Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh

Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Đề tài này hướng tới phát triển một robot 6 bậc tự do sử dụng thuật toán điều khiển thông minh, do đó nội dung công việc khá lớn bao gồm tính

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT 6 BẬC TỰ DO TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU

KHIỂN THÔNG MINH

TS ĐẶNG XUÂN BA

GVHD:

SVTH: VÕ TẤN TÀI MSSV: 16151079 SVTH: ĐOÀN NGỌC MINH MSSV: 16151047

SKL 0 0 7 1 8 6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT 6 BẬC TỰ DO TÍCH

HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

SVTH : VÕ TẤN TÀI MSSV : 16151079 SVTH : ĐOÀN NGỌC MINH MSSV : 16151047

KHÓA : 2016 - 2020 NGÀNH : CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD : TS ĐẶNG XUÂN BA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT 6 BẬC TỰ DO TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH

SVTH : VÕ TẤN TÀI MSSV : 16151079 SVTH : ĐOÀN NGỌC MINH MSSV : 16151047

NGÀNH : CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD : TS ĐẶNG XUÂN BA

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngày nhận đề tài: 24 / 02 / 2020

Ngày nộp đề tài: 27 / 7 / 2020

1 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

Tính toán và thiết kế phần cứng của mô hình robot 6 bậc tự do

Tìm hiểu giải thuật và mô phỏng cho mô hình robot 6 bậc tự do trên phần mềm Matlab

Áp dụng giải thuật điều khiển cho mô hình thực, hiệu chỉnh để giảm sai số, thời gian

xác lập, độ vọt lố

4 Sản phẩm:

Mô hình thực nghiệm robot 6 bậc tự do

Chương trình điều khiển và giám sát

Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

Đĩa CD

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: CNKT Điều khiển và tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS Đặng Xuân Ba

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

Đề tài này hướng tới phát triển một robot 6 bậc tự do sử dụng thuật toán điều khiển thông minh, do đó nội dung công việc khá lớn bao gồm tính toán, mô phỏng, thiết kế, thi công

và điều khiển giám sát cả hệ thống

2 Ưu điểm:

Mặc dù khối lượng công việc rất lớn và đòi hỏi độ chuyên sâu về kỹ thuật robot, nhưng nhóm đã hoàn thành tốt các mục tiêu đề ra bằng sự cố gắng và nỗ lực cao độ của bản thân cùng sự nhạy bén sáng tạo trong công việc

3 Khuyết điểm:

Nhóm thực hiện đồ án chỉ mới làm quen và tiếp xúc với robot trong một thời gian tương đối ngắn, nên sẽ không tránh khỏi các thiếu sót và các nhược điểm trong thiết kế và chế tạo một robot phức tạp

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngành: CNKT Điều khiển và tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2020

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm chúng em xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến thầy – Tiến

sĩ Đặng Xuân Ba, người trực tiếp hướng dẫn đồ án tốt nghiệp, đã tận tình chỉ bảo, động viên, khích lệ chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã nhiệt tình giảng dạy cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt bốn năm học tập tại đây

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ chúng em những lúc chúng em gặp khó khăn trong việc làm đồ án tốt nghiệp, để chúng em hoàn thành được đồ án như ngày hôm nay

Cuối cùng chúng em xin kính chúc các thầy cô dồi dào sức khỏe và gặt hái được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy cao quý Đồng kính chúc những người thân và bạn bè có nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

Sinh viên thực hiện

Võ Tấn Tài Đoàn Ngọc Minh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Dựa vào các kiến thức đã học ở trường về điều khiển tự động và những sự tìm hiểu

về ngành công nghiệp robot hiện nay Chúng em nhận thấy nghiên cứu robot là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất ngày nay Các loại robot tự động, bán tự động hay cao cấp hơn là robot với trí tuệ nhân tạo ngày càng phổ biến và phát triển rộng rãi mọi nơi Nắm bắt được xu hướng nghiên cứu của ngành điều khiển tự động, chúng em đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp liên quan đến robot

Tuy nhiên, do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế mà lĩnh vực robot rất phức tạp

và tân tiến, nên chúng em quyết định tập trung hướng nghiên cứu về giải thuật học

để điều khiển chính xác robot 6 bậc tự do, đồng thời thử nghiệm cơ bản trên mô hình

thực tế Với đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ

điều khiển thông minh”, chúng em đã thực hiện các nội dung sau:

Mô phỏng và điều khiển robot 6 bậc tự do trên phần mềm Matlab 2018b Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm robot 6 bậc tự do

Điều khiển chính xác vị trí robot 6 bậc tự do

So sánh giải thuật điều khiển PID và PD Folding

Nhóm tiến hành tính toán, mô phỏng động học và động lực học, áp dụng các giải thuật điều khiển, đồng thời nghiên cứu và chế tạo mô hình robot 6 bậc tự do Sau khi

mô hình và nhiệm vụ mô phỏng được hoàn thành, chúng em tiến hành áp dụng các giải thuật điều khiển đã nghiên cứu lên mô hình thực

ABSTRACT

Based on knowledge studied on automatic control theories and robotics during the undergraduate course, we found that research on robotics is one of the most interested areas today So far, automatic robot, semi-automatic robot or robots with artificial intelligence have been increasingly popular Catching the trend of the automatic control research, we decided to choose a robot-related graduation project Our specialized knowledge is however limited, and the field of robots is very complex and advanced So, our project has mainly focused on intensive algorithms for precise control of a 6 degree-of-freedom robot In order to finish the project titled:

"Design and manufacture of 6 degrees of freedom robots integrated intelligent

controller", we have implemented the following contents:

Modeling and control a 6-DOF robot on Matlab 2018b software

Designing and fabricating a real 6-DOF robot prototype

Applying the proposed controller on the real robot

Verifying the working performance of the designed system by real-time experiments in a comparison of PID and PD folding controllers

Our team calculated and simulated kinematics and dynamics, the applied the proposed control algorithms on simulation environment At the same time, we studied and built a robot 6-DOF model After the model and simulation tasks were completed,

we proceed to apply the control algorithms studied to the real robot

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.2 Tổng quan về robot và Robot 6 bậc tự do 4

1.2.2 Tổng quan về Robot 6 bậc tự do 7

1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài 11

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11 1.5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 11 1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lí hoạt động 13

2.3.1 Sơ lược lí thuyết điều khiển tự động 14

2.3.1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động 15 2.3.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động 16 2.3.1.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản 17 2.3.2 Lý thuyết các bộ điều khiển sử dụng 17 2.3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID 17 2.3.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển PD FOLDING 20

2.3.3.2 Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB 23

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT MÔ HÌNH TOÁN, MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG 25

3.1 Bảng Denavit-Hartenberg (DH) 25 3.2 Động học vị trí của robot 6 bậc tự do 26

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 36

4.1 Lựa chọn mô hình Robot 6 bậc tự do 36 4.1.1 Thiết kế mô hình dùng Solidworks 36

4.1.1.2 Xuất bản vẽ 2D cắt CNC kim loại 37 4.1.1.3 Xuất file in 3D cho các chi tiết 39 4.2 Chế tạo mô hình Robot 6 bậc tự do 40

4.3.3 Các thiết bị hỗ trợ xử lý: Opto quang, biến trở… 53 4.4 Phần khung và một số chi tiết khác 54

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO 56

5.2.3.4 Tiến hành chạy mô hình thực nghiệm 72 5.2.4 Thiết kế bộ điều khiển PID robot 6 bậc tự do 74 5.2.4.1 Thiết kế và mô phỏng trên Matlab 74 5.2.4.1.1 Mô phỏng phương pháp PID đối với ngõ vào là hằng số 75 5.2.4.1.2 Mô phỏng phương pháp PID đối với ngõ vào là sóng sin 77

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID: Proportional Integral Derivative

DOF: Degrees Of Freedom

PD Folding: Proportional Derivative Folding

HTTĐ: Hệ thống tự động

ĐKTĐ: Điều khiển tự động

DH: Denavit Hartenberg

PEE: End-Effector Position

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Những thành tựu phát triển của robot trong thế kỉ 20

Bảng 1.2 Các chủng loại robot đang được phát triển và nhân rộng trên toàn thế giới Bảng 1.3 Bảng thông số cơ bản của robot

Bảng 2.1 Độ ảnh hưởng hệ thống của các thông số PID

Bảng 4.1 Thông số động cơ J2S 10A

Bảng 4.2 Thông số Arduino Mega

Bảng 4.3 Thông số Arduino Due

Bảng 4.4 Khung và chi tiết khác

Bảng 5.1 Bảng thông số mô phỏng kết cấu robot 6-DOF

Bảng 5.2 Bảng thông số điểm đặt mong muốn dạng hằng số của hệ thống

Bảng 5.3 Bảng thông số điểm đặt mong muốn dạng sóng sin của hệ thống

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Một số mô hình Robot ở trường

Hình 1.2 Một số mô hình robot 6 bậc tự do ở ngoài nước

Hình 1.3 Cấu hình phần cứng- cơ khí thiết kế trên Solidworks

Hình 1.4 Giới hạn chuyển động trục J1 3600 (tùy chọn)

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hoạt động

Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển của bộ PID

Hình 1.3 Sơ đồ bộ điều khiển PD Folding

Hình 2.4 Icon phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink

Hình 2.5 Giao diện của chức năng mô phỏng Matlab/Simulink

Hình 3.1 Hệ trục tọa độ robot 6 bậc tự do

Hình 3.13 Thiết kế simulink động lực học (không điều khiển)

Hình 3.14 Mô phỏng hình dáng robot bằng Simulink (Không điều khiển)

Hình 4.1 Mô hình Robot 6 bậc tự do ở Việt Nam

Hình 4.2 Cấp độ của phần mềm Solidworks

Hình 4.3 Chi tiết được thiết kế 3D trên Solidworks

Hình 4.4 Lưu file dưới định dạng DXF

Hình 4.5 Trải phẳng bề mặt miếng kim loại

Hình 4.6 Xác nhận mặt cắt và hoàn tất lưu bản vẽ

Hình 4.8 Lưu chi tiết với định dạng STL

Hình 4.16 Động cơ J2S 10A và Driver

Hình 4.17 Những thành viên khởi sướng Arduino

Hình 4.18 Icon của phần mềm lập trình Arduino IDE

Hình 4.19 Giao diện làm việc của phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.9

Hình 4.20 Arduino Mega

Hình 4.21 Arduino Due

Hình 4.22 Giao diện WinForm

Hình 4.23 Giao diện Winform được tạo

Hình 4.24 Tạo Project

Hình 4.25 Màn hình soạn thảo Bộ Visual Studio 2017

Hình 4.26 Cửa số Output khi chạy chương trình

Hình 4.27 Opto quang

Hình 4.28 Biến trở

Hình 5.1 Datasheet hướng dẫn kết nối

Hình 5.2 Kết nối phần cứng encoder

Hình 5.3 Đọc xung Encoder

Hình 5.4 Đọc góc Encoder.

Hình 5.5 Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển

Hình 5.6 Kết nối thực nghiệm điều khiển robot 6-DOF

Hình 5.7 Tổng quan hệ thống dùng PD Folding mô phỏng bằng Simulink Matlab Hình 5.8 Đáp ứng của các khớp

Hình 5.24 Hàm con code Arduino điều khiển 1 động cơ

Hình 5.25 Giao diện giám sát và điều khiển trên C# cho 1 khớp động cơ

Hình 5.36 Sai số phương pháp PID

Hình 5.37 So sánh đáp ứng hệ thống của phương pháp PID và PD Folding

Hình 5.38 So sánh sai số của phương pháp PID và PD Folding

Hình 5.39 So sánh đáp ứng hệ thống của phương pháp PID và PD Folding

Hình 5.40 So sánh sai số hệ thống của phương pháp PID và PD Folding

Hình 5.41 So sánh 2 bộ điều khiển bằng thực nghiệm

Hình 5.42 So sánh sai số 2 bộ điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, robot ngày càng trở thành một phần thiết yếu của cuộc sống Robot không chỉ thay thế con người trong việc đáp ứng các nhu cầu của thao tác liên tục và lặp lại, mà còn thực hiện các tác vụ thông minh như một con người thực sự Bởi sở hữu tốc độ nhanh và trí thông minh nhân tạo, robot có thể

dễ dàng hoàn thành các nhiệm vụ trong thăm dò, làm việc tại những nơi nguy hiểm, cứu người trong tai nạn, hoặc lĩnh vực chuẩn đoán của thuốc Để hoàn thành các nhiệm vụ như vậy, ít nhất các robot cần một bộ điều khiển tốt để giải quyết các yêu cầu được giao ở cả khía cạnh độ chính xác và đáp ứng nhanh Tuy nhiên, các điều kiện hoạt động thực tế phức tạp và khác nhau là những trở ngại chính trong việc thiết

kế các bộ điều khiển có độ chính xác cao cho các hệ thống robot (J J Craig, 2005), (K K Ahn, H V A Truong, D T Tran, 2019)

Để giải quyết các vấn đề như trên, một loạt các phương pháp tiếp cận hiệu quả đã được nghiên cứu như phương pháp điều khiển tuyến tính (P Roco, 1996), (Y Su, P

C Muller, C Zheng, 2010), thích nghi bền vững phi tuyến (W Yim, S N Singl, 1993), ( D X Ba, H Yeom, J Kim, J B Bae, 2018 ) và bộ điều khiển thông minh (D X Ba, H Yeom, J B Bae, 2018), ( M Jin, J Lee, N G Tsagarakis, 2017) hoặc sự kết hợp của chúng (J Baek, M Jin, S Han,2016), ( Vo, A.T.Kang, H.-J, 2018), (

R J Wai, R Muthusamy, 2014), ( Le, T.D.,Kang, H.-J., Suh, Y.-S., Ro, Y.-S, 2013) Trên thực tế, phương pháp kiểm soát phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) (P Roco, 1996), (S Skoczowski,

S Domesk, K Pietrusewicz, B Broel-Plater, 2015), (Y Pan, X Li, H Yu, 2019 ) nhờ vào việc thực hiện đơn giản, dễ sử dụng và bền vững Tuy nhiên, điều khiển như PID không được dùng trong các điều khiển phức tạp, đòi hỏi sự tối ưu và độ chính xác Bên cạnh đó, một thuật toán tự điều chỉnh mờ đã được đề xuất để chọn các độ lợi PID một cách thích hợp theo trạng thái thực của thao tác robot Theo các hướng khác, thuật toán mờ được sử dụng để xấp xỉ hệ thống động lực (Z Liu, G Lai, Y Zhang, P Chen, 2015) Các quy tắc học của dạng điều khiển thông minh này chủ yếu dựa trên kiến thức của con người (C Yang, Y Jiang, J Na, Z Li, L Cheng, C Y

Su, 2019) Để giảm bớt sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người điều hành, các cải tiến sử dụng mạng nơ-ron thu hút sự chú ý nhiều hơn Với cùng một mục đích sử dụng với các phương pháp tiếp cận logic mờ, mạng có thể được thiết kế như là mô hình xấp xỉ Động lực hệ thống phi tuyến đã được ước tính dễ dàng bởi các thiết kế mạng thích hợp, nhưng việc tính toán khá lớn trong quá trình học là một trong những điểm cần được lưu ý (L Wang, T Chai, L Zhai, 2009), (D X Ba, D Q Truong, K

K Ahn, 2016) Thật vậy, hệ số điều khiển tốt của bộ điều khiển robot PID có thể được tự động điều chỉnh bằng cách sử dụng các phương pháp học khác nhau Các quy tắc thích ứng được tạo ra bằng cách sử dụng lý thuyết truyền ngược (H V A Truong, D T Tran, K K Ahn, 2019), (D X Ba, K K Ahn, N T Tai, 2014), (D.C.T

Tu, K K Ahn, 2006), (T D Le, H J Kang, Y S Suh, Y S Ro, 2013) hoặc các phương pháp định lượng vec-tơ (K.K Ahn, H T C Nguyen, 2007) Hầu hết các phương pháp tự điều chỉnh làm việc dưới một giả định Zero-Order tuyến tính có thể dẫn đến sự bất ổn định của hệ thống vòng khép kín hoặc gây ra các hiệu ứng điều khiển không mong muốn

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, một mạng lưới thần kinh dựa trên bộ điều khiển được thiết kế để kiểm soát theo dõi độ chính xác cao của thao tác robot Tín hiệu đầu vào của mạng được tổng hợp bằng hàm uốn dạng PD của sai số điều khiển Đó là tín hiệu gấp có thể đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng khép kín Các luật học của mạng được thiết kế với các phần tử kích thích và rò rỉ để cung cấp hiệu suất được xác định trước, bất kể những thay đổi của động lực nội bộ và các rối loạn bên ngoài Hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất đã được xác minh cẩn thận bằng các kết quả mô phỏng mở rộng

Đồ án sử dụng robot 6 bậc tự do bởi lẽ robot 6 bậc tự do là một hệ thống phi tuyến

và rất khó điều khiển, nhưng có thể được dùng để làm đối tượng thử nghiệm các thuật toán điều khiển phức tạp Và ở đề tài này, nhóm chú trọng vào việc thực hiện kiểm chứng điều khiển robot 6 bậc tự do thông qua PID truyền thống và phương pháp PD xoắn ứng dụng (PD Folding) Nhận thấy được sự quan trọng đó, nhóm em đã chọn

đề tài: “Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh”

 Tình hình các mô hình thí nghiệm trong nước

Hiện tại trong các phòng thí nghiệp của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

có trang bị nhiều mẫu robot 6 bậc tự do như: Robot Fanuc LR 200iC, Robot Universal, Nhưng hiện tại ở Việt Nam, rất ít công ty nghiên cứu và sản xuất về robot

6 bậc tự do Còn trên thực tế ở trường, hiện tại vẫn chưa có sinh viên thực hiện luận văn tốt nghiệp về robot 6 bậc tự do Cho nên có thể nói lĩnh vực này khá mới lạ ở Việt Nam

Hình 1.1 Một số mô hình Robot ở trường

 Tình hình ngoài nước

Nhìn tổng thể các mô hình thí nghiệm robot 6 bậc tự do đã được nhiều hãng uy tín trên thế giới sử dụng như công ty Fanuc, ABB, Mitsubishi,…Tuy nhiên các hãng chủ yếu sử dụng các giải thuật điều khiển như PID truyền thống, giải thuật mờ, điều khiển trượt…Còn đề tài mà nhóm đang thực hiện là một phương pháp điều khiển hoàn toàn mới tạm gọi tên là PD Folding (Phương pháp điều khiển theo cơ chế PD xoắn ứng dụng) có sự kết hợp PD và giải thuật học Nơ-ron nên có sự khác biệt Và việc nghiên cứu các bộ điều khiển mới vẫn đang được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu, mô phỏng và kiểm chứng, góp phần vào việc tìm kiếm ra phương pháp điều khiển ổn định và chính xác hệ thống

Hình 1.2 Một số mô hình robot 6 bậc tự do ở ngoài nước

 Những điểm nổi bậc đối với mô hình robot 6 bậc tự do của nhóm:

Mô hình:

 Nhóm tự thiết kế ra mô hình robot 6 bậc tự do bằng phần mềm Solidworks

 Mô hình đã tham khảo theo hình dáng của robot 6 bậc tự do Fanuc LR 200iC, tuy nhiên nhóm đã thiết kế lại, xây dựng hệ thống đai truyền tỷ lệ cao, tăng độ chính xác

 Thiết kế có tính thẩm mỹ cao, phù hợp giữa các khớp và quỹ đạo chuyển động của robot 6 bậc tự do

 Nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng tốt động cơ mới AC Mitsubishi J2S 10A

Thuật toán điều khiển:

 Nhóm áp dụng nhiều bộ điều khiển cho mô hình như bộ điều khiển PID, PD Folding

 Nhóm đưa ra được các so sánh giữa các giải thuật điều khiển, từ đó rút ra được nhận xét và kết luận

1.2 Tổng quan về robot và Robot 6 bậc tự do

1.2.1 Sơ lược về lịch sử Robot

Với một lịch sử phát triển lâu dài, cho đến nay robot đã trở thành tâm điểm của cuộc cách mạng công nghệ lớn của loài người sau internet Vào thế kỉ trước, lĩnh vực robot đã có những bước tiến dài

Bảng 1.1 Những thành tựu phát triển của robot trong thế kỉ 20

1930s Robot Humanoid (giống người) được triển lãm vào năm 1939 và 1940

tại Hội chợ thế giới

1948 Các robot đơn giản thể hiện các hành vi bắt chước sinh vật

1956

Robot thương mại đầu tiên, do công ty Unimation được thành lập

bởi George Devol và Joseph Engelberger, dựa trên các phát minh của Devol

1961 Robot lắp đặt công nghiêp đầu tiên

1973 Robot công nghiệp đầu tiên với 6 bậc tự do

1974

Robot công nghiệp được điều khiển bởi vi máy tính đầu tiên, IRB 6 do công ty ASEA sản xuất, được giao cho một công ty cơ khí nhỏ ở miền nam Thụy Điển Thiết kế của robot này đã được cấp bằng sáng chế đã được năm 1972

1975 Cánh tay thao tác vạn năng lập trình được, sản phẩm của Unimation Trong những năm 60 của thế kỉ trước, những ứng dụng đầu tiên trong việc sử dụng robot đã ra đời Con người sử dụng robot để thay thế hoặc thực hiện những công việc

và ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì việc phát triển robot và các ngành dịch vụ kéo theo sẽ đem đến một lợi ích vô cùng to lớn

Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua như: tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots) và robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots)

Bảng 1.2 Các chủng loại robot đang được phát triển và nhân rộng trên toàn thế giới

Nhóm robot Tên robot Hình ảnh

Tay máy Robot

Robot công nghiệp (Industrial Robot)

Robot y tế (Medical Robot)

Robot trợ giúp người tàn tật

(Rehabilitation robot)

Robot di động Robot tự hành trên mặt đất

AGV

Robot tự hành dưới nước AUV

Robot tự hành trên không UAV

Robot vũ trụ (Space Robots)

Robot phỏng sinh học

Robot đi (Walking robots)

Robot dáng người (Humanoid Robots)

Song song với việc chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot như động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lí thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot cũng được chú trọng nghiên

cứu Trong đó, các mô hình điều khiển cân bằng phục vụ cho việc nghiên cứu robot được ra đời ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam

1.2.2 Tổng quan về Robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do là một hệ thống robot phức tạp, gồm nhiều khớp liên kết với nhau như hình 1.3 cũng như vị trí lắp đặt của các động cơ AC Servo từ đế đến khâu chấp hành Các thông số như chiều dài từng khớp, khối lượng, vị trí trọng tâm và mô men quán tính của các thanh (link) được giải thích cụ thể trong phần 3.1

Hình 1.3 Cấu hình phần cứng- cơ khí thiết kế trên Solidworks

Bảng 1.3 Bảng thông số cơ bản của robot

Trọng lượng của robot

(bao gồm khối lượng của bộ

phận điều khiển)

9 Kg

Robot chuyển động sẽ có những giới hạn góc được mô tả như sau:

Hình 1.4 Giới hạn chuyển động trục J1 3600 (tùy chọn)

Hình 1.5 Giới hạn chuyển động trục J2

Hình 1.6 Giới hạn chuyển động trục J3

Hình 1.7 Giới hạn chuyển động trục J4

(không có điểm dừng cơ khí, phải giới hạn bằng phần mềm)

Hình 1.8 Giới hạn chuyển động trục J5

Hình 1.9 Giới hạn chuyển động trục J6

(không có điểm dừng cơ khí, phải giới hạn bằng phần mềm)

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Một trong những robot 6 bậc tự do hiện đại ngày nay đó là Robot Fanuc, robot này

nhiệm vụ đòi hỏi sự chính xác như gắp và di chuyển vật, hàn, khoan các điểm Vì vậy việc nghiên cứu các giải thuật điều khiển chính xác vị trí là rất quan trọng Đây cũng chính là mục tiêu nghiên cứu của nhóm đối với mô hình robot 6 bậc tự do của nhóm Để hoàn thành đề tài, nhóm đặt ra các mục tiêu cụ thể sau:

 Chế tạo mô hình thực nghiệm Robot 6 bậc tự do

 Nghiên cứu và áp dụng giải thuật điều khiển cho mô hình robot 6 bậc tự do:

o Giải thuật PID

o Giải thuật PD Folding

 Xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống robot 6 bậc tự do

 Xây dựng mô hình Simulink điều khiển và giám sát trạng thái

 Xây dựng giao diện C# điều khiển và giám sát thực nghiệm

1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

 Mô hình toán của Robot 6 bậc tự do

 Mô hình thực nghiệm Robot 6 bậc tự do

 Các giải thuật điều khiển PID và PD Folding cho Robot 6 bậc tự do

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phát triển mô hình toán, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng điều khiển chính xác vị trí Áp dụng các bộ điều khiển:

 Bộ điều khiển PID

 Bộ điều khiển PD Folding

Thiết kế mô hình thực nghiệm Robot và điều khiển vị trí chính xác bằng giải thuật điều khiển kinh điển PID và giải thuật điều khiển thông minh PD Folding

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Mô hình cánh tay robot 6 bậc tự do là một mô hình được sử dụng rất nhiều hiện nay trong công nghiệp Độ phi tuyến và ổn định của Robot 6 bậc tự do là bài toán cần được chú ý và tìm ra lời giải tối ưu Tuy nhiên, có thể sử dụng hệ thống này như là một đối tượng để thử nghiệm các lí thuyết điều khiển kinh điển cũng như các lí thuyết điều khiển mới Qua đó thấy được sự đa dạng các phương pháp điều khiển robot 6

bậc tự do Từ đó tìm kiếm được phương pháp điều khiển tối ưu cho mô hình robot 6 bậc tự do trong tương lai

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Robot 6 bậc tự do được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp Có rất nhiều hãng đang nghiên cứu và phát triến như: Fanuc, ABB, Universal…Và vấn đề trọng yếu của robot là điều khiển Có rất nhiều thuật toán điều khiển khác nhau như: Điều khiển trượt, PID, điều khiển mờ…Tuy nhiên, đề tài này sẽ giới thiệu một phương pháp điều khiển mới là PD folding, phương pháp này sẽ được kiểm chứng trong thực tế đồ án này Nhằm chứng minh tính khả dụng và tính chính xác của phương pháp này, hoàn toàn có thể ứng dụng vào việc điều khiển robot 6 bậc tự do

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lí thuyết về Robot Fanuc 6 bậc tự do, từ đó thiết kế, xây dựng, tính toán dựa trên hình mẫu Robot thực đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp Nghiên cứu về lí thuyết điều khiển chính xác vị trí Mô phỏng, vẽ biểu đồ để so sánh các thông số để đánh giá chất lượng hệ thống

Áp dụng các thuật toán điều khiển cho mô hình thực nghiệm Vẽ biểu đồ, so sánh các thông số để đánh giá chất lượng và lựa chọn bộ điều khiển thích hợp cho mô hình

1.7 Kết cấu luận văn

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cở sở lý thuyết

Chương 3: Khảo sát mô hình toán và mô phỏng kiểm chứng

Chương 4: Thiết kế và thi công mô hình

Chương 5: Điều khiển robot 6 bậc tự do

Chương 6: Kết quả đạt được và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lí hoạt động

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí hoạt động

Hệ thống làm việc cơ bản dựa trên sơ đồ nguyên lí như hình 2.1, ban đầu sẽ nhập

các góc trên hệ thống giám sát thiết kế bằng phần mềm C# Các góc được truyền xuống, đọc encoder về Tính toán sai số, so sánh đã thỏa mãn các điều kiện hay chưa? Nếu chưa sẽ qua các bộ điều khiển, tính toán và xuất giá trị U điều khiển để đưa hệ thống đạt tới điểm chính xác, sai số xấp xỉ bằng 0, không dao động

Để thiết kế các chi tiết riêng phù hợp với mô hình, nhóm em đã vận dụng các kiến thức đã học và thực hành trong suốt những năm qua, đó là dùng phần mềm Solidworks

Ngoài ra đồ án còn giúp nhóm có thể vận dụng những kiến thức đã học ở một số

bộ môn khác như:

 Lý thuyết kỹ thuật robot: Lên ý tưởng chế tạo mô hình

 Thực tập kỹ thuật robot: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình

 Thực tập kỹ thuật điện: Kết nối dây dẫn, dây tín hiệu, kết nối nguồn,…

 Các môn đại cương: Vật lý, toán,…

2.2.1 Cơ sở ý tưởng mô hình

Đề tài đồ án tốt nghiệp của nhóm được lấy ý tưởng và tham khảo trên mẫu Fanuc Robot, là một hệ thống robot 6 bậc tự do điển hình đáp ứng đầy đủ các khớp như một sản phẩm thực, nó có thể là đối tượng để áp dụng nhiều giải thuật điều khiển khác nhau Do đó, mô hình phải thể hiện được tính linh động nhưng vẫn đảm bảo các quy tắc của một mô hình thực nghiệm điển hình:

 Các khớp được kết nối với nhau và truyền động thông qua bánh răng, trên các khớp có gắn kèm theo các linh kiện phụ trợ do đó phải đảm bảo có đầy đủ lỗ ốc vít

 Phần khung inox đảm bảo độ chắc chắn, bền, chịu lực tốt và tránh sinh ngoại lực trong quá trình dao động của cơ cấu

 Phần bên trong robot được tính toán, thiết kế và thử nghiệm để gắn thêm các

tỉ số truyền cho moment của động cơ lớn hơn

 Phần đế gắn liền với mặt bàn để giữ chặt mô hình trên mặt phẳng nằm ngang song song mặt đất

 Khớp 5 và khớp 6 sử dụng in 3D để giảm trọng lượng cho robot, giúp hoạt động cánh tay của robot linh hoạt hơn

2.3 Thuật toán điều khiển

Trong quá trình nghiên cứu đồ án về thuật toán điều khiển cân bằng cho mô hình, nhóm chúng em đã vận dụng những kiến thức nền tảng của lí thuyết điều khiển tự động Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng phầm mềm Matlab để mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển và giám sát cho mô hình

2.3.1 Sơ lược lí thuyết điều khiển tự động

2.3.1.1 Các khái niệm cơ bản

Điều khiển: Tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình kia theo một quy luật hay một chương trình cho trước

Điều khiển học: Một bộ môn khoa học nghiên cứu nguyên tắc xây dựng các hệ điều khiển

Điều khiển tự động: Quá trình điều khiển hoặc điều chỉnh được thực hiện mà không

có sự tham gia trực tiếp của con người

Hệ thống điều khiển: Tập hợp tất cả các thiết bị mà nhờ đó quá trình điều khiển được thực hiện

Hệ thống điều khiển tự động (điều chỉnh tự động): Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật, đảm bảo điều khiển hoặc điều chỉnh tự động một quá trình nào đó (đôi khi gọi tắt là hệ thống tự động – HTTĐ)

Ý nghĩa của điều khiển tự động:

 Đáp ứng của hệ thống không thõa mãn yêu cầu công nghệ

 Tăng độ chính xác

 Tăng năng suất

 Tăng hiệu quả kinh tế

2.3.1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động

Sơ đồ tổng quát của một hệ thống điều khiển tự động

Trong đó:

 O: đối tượng điều khiển

 C: bộ điều khiển, hiệu chỉnh

 M: cơ câu đo lường và hồi tiếp

Các loại tín hiệu có trong hệ thống trên:

 u: tín hiệu chủ đạo (còn gọi là tín hiệu vào, tín hiệu điều khiển)

f(t) e(t)

2.3.1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động

 Phân loại theo nhiệm vụ:

Hệ điều khiển giữ ổn định: là hệ khi lượng vào là giá trị đặt trước (chủ đạo) thì lượng ra biến đổi xung quanh giá trị yêu cầu với sai lệch nào đó

Hệ điều khiển theo chương trình: là hệ thống khi lượng vào biến đổi theo quy luật nào đó thì lượng ra cũng biến đổi theo qui luật ấy Qui luật vào được gọi là chương trình điều khiển, nó có thể là qui luật theo không gian hoặc thời gian, có thể là liên tục hoặc rời rạc theo thới gian Hiện nay qui luật được tạo nên do phần mềm điều khiển

Hệ điều khiển tuỳ động: là lượng ra biến đổi theo đúng qui luật của lượng vào nhưng lượng vào là hàm bất kỳ của không gian và thời gian hoàn toàn không biết trước, để tạo ra hệ này phải gồm hai phần:

 Hệ điều khiển theo chương trình

 Thiết bị đo các đại lượng vật lý thực tế và gia công tạo chương trình điều khiển đầu vào

 Phân loại theo phương pháp tác động:

Hệ điều khiển trực tiếp: là hệ chỉ có thiết bị đo lường và cơ cấu điều khiển, với ưu điểm là đơn giản nhưng nhược điểm là sai số điều khiển lớn nên nó phù hợp với thiết bị gia đình như bàn là, nồi cơm điện, tủ lạnh

Hệ điều khiển không trực tiếp: là hệ ngoài thiết bị đo lường và cơ cấu điều khiển còn có khâu khuyếch đại trung gian (khuếch đại sai lệch) có ưu điểm là độ chính xác cao nên thường là các hệ điều khiển dùng trong công nghiệp

 Phân loại theo nguyên tắc tác động:

Hệ điều khiển liên tục: là hệ mà tín hiệu được xử lý trong hệ là tín hiệu liên tục theo thời gian, thiết bị sử dụng trong hệ là thiết bị tương tự và tính toán theo hệ thập phân

Hệ điều khiển rời rạc (hệ điều khiển xung-số): là hệ chỉ cần có một tín hiệu trong

hệ là hàm rời rạc theo thời gian Thiết bị được sử dụng trong hệ có thiết bị số và tính toán theo hệ nhị phân

Hệ điều khiển rơle: là hệ mà trong nó tồn tại phần tử làm việc theo đặc tính rơle

 Theo mô tả toán học:

Hệ tuyến tính: là hệ trong quá trình làm việc thông số của các phần tử không thay đổi hay là hệ thống có các phần tử được mô tả bởi phương trình vi phân tuyến tính Đặc trưng cơ bản của hệ tuyến tính là chịu tác động của nguyên lý xếp chồng

Hệ phi tuyến: là hệ trong quá trình làm việc chỉ cần một thông số nào đó biến đổi hoặc có ít nhất một phần tử trong hệ là phi tuyến Hệ phi tuyến không chịu tác động của nguyên lý xếp chồng

 Phân loại theo mạch vòng:

Hệ thống hở (không có phản hồi)

Hệ thống có một mạch vòng

Hệ thống có nhiều mạch vòng

 Theo khả năng thích nghi:

Hệ không tự động thích nghi: khi môi trường thay đổi tác động vào hệ thống thì đặc tính của hệ không thay đổi

Hệ tự động thích nghi: tự chỉnh định các biến đổi của bên ngoài ảnh hưởng đến hệ thống và nó tự chọn chế độ thích ứng

2.3.1.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản

 Nguyên tắc thông tin phản hồi

 Nguyên tắc đa dạng tương xứng

 Nguyên tắc bổ sung ngoài

 Nguyên tắc dự trữ

 Nguyên tắc phân cấp

 Nguyên tắc cân bằng nội

2.3.2 Lý thuyết các bộ điều khiển sử dụng

2.3.2.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là

bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc

độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan

hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖∫ 𝑒(𝜏)𝑑𝜏 + 𝐾𝑑𝑑𝑒(𝑡)

𝑑𝑡𝑡

0

(2.1) Trong đó các thông số điều chỉnh là:

Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

Ki: Độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

Kd: Độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh

e: sai số = SP - PV (SP là giá trị đặt của góc, PV là giá trị hồi tiếp của góc) t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

𝜏: một biến tích phân trung gian

Độ lợi tỉ lệ, Kp: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù

khâu tỉ lệ càng lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định

và dao động

Độ lợi tích phân, Ki: giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh

Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái

ổn định

Độ lợi vi phân, Kd: giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp

ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển của bộ PID

Mục tiêu điều khiển:

 Triệt tiêu sai số xác lập

 Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

 Hạn chế dao động

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái hoạt động, một phương pháp điều chỉnh là thiết lập giá trị đầu tiên của Ki, Kd bằng không Tăng dần Kp cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó Kp có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạt đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ" Sau đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý Tuy nhiên, Kiquá lớn sẽ gây mất ổn định Cuối cùng, tăng Kd nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, Kd quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, đặt một giá trị Kp nhỏ hơn một nửa giá trị Kp gây ra dao động

Ảnh hưởng của ba thông số lên hệ thống được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 2.1 Độ ảnh hưởng hệ thống của các thông số PID

Sai số ổn

Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp

Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng

kể Giảm cấp

Kd Giảm ít Giảm ít Giảm ít

Về lý thuyết không tác động

Cải thiện nếu Kd nhỏ

2.3.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển PD FOLDING

Động lực học của hệ thống của dạng như phương trình (2.2):

PD   P

Trong đó: 𝐊𝑃 là ma trận khuếch đại

Trong thực tế, trong các điều kiện nhiễu 𝝉𝑑 bị giới hạn, việc áp dụng tín hiệu điều khiển (2.4) trực tiếp vào hệ thống (2.2) luôn dẫn đến sự ổn định Tuy nhiên, cả hiệu suất ổn định và trạng thái ổn định cần được phân tích nhiều hơn

Các hành vi bất ngờ có thể đến từ hiệu ứng của Coriolis và ma trận thuật ngữ ly tâm 𝐂(𝐪, 𝐪̇), đặc điểm của tín hiệu tham chiếu 𝐪𝑑 và nhiễu loạn bên ngoài Các yếu

tố này có thể được phân loại thành các tác động bù 𝛕𝑑, tần số trung bình và cao tần

Do đó, quy tắc điều khiển (2.4) được sửa đổi để xử lý các vùng như vậy để có hiệu suất tốt hơn, như sau

𝛕 = 𝐊1tanh(𝐮𝑃𝐷) + 𝐊2sgn(𝐮𝑃𝐷) + 𝐊3 (2.5) Trong đó 𝐊𝑖|𝑖 = 1,2 là ma trận điều khiển xác định dương, và 𝐊3 là một một giới hạn điều khiển khác có thể điều chỉnh

Mức tăng 𝐊3 và thành phần 𝐊2sgn(𝐮𝑃𝐷) được dùng để loại bỏ phần bù và nhiễu tần số cao trong khi thành phần 𝐊1tanh(𝐮𝑃𝐷) đóng vai trò chủ đạo trong việc triệt tiêu hiệu ứng tần số trung bình

Sơ đồ điều khiển (2.5) đã được xây dựng theo quan điểm tần số cho sai số điều

điều khiển thích hợp Như đã nêu trong (2.5) một lần nữa, các giá trị lớn của 𝐊2 có thể dẫn đến vấn đề dao động, trong khi giá trí 𝐊1 nhỏ là khá khó khăn để tạo ra một hiệu suất điều khiển tuyệt vời Nó có nghĩa là lựa chọn điều chỉnh tự động chắc chắn

là cần thiết

Như đã thảo luận ở trên, độ lợi thông minh phải có khả năng thích ứng theo các hành vi nhanh chóng của hệ thống với sai số điều khiển tối thiểu (2.7) hoặc mục tiêu điều khiển tương đương (2.4) Cuối cùng, các luật điều khiển (2.4) - (2.5) được định

dạng bằng cấu trúc mạng nơ-ron trong đó lớp đầu vào của nó (x) bao gồm hai nơ-ron,

được cung cấp bởi thành phần điều khiển PD (2.4) và một sai lệch:

trong đó ∆ là một tỷ lệ học, 𝐮∞ là một khu vực hội tụ mong muốn

Lưu ý, nguyên tắc làm việc của quy tắc học (2.8) là độ lợi đáp ứng cho thành phần tần số cao và trung bình 𝐊𝑖|𝑖 = 1,2 sẽ được kích hoạt để điều chỉnh lỗi tương đương (2.4) trở lại bên trong vùng mong muốn 𝐮∞, sau đó các thành phần này được giảm bởi các chức năng rò rỉ để thư giãn toàn bộ hệ thống Khâu khuếch đại 𝐊3 là một thành phần tìm kiếm của bù nhiễu loạn Tổng quan về bộ điều khiển đề xuất được thể hiện trong hình 2.3

Robot Joint

PI Control Term

Folding Control Term Switching Control Term Offset Control Term

+ Desired

2.3.3.1 Giới thiệu về MATLAB

Matlab là viết tắt của Matrix Laboratory, là một bộ phần mềm toán học của hãng Mathworks để lập trình, tính toán số và có tính trực quan rất cao

Matlab làm việc chủ yếu với ma trận Ma trận cỡ MxN là bảng chữ nhật gồm MxN

số được sắp xếp thành M hàng và N cột Matlab có thể làm việc với nhiều kiểu dữ liệu khác nhau Với chuỗi kí tự Matlab cũng xem là một dãy các kí tự hay là dãy mã

số của các ký tự Matlab dùng để giải quyết các bài toán về giải tích số, xử lý tín hiệu

số, xử lý đồ họa,…mà không phải lập trình cổ điển

Hiện nay, Matlab có đến hàng ngàn lệnh và hàm tiện ích Ngoài các hàm cài sẵn trong chính ngôn ngữ, Matlab còn có các lệnh và hàm ứng dụng chuyên biệt trong các toolbox, để mở rộng môi trường Matlab nhằm giải quyết các bài toán thuộc các phạm trù riêng Các toolbox khá quan trọng và tiện ích cho người dùng như toán sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận thưa, logic mờ…

Chương trình Matlab là một chương trình viết cho máy tính nhằm hỗ trợ tính toán cho khoa học, kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do nhà phát triển mathworks viết ra

Các lệnh, tập lệnh của Matlab lên đến hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần toolbox và các hàm ứng dụng được xây dựng cho người sử dụng Matlab có hơn 25 toolbox để khảo sát hầu hết những vấn đề về khoa học, kỹ thuật

Hình 2.4 Icon phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink

Phần mềm Matlab có rất nhiều ứng dụng như tính toán vẽ đồ thị mô phỏng Và đây là giao diện của chức năng mô phỏng trên Matlab

Hình 2.5 Giao diện của chức năng mô phỏng Matlab/Simulink