................27

4. Xác định phương trình động lực học robot.................................................29

II. Tổng quan về phần cứng điều khiển ..............................................................31

1. Sơ đồ tổng quan phần cứng........................................................................31

2. Các thông số và đặc điểm kỹ thuật của card NI PCI-6221 ..........................32

3. Các thông số và đặc điểm kỹ thuật của driver ZR5002...............................34

5

4. Các thông số và đặc điểm kỹ thuật của động cơ servo................................34

5. Các thông số và đặc điểm kỹ thuật của encoder .........................................35

III. Thiết kế cơ khí cho mô hình robot ...............................................................36

1. Kết cấu cơ khí cho phần đế mô hình robot .................................................37

2. Kết cấu cơ khí cho phần cánh tay robot......................................................37

3. Kết cấu cơ khí cho khâu chấp hành cuối ....................................................38

4. Thiết kế bảng điều khiển cho mô hình........................................................39

5. Kết cấu chi tiết của mô hình robot..............................................................40

IV. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho robot ....................................................41

1. Thiết kế bộ điều khiển PI mờ .....................................................................42

2. Thiết kế bộ điều khiển PD mờ....................................................................45

V. Nội suy quỹ đạo cho robot ............................................................................45

VI. Lưu đồ điều khiển........................................................................................48

VII. Sơ đồ đấu nối phần cứng điều khiển ...........................................................49

VIII. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.....................................................................52

1. Sản phẩm mô hình robot 2 bậc tự do..........................................................52

2. Kết quả thực nghiệm..................................................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................63

PHẦN III. PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM......................................................................64

6

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Cánh tay robot liên kết với động cơ và khâu chấp hành cuối......................13

Hình 2 Mô hình 3D Robot 2 bậc tự do...................................................................13

Hình 3 Bảng điều khiển mô hình ...........................................................................14

Hình 4 Hình ảnh phần cứng điều khiển..................................................................15

Hình 5 Hình ảnh mô hình hoàn chỉnh nhìn từ phía trước .......................................15

Hình 6 Hình ảnh mô hình hoàn chỉnh nhìn từ phía sau...........................................16

Hình 7 Mô hình kết nối với car NI PCI và máy tính...............................................16

Hình 8 Chương trình điều khiểu dùng bộ điều khiển PID mờ ................................17

Hình 9 Robot vẽ quỹ đạo hình elip trên mặt giấy A4 .............................................17

Hình 10 Robot vẽ quỹ đạo hình số 8 trên mặt giấy A4...........................................18

Hình 11 Thêm tải cho khâu chấp hành cuối của Robot ..........................................18

Hình 12 Cấu hình robot 2-DOF trong hệ tọa độ Decart..........................................25

Hình 13 Không gian làm việc của robot 2-DOF trong hệ tọa độ Decart .................26

Hình 14 Gắn hệ trục tọa độ cơ bản cho robot.........................................................26

Hình 15 Gắn hệ trục tọa độ cơ bản cho robot.........................................................27

Hình 16 Mô hình hóa hệ robot và gắn hệ truc tọa độ..............................................29

Hình 17 Sơ đồ phần cứng điều khiển của robot 2-DOF..........................................32

Hình 18 Hình ảnh thực tế card NI PCI-6221..........................................................32

Hình 19 Sơ đồ chân của card NI PCI-6221 ............................................................33

Hình 20 Hình ảnh và sơ đồ chân của driver ZR5002..............................................34

Hình 21 Hình ảnh động cơ servo ...........................................................................35

Hình 22 Hình ảnh encoder.....................................................................................36

Hình 23 Thiết kế cơ khí cho phần đế mô hình........................................................37

Hình 24 Thiết kế cơ khí cho phần cánh tay robot...................................................38

Hình 25 Thiết kế khớp liên kết động cơ với khâu ..................................................38

Hình 26 Thiết kế cơ khí cho khâu chấp hành cuối..................................................39

Hình 27 Cánh tay robot liên kết với động cơ và khâu chấp hành cuối....................39

Hình 28 Bảng điều khiển mô hình .........................................................................40

Hình 29 Mô hình Robot tay máy 2-DOF................................................................40

Hình 30 Vùng làm việc thực tế của robot\..............................................................41

Hình 31 Sơ đồ của bộ điều khiển PID Mờ .............................................................42

Hình 32 Sơ đồ bộ điều khiển PI mờ.......................................................................42

Hình 33 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ vào E.........................................................43

Hình 34 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ vào DE......................................................43

Hình 35 Hàm liên thuộc biểu diễn ngõ ra DU........................................................43

Hình 36 Sơ đồ bộ điều khiển PD Mờ.....................................................................45

7

Hình 37 Quỹ đạo mong muốn................................................................................46

Hình 38 Nội suy góc θ1......................................................................................... 47

Hình 39 Nội suy góc θ2......................................................................................... 47

Hình 40 Lưu đồ chương trình điều khiển ...............................................................48

Hình 41 Sơ đồ đấu kết nối cứng điều khiển ...........................................................49

Hình 42 Sơ đồ thứ tự chân cap DB15 ....................................................................50

Hình 43 Sơ đồ mạch PCB mạch điều khiển ...........................................................51

Hình 44 Mạch điều khiển thực tế...........................................................................51

Hình 45 Hình ảnh mô hình hoàn chỉnh nhìn từ phía trước......................................52

Hình 46 Mô hình kết nối với car NI PCI và máy tính.............................................53

Hình 47 Sơ đồ điều khiển matlab/simulink dùng bộ điều khiển PID mờ ................53

Hình 48 Robot vẽ quỹ đạo hình elip trên mặt giấy A4 ...........................................54

Hình 49 Robot vẽ quỹ đạo hình số 8 trên mặt giấy A4...........................................54

Hình 50 Sai lệch quỹ đạo Robot giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ .....................55

Hình 51 Sai lệch quỹ đạo khớp 1 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................55

Hình 52 Sai lệch quỹ đạo khớp 2 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................56

Hình 53 Sai lệch quỹ đạo Robot giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ .....................56

Hình 54 Sai lệch quỹ đạo khớp 1 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................57

Hình 55 Sai lệch quỹ đạo khớp 2 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................57

Hình 56 Thêm tải cho khâu chấp hành cuối của Robot ..........................................58

Hình 57 Sai lệch quỹ đạo Robot giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ .....................58

Hình 58 Sai lệch quỹ đạo khớp 1 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................59

Hình 59 Sai lệch quỹ đạo khớp 2 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................59

Hình 60 Sai lệch quỹ đạo Robot giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ .....................60

Hình 61 Sai lệch quỹ đạo khớp 1 giữa bộ điều khiển PID và PID Mờ....................61

8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo elip.....................19

Bảng 2 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 8 ....................19

Bảng 3 Các thông số vật lý của robot....................................................................36

Bảng 4 Hệ quy tắc mờ điều khiển .........................................................................44

Bảng 5 Sơ đồ kết nối chân phần cứng với card NI PCI ........................................50

Bảng 6 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo elip.....................61

Bảng 7 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 8 ....................62

9

PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG

I. Thông tin tổng quát

1.1. Tên đề tài: Điều Khiển Mờ Cho Robot 2 Bậc Tự Để Phục Vụ Phòng Thí

Nghiệm Điều Khiển Thông Minh

1.2. Mã số: 21/1DTSV02

1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 Lâm Quang Hoàng Thiện Sinh Viên Khoa Công

Nghệ Điện Tử, IUH

Chủ nhiệm đề tài

2 Huỳnh Đức Min Sinh Viên Khoa Công

Nghệ Điện Tử, IUH

Thành viên chính

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Công Nghệ Điện Tử

1.5. Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 09 năm 2021

1.5.2 Gia hạn (nếu có): không gia hạn

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 09 năm 2021

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không thay đổi.

1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 15 triệu đồng.

II. Kết quả nghiên cứu

1. Đặt vấn đề

Robotics đang là một trong những xu hướng phát triển khoa học. Robot được

sử dụng để thay thế con người làm việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm và

những nơi con người không thể đặt chân đến được. Tuy nhiên ngoài những ưu

điểm, ứng dụng vượt trội thì robot lại có nhược điểm là rập khuôn và chỉ làm việc

theo những gì được lập trình sẵn. Chính vì nhu cầu của con người ngày càng cao

hơn, đòi hỏi robot phải hiểu được con người và có thể thay thế con người xử lý các

công việc, tình huống đòi hỏi tính tư duy. Một trong phương thức điều khiển có thể

10

đáp ứng được các yêu cầu trên chính là phương pháp điều khiển thông minh. Nhận

thấy được tầm quan trọng và xu hướng phát triển của robot và phương pháp điều

khiển này, đề tài tập trung nghiên cứu, mô hình hóa và láp ráp một mẫu robot nhằm

phục vụ việc thí nghiệm trong giảng dạy. Đề tài thực hiện mô hình hóa và láp ráp

robot 2 bậc tự do trên cơ sở robot hệ tay máy, khâu chấp hành cuối của robot thực

hiện bám đuổi quỹ đạo cho trước với các quỹ đạo được thực hiện bằng phương pháp

nội suy. Đồng thời, đề tài trình bày một phương thức điều khiển thông minh dựa

trên cơ sở logic mờ nhằm biểu diễn, xử lý và thực thi lại tri thức-trực giác của con

người trong vấn đề điều khiển robot. Nhờ đó, kinh nghiệm của con người được tích

hợp vào bộ điều khiển robot thông qua các luật mờ trong quá trình thiết kế. Bộ điều

khiển cho robot được xây dựng trên phần mềm Matlab và card thu thập dữ liệu

National Instrument PCI-6221. Để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật điều khiển đề

xuất, đề tài tiến hành thực nghiệm trên mô hình robot đã xây dựng và so sánh kết

quả điều khiển với phương pháp điều khiển PID cổ điển trong điều kiện robot chịu

sự tác động của các yếu tố bất định là tải mang. Mục tiêu của đề tài hướng đến là

đưa ra sản phẩm Robot tay máy 2 bậc tự do đảm bảo các đặc tính kỹ thuật, đơn

giản, dễ sử dụng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy các chuyên ngành liên quan trong

phòng thí nghiệm điều khiểu khiển thông minh của khoa Công Nghệ Điện Tử. Qua

đó giúp sinh viên có thêm cơ hội và điều kiện để học tập, nghiên cứu về giải thuật

điều khiển đối với robot.

2. Mục tiêu nghiên cứu

2.1. Mục tiêu tổng quát.

Mô hình hóa, lắp ráp và điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do nhằm phục vụ

phòng thí nghiệm điều khiển thông minh trong việc giảng dạy.

2.2. Mục tiêu cụ thể.

Với mong muốn thực hiện một đề tài khoa học có khả năng ứng dụng và hỗ

trợ giảng dạy, nhóm tác giả đề xuất thực hiện đề tài nhằm giúp sinh viên các chuyên

ngành về kỹ thuật robot, điện tử, tự động hóa có thể tiếp cận nhanh chóng với kiến

11

thức nhờ có các mô hình thực tế mang đặc tính kĩ thuật đơn giản, dễ sử dụng với

các mục tiêu cụ thể như sau:

− Mô hình hóa hệ Robot tay máy 2 bậc tự do

− Đảm bảo các đặc tính kĩ thuật, đơn giản, dễ sử dụng đối với mô hình robot

− Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho mô hình để khâu chấp hành cuối của

robot thực hiện bám đuổi quỹ đạo cho trước.

− Điều khiển và đánh giá kết quả trên robot đã lắp ráp

− Xây dựng bài hướng dẫn thí nghiệm (Bài điều khiển mờ trong nội dung môn

học)

− Ứng dụng mô hình robot trong giảng dạy phòng thí nghiệm điều khiển thông

minh của khoa Công Nghệ Điện Tử.

3. Phương pháp nghiên cứu

3.1. Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về phương pháp điều khiển thông

minh (điều khiển mờ) và tổng quan về lắp ráp hệ robot tay máy

− Cách tiếp cận: Nghiên cứu tổng quan về phương pháp điều khiển thông

minh, lắp ráp và ứng dụng Robot tay máy trong nước và thế giới. Cơ sở dữ

liệu về đặc điểm của các loại Robot tay máy Phân tích động học và động lực

học robot tay máy.

− Kết quả: Tài liệu và báo cáo tổng hợp.

3.2. Nội dung 2: Lựa chọn phương án và tính toán, lắp ráp robot

− Cách tiếp cận: Lựa chọn phương án truyền động thích hợp cho robot dự báo

tải, tính toán công suất cơ cấu chấp hành, thi công lắp ráp các chi tiết cho

Robot. Tiến hành kiểm tra các chi tiết của robot sau khi lắp ráp.

− Kết quả: Sản phẩm phần cơ của robot tay máy 2 bậc tự do.

12

3.3. Nội dung 3: Thiết kế thuật toán

− Cách tiếp cận: Lựa chọn thuật toán và viết chương trình điều khiển.

− Kết quả: Robot vận hành được theo yêu cầu, đảm bảo chất lượng điều khiển.

3.4. Nội dung 4: Viết báo cáo và hướng dẫn mô hình Robot cho phòng thí

nghiệm

− Cách tiếp cận: Hoàn thiện báo cáo, thử nghiệm trên Robot. Thu thập và đánh

giá dữ liệu. Nghiên cứu và hoàn thành tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình

robot

− Kết quả: Báo cáo tổng kết đề tài, tài liệu chi tiết hướng dẫn sử dụng mô hình

robot.

4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Với các mục tiêu chi tiết đặt ra, nhóm tác giả đã thực hiện đầy đủ các nhiệm

vụ công việc việc theo yêu cầu. Mô hình Robot tay máy 2 bậc tự do được đảm bảo

xây dựng đúng theo mục tiêu và bài hướng dẫn thí nghiệm được xây dựng bám sát

với nội dung môn học.

4.1. Mô hình robot tay máy 2 bậc tự do

4.1.1 Mô hình 3D robot tay máy 2 bậc tự do

Bản vẽ 3D mô hình được xây dựng trên phần mềm Inventor của hãng

autodesk. Đây là phần mềm chuyên dùng để thiết kế các chi tiết máy cơ khí, giúp

cho người sản xuất có cái nhìn trực quan, và có thể dễ dàng thay đổi thiết kế cho

phù hợp với môi trường thực tế.