Ứng dụng Learning Feedforwrd trên cơ sở mạng nơron điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ QUANG VINH

ỨNG DỤNG LEARNING FEEDFORWARD TRÊN CƠ SỞ

MẠNG NƠRON ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, ñiều khiển robot công nghiệp ñã và ñang ñược ứng dụng rộng

rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và ñời sống. ðể ñiều khiển rôbốt ñã có rất nhiều

phương pháp khác nhau như dùng bộ ñiều khiển truyền thống PID, LQR (Linear

Quadratic Regulator), LQG (Linear Quadratic Gaussian), STR (Self Tuning

Regulator) ... Các bộ ñiều khiển trên ñược thiết kế trên cơ sở mô hình tuyến tính hoá

với những thông số biết trước. Tuy nhiên Robốt là hệ cấu trúc có tính phi tuyến

mạnh, các tham số không rõ và thay ñổi hoặc chứa các thành phần phi tuyến. Ngoài

ra trong quá trình làm việc hệ còn chịu tác ñộng của các nhiễu bên ngoài có tham số

thay ñổi. Do vậy ñối với các robot làm việc với yêu cầu ñồng thời có ñộ ổn ñịnh và

ñộ chính xác cao thì các bộ ñiều khiển trên thể hiện các hạn chế.

Hệ thống ñiều khiển thích nghi là hệ thống mà cấu trúc và tham số của bộ

ñiều khiển có thể thay ñổi theo sự biến thiên thông số của hệ sao cho chất lượng

ñảm bảo các chỉ tiêu ñã ñịnh. ðặc biệt hệ ñiều khiển Learning Feed Forward

(LFFC) trên cơ sở mạng nơ ron, ñã ñược nghiên cứu và thiết kế ứng dụng trong

thực tế. Bộ ñiều khiển này có ưu ñiểm là có khả năng kháng nhiễu hệ thống

(Systems Noise) có hiệu quả, nhờ ñó ñộ chính xác và ñộ ổn ñịnh của hệ có thể ñồng

thời ñạt ñược.

Việc ứng dụng Learning Feed Forward trên cơ sở mạng nơron ñể ñiều khiển vị trí

cánh tay rôbốt sẽ nâng cao chất lượng của hệ thống. Vì vậy tôi lựa chọn ñề tài:

“Ứng dụng Learning FeedForward trên cơ sở mạng nơ ron ñiều khiển vị trí cánh

tay robot ”

Luận văn này tác giả phân tích mô hình ñộng học của ñối tượng thông qua

mô hình toán học ñó ñưa ra phương án ñiều khiển. Kết quả ñiều khiển ñược mô

phỏng kiểm chứng trên phần mềm matlab

Luận văn này tác giả trình bày trong 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về ñiều khiển bobot công nghiệp

Trong chương này trình bày về khái niệm phân loại, cấu trúc kỹ thuật của

robot công nghiệp và ñã ñưa ra phương trình ñộng học của robot 2 bậc tự do dùng

- 2 -

Feedback kết hợp LFFC (Learning Feedforward Control) trên cơ sở mạng nơ ron ñể

ñiều khiển.

Chương 2:Learning FeedForward control trên cơ sở mạng nơ ron

Trong chương này tác giả trình bày về cơ sở lý thuyết của các bộ ñiều khiển

học; bộ ñiều khiển LFFC, cơ sở mạng nơ ron, LFFC trên cơ sở mạng nơ ron. Phân

tích ứng dụng LFFC trên cơ sở mạng nơ ron cho các chuyển ñộng lặp. Phương pháp

quy chuẩn LFFC và phân tích quá trình ổn ñịnh của hệ thống.

Chương 3. Thiết kế ứng dụng

Trong chương này tác giả sử dụng cơ sở lý thuyết từ chương 1 và chương 2

thiết kế bộ ñiều khiển bobot 2 bậc tự do sử dụng bộ ñiều khiển Feedback kết hợp

với LFFC trên cơ sở mạng nơ ron. Kết quả của quá trình phân tích ñược kiểm chứng

bằng mô phỏng trên phần mềm Matlab simulink

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 3 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ðIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP

Giới thiệu:

Robot công nghiệp bao gồm nhiều loại với hệ thống ñiều khiển khác nhau,

chúng ñược sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong chương này, tác giả trình

bày về các loại robot công nghiệp, xây dựng mô hình toán cho robot 2 bậc tự do sử

dụng hệ thống ñiều khiển Feedback kết hợp với LFFC trên cơ sở mạng nơ ron.

1.1.Tổng quan về Robot

1.1.1.Khái niệm về Robot công nghiệp

1. khái niệm.

- Về mặt cơ khí robot là một hệ thống cơ khí bao gồm các thanh nối cứng và

các khớp. Ngoài ra còn các bộ phận khác như thân máy, bệ máy...

- Về nội dung kỹ thuật cơ khí, ñiều khiển và ñiện tử, robot có thể ñược ñịnh

nghĩa như sau:

Robot là một cơ cấu cơ khí có một vài bậc tự do, có thể di chuyển như con

người và ñược ñiều khiển bằng máy tính;

Robot công nghiệp là một cơ cấu máy có thể lập trình ñược và làm việc một

cách tự ñộng không cần sự trợ giúp của con người;

Robot là cơ cấu máy có chức năng như con người và có sự hợp tác giữa các

Robot với nhau.

2. Cấu tạo.

Robot là một hệ thống phức tạp, ta có thể hiểu nó thông qua cách nhìn nhận

từ nhiều phương diện sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 4 -

1) Phương diện vật lý:

Là một hệ thống lớn bao gồm nhiều hệ thống con (sub_system). ðể vận hành ñược

nó phải có ñầy ñủ các yếu tố: Năng lượng; Cơ khí (các thanh nối, khớp, thân,...);

ðiều khiển;

2) Phương diện truyền tin:

Là một hệ thống truyền tin và xử lý tin khép kín bao gồm: Phần chuyển ñộng; phần

nhận dạng và ñiều khiển.

a) Cơ cấu chuyển ñộng: Có tác dụng thực hiện các chuyển ñộng theo yêu

cầu của công nghệ. Phần chuyển ñộng ñược thực hiện bằng các kỹ thuật truyền

ñộng sau: Truyền ñộng thuỷ lực; Truyền ñộng khí nén và truyền ñộng ñiện. Trong

ñó truyền ñộng ñiện có thể dùng ñộng cơ ñiện một chiều hay ñộng cơ ñiện xoay

chiều ñi kèm bộ ñiều khiển.

b) Cơ cấu nhận dạng: Là hệ thống các cảm biến bao gồm cảm biến lực, cảm

biến vị trí, cảm biến tốc ñộ,... Các thông tin ño ñược từ các cảm biến ñược chuyển

tới bộ phận ñiều khiển.

c) Bộ phận ñiều khiển:

Thường do máy tính, vi xử lý ñảm nhận, có chức năng tính toán và ñiều khiển bộ

phận chuyển ñộng theo yêu cầu công nghệ.

Sơ ñồ Hình 1.1 là sơ ñồ ñiển hình của hệ thống ñiều khiển vị trí, trên sơ ñồ

thể hiện các vị trí và tốc ñộ của khớp thường ñược ño bởi các sensor như chiết áp,

máy phát tốc, các thiết bị mã hoá... Các tín hiệu ra ñược ñưa ñến khối ñiều khiển tạo

ra tín hiệu ñiều khiển, ñiều khiển các khớp các cơ cấu dẫn ñộng làm cho tay máy

chuyển ñộng theo quỹ ñạo mong muốn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 5 -

1.1.2. Phân loại Robot công nghiệp.

Có nhiều cách phân loại Robot, dựa trên các cơ sở kỹ thuật khác nhau có các cách

phân loại khác nhau. Sau ñây là một số cách phân loại:

1. Phân loại theo số bậc tự do trong môi trường công tác.

Lấy hai hình thức chuyển ñộng nguyên thuỷ làm chuẩn

Chuyển ñộng tịnh tiến theo các hướng x,y,z trong không gian ðềcác (Ký hiệu là

P: Prasmatic)

Chuyển ñộng quay xung quanh các trục x, y, z (Ký hiệu là R: Rotation)

Thông thường các chuyển ñộng trên ñược ký hiệu như sau

Chuyển ñộng tịnh tiến Chuyển ñộng quay

Hình 1.1. Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển vị trí

Quỹ ñạo ñặt

BỘ ðIỀU

KHIỂN

HỆ THỐNG ðO

(CÁC SENSOR)

ROBOT

Tín hiệu ñiều

khiển Quỹ ñạo thực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 6 -

Như vậy chỉ với 3 bậc tự do, Robot sẽ chuyển ñộng trong môi trường công tác với

hình khối phụ thuộc vào tổ hợp P và R như hình minh hoạ ở Hình 1.2

PPP trường công tác là hình hộp chữ nhật hoặc lập phương

RPP trường công tác là khối trụ

RRP trường công tác là khối cầu

RRR trường công tác là khối cầu.

Lĩnh vực hoạt ñộng của Robot ngày càng mở rộng, với yêu cầu các khả năng thao

tác ngày càng khéo léo và tinh vi. Vì vậy số bậc tự do có thể không hạn chế. Do vậy

ñể giải quyết bài toán ñiều khiển trong Robot thì bên cạnh hệ toạ ñộ chuẩn U ta còn

ñặt ñặt nhiều hệ toạ ñộ khác như:

R : Hệ toạ ñộ Robot

P : Hệ toạ ñộ ñối tượng

H : Hệ toạ ñộ tay

E : Hệ toạ ñộ ñiểm kẹp

Dạng ðề các Dạng trụ

Dạng cầu Dạng khớp

Hình.1.2. Các dạng Robot 3 bậc tự do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 7 -

Số bậc tự do tăng lên kéo theo vấn ñề kỹ thuật và kinh tế phải giải quyết. Vì

vậy việc chọn số bậc tự do nhất thiết phải ñảm bảo về tính kỹ thuật và tối ưu theo

tiêu chuẩn yêu cầu.

2. Phân loại theo phương pháp ñiều khiển.

Có 2 kiểu ñiều khiển là ñiều khiển hở và ñiều khiển kín.

- ðiều khiển hở, dùng truyền ñộng bước (dùng ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ

thủy lực, khí nén...) mà quãng ñường hoặc góc dịch chuyển tỉ lệ với số xung ñiều

khiển. Kiểu này ñơn giản nhưng ñộ chính xác thấp.

- ðiều khiển kín (ñiều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí ñể tăng

ñộ chính xác ñiều khiển. Có 2 kiểu ñiều khiển kín là ñiểm - ñiểm và ñiều khiển

ñường.

ðiều khiển ñiểm - ñiểm (Point to Point): phần công tác dịnh chuyển từ ñiểm này

ñến ñiểm kia theo ñường thẳng với tốc ñộ không cao. Nó chỉ làm việc tại các

ñiểm dừng. Kiểu ñiều khiển này dùng trên các robot hàn ñiểm, vận chuyển, tán

ñinh, bắn ñinh….

ðiều khiển theo ñường (Contour): ñảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo

quỹ ñạo bất kì với tốc ñộ có thể ñiều khiển ñược. Kiều ñiều khiển này dùng trên

các robot hàn hồ quang, phun sơn,...

3. Phân loại theo hệ thống năng lượng .

Dựa vào cơ cấu sinh nguồn năng lượng ñộng lực ta chia ra thành 2 loại

• Hệ năng lượng ñiện :

Thường dùng các ñộng cơ truyền ñộng là ñộng cơ một chiều hoặc ñộng cơ

bước. Với hệ này có ñặc ñiểm là hoạt ñộng chính xác, tin cậy, ít phần tử phi tuyến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn