- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Nghiên cứu, ứng dụng thuật toán thích nghi điều khiển chuyển động của robot trong không gian đề các
Xem mẫu
- ISSN 2354-0575
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG KHÔNG GIAN ĐỀ CÁC
Đào Minh Tuấn, Nguyễn Thị Thúy, Nguyễn Thị Như
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày nhận: 03/2/2016
Ngày xét duyệt: 09/3/2016
Tóm tắt:
Để nâng cao chất lượng chuyển độngcủa robot công nghiệp, các bộ điều khiển sử dụng các thuật
toán điều khiển như điều khiển trượt, PID bù trọng trường, tuyến tính hóa… Tuy nhiên, trong một số điều
kiện làm việc của robot công nghiệp, các tham số động học của robot thay đổi ví dụ như trọng lượng của
vật mà cánh tay robot gắp, mô men quán tính của các khớp. Sự thay đổi này làm ảnh hưởng đến chất chuyển
động, độ chính xác vị trí các khớp cũng như quỹ đạo chuyển động của robot. Bài báo này đề cập đến ứng
dụng thuật toán điều khiển thích nghi điều khiển chuyển động của robot trực tiếp trong không gian Decac
để hạn chế và loại bỏ sự ảnh hưởng đó.
Từ khóa: Điều khiển robot, Điều khiển thích nghi, Điều khiển hệ thống có tham số không dừng.
1. Đặt vấn đề - Khớp 2: Chuyển động quay quanh trục Z1
Sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi - Khớp 3: Chuyển động tịnh tiến theo trục Z2
để điều khiển chuyển động robot trong không gian
khớp nhằm mục đích điều khiển góc quay của các
khớp (với các khớp quay) và chiều dài dịch chuyển
(đối với các khớp tịnh tiến) gọi chung là các biến
sao cho bám quỹ đạo đã đặt trước của các khớp khi
mà có các tác động từ sự thay đổi các tham số động
học của robot trong khi làm việc.
Trong thực tế và bằng thực nghiệm cho thấy,
điểm tác động cuối của cánh tay robot (đặt tại bàn
tay robot) được quy chiếu lên hệ trục tọa độ Oxyz
(hệ trục tọa độ đặt ở khớp đầu tiên của cánh tay
robot). Bài báo đưa ra ứng dụng thuật toán điều
khiển thích nghi để điều khiển chuyển động của Hình 1. Robot RRT
robot trong không gian Decac. Phương pháp điều
khiển này thay cho phương pháp điều khiển chuyển Trong đó i1, i2 là góc quay của khớp 1 và khớp 2;
động của robot trong không gian khớp để giảm sai d3 là chiều dài tịnh tiến của khớp 3.
số tương đối khi quy chiếu hệ tọa độ đặt trên các
khớp lên hệ trục tọa độ gốc Oxyz. 2.1.2. Phương trình động lực robot
Phương trình động lực học của cánh tay
2. Cơ sở lý thuyết robot được xây dựng dưới dạng:
2.1. Xây dựng phương trình động lực học của robot M = H (Q) Qp + V (Q, Qo ) + G (Q) (1)
2.1.1. Môhình robot RRT Trong đó H, V, G lần lượt là các thành phần quán
Chuyển động của robot gồm 3 khớp. tính, tương hỗ và thành phần bù trọng trường thu
- Khớp 1: Chuyển động quay quanh trục Z0 được từ động học của robot.
JK m q2 ^s2 - 1h q2 m ^s2 - 1h N
d22 m3 ^s22 - 1h - d2 m3 q3 ^s22 - 1h
KKI1 - 3 3 2 O
0 OO
2 2 2
- 0
KK 4 4 OO
K m2 q23 d22 m2 d22 m3 O
H = KK 0 I1 + I2 + 4 + + + d2 m3 q3 0 OO
KK 4 4 O
KK m3 OO
0 0 4
O
L P
(2)
28 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng 3 - 2016 Journal of Science and Technology
- ISSN 2354-0575
m3 s2 c2 q23 qo 1 qo 2 m3 q3 ^s22 - 1h qo 1 qo 3 d22 m2 s2 c2 qo 1 qo 2
V11 = - - - - 2d22 m3 c2 s2 qo 1 qo 2 - d2 m3 ^s22 - 1h qo 1 qo 3 - 2d2 m2 s2 c2 q3 qo 1 qo 2
4 4 2
d22 m2 s2 c2 q1 qo 1 m3 s2 c2 q23 q1 qo 1
V21 = m3 q3 qo 2 qo 3 + 2
+ 2d22 m3 s2 c2 q1 qo 1 + d2 m3 qo 2 qo 3 +
2
+ 2d2 m3 s2 c2 q3 q1 qo 1
(3)
m3 q3 ^s2 1h q1 qo 1
+ d2 m3 ^s22 - 1h q1 qo 1 +
m3 q2 q3 qo 2 2-
V31 = d2 m3 q2 qo 2 - 2 2
RS 0 VW Z]DH = Ht (Q) - H (Q)
SS WW ]]
S m3 c2 gq3 d2 m2 c2 g W Đặt [DC = Ct (Q, Qo ) - C (Q, Qo ) (10)
G = SS 2 + 2 + d 2 m 3 2 W
c g WW (4) ]]
SS WW ]]DG = Gt - G
SS m3 s2 g WW SS 2 W Thay vào phương trình (6) ta có
T X
(H + DH) vo + (C + DC) v + (G + DG) + KD r =
2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi
= HQp + CQo + G (Q) (11)
2.2.1. Xây dựng thuật toán
Xuất phát từ phương trình động lực học của H (vo - Qp ) + C (v - Qo ) + DH . vo + DC . v + DG = - KD r
144444444442o 44444444443
robot (1) đã được xây dựng. o
Y (V, V, Q, Q) DP
Khi đặt một momen M vào các khác thì các (12)
khớp sẽ quay một góc là Q với Suy ra:
T = [T1; T2; .. Tn] ; Q = [q1; q2; .. qn] Hro - Cr + Y (Vo, V, Qo , Q) DP = - KD r (13)
T là thành phần momen lấy từ bộ điều khiển,
n là số bậc tự do của robot. Khi đó, gia tốc góc quay 2.2.2. Chứng minh thuật toán
là: Qp = H -1 * 6T - V - G@
Chọn hàm Lyuapunov:
(5)
V = 2 6r T H (Q) r + DPT CDP@
1 (14)
Khi cánh tay robot làm việc thì góc quay của
các khớp, vận tốc các khớp và quán tính của các Trong đó, C là ma trận đường chéo xác định dương
khớp thay đổi. Giả sử các tham số động học của hệ cấp n.
thống không biết lần lượt là thành phần khối lượng Theo luật cập nhập thì:
mi và thành phần quán tính là Ii mà ta không biết. Ta Pto = C -1 Y T (vo , v, Qo , Q) r
phải ước lượng một giá trị của mi và Ii . Momen hoặc DP = Pt - P " DPo = Pto
lực cần thiết đưa vào các khớp được xác định là:
Lấy đạo hàm của DPT CDP ta được:
M = Ht (Q) vo + Ct (Q, Qo ) v + Gt (Q) + KD r (6)
d o o T
dt ( DP CDP) = DP CDP = DP CCY r =
T T T
Z] = - _b
]] v qo d L (qd - q) bb
[ vo = q
p - L qo - q
o `b = DP T Y T r = r T YDP
Trong đó: ]] d ( d ) (7)
]] r = (qo d - qo ) + L (qd - q) bbb Nhân hai vế của phương trình (14) với rT ta được:
\ a 1 T
2 ;r H (Q) r + 1r44-4YDP E
= - r T KD r
T T
qd là các giá trị góc đặt của các khớp. 2 44
4 3 1442o 443
G 1 . YT r
L là ma trận đường chéo xác định dương Z] r T 2 0
V
Dựa vào luật ước lượng từ phương trình ]]
động học Trong đó: [] KD 2 0 " Vo 1 0
]]
r20
>1444444442444444443H
1
M = H (Q) Qp + 2 Ho (Q) + S (Q, Qo ) Qo + G (Q) = Suy ra hệ ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.
C (Q, Qo )
= Y (Qp , Qo , Qo , Q) P (8)
3. Kết quả ứng dụng thuật toán điều khiển cho
Với ma trận hồi quy Y (Qp , Qo , Qo , Q) P robot RRT
Trong đó: P = [m1; ..mn; I1; ..In] 3.1. Sơ đồ khối điều khiển robot RRT trong
không gian Decac
Ta có luật cập nhập để tính Pto Sơ đồ mô tả như Hình 2.
Pto = C -1 Y T (vo , v, Qo , Q) r
(9)
Giả sử vị trí ban đầu của tay kẹp robot RRT
đang ở tọa độ x(0.768, 0.1560, 659) tương ứng với
Từ luật cập nhập đó, ta tính được các tham
góc quay của khớp một và khớp 2 là (11.46o, 11.46o)
X
m 1 ..... X
mn
số ) và chiều dài thanh nối thứ ba là 0.3m.
U
I 1 ..... U
In Đặt tọa độ vị trí tay kẹp robot mong muốn
Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng 3 - 2016 Journal of Science and Technology 29
- ISSN 2354-0575
trên hệ trục tọa độ O(x0, y0, z0) là: Suy ra:
(xd , yd , zd) = (0.1, 0.3, 0.5) 2x
=- s1 c2 (d2 + q3 ) ; 2x =- c1 s2 (d2 + q3 )
2i1 2i2
3.2. Ứng dụng thuật toán điều khiển 2x 2y
Đặt biến phụ: 2q3 = c1 c2 ; 2i = c1 c2 (d2 + q3 ) ;
1
2y 2y 2z
=- s2 s1 (d2 + q3 ) ; 2q = s1 c2 ; 2i = 0 ;
-
v = J 1 (xo d + L (xd - x)) (15)
2i2
vo = J 7xpd + L (xo d - xo ) - Jv
o A
3 1
-1
(16)
2z 2z
= c2 (d2 + q3 ) ; 2q = s2 .
r = J -1 7Jqo - xo d + L (x - xd )A (17) 2i2
3
Với J là ma trận Jacobi của robot RRT được Suy ra:
xác định từ vị trí của tay kẹp trong hệ trục tọa độ. JK- s c (d + q ) - c s (d + q ) c c NO
]Z] x = c1 c2 (d2 + q3 ) KK 1 2 2 3 1 2 2 3 1 2O
O
] J = KK c1 c2 (d2 + q3 ) - s2 s1 (d2 + q3 ) s1 c2 OO
O (x 0, y0, z0) [] y = c2 s1 (d2 + q3 ) (18) KK O
]] 0 c2 (d2 + q3 ) s2 O
] z = d1 + s2 (d2 + q3 ) L P
JK- c c (d + q ) + s s (d + q ) - s c s s (d + q ) - c c (d + q ) - c c - s c - c s NO
K 1 2 2 3 1 2 2 3 1 2 1 2 2 3 1 2 2 3 1 2 1 2 1 2O
Jo = KKK- c1 s2 (d2 + q3 ) - s1 c2 (d2 + q3 ) + c1 c2 s1 c2 (d2 + q3 ) - c1 s2 (d2 + q3 ) - s1 s2 - s1 s2 + c1 c2OOO (19)
KK 0 - s2 (d2 + q3 ) + c2 c2 OO
L P
L là ma trận đường chéo xác định dương (3x3) Với Po =- T e-1 Y T r
Xo = 7xo , yo , zoA với Xo = Jio
T
hay Pto = C -1 Y T (vo , v, Qo , Q) r
Bộ điều khiển và luật cập nhập tham số là: Các tham số được cập nhập và đưa vào bộ
điều khiển là: P = 8m2 ; m3 ; U I 1 ;UI 2 ;U
I 3B
T
T = Hvo + Cv + G + Kd r (20)
Hình 2. Sơ đồ điều khiển robot RRT trong không gian Decac
30 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng 3 - 2016 Journal of Science and Technology
- ISSN 2354-0575
3.3. Kết quả mô phỏng ứng dụng thuật toán cho
robot RRT
3.3.1. Kết quả các đáp ứng của vị trí tay kẹp
robot trong hệ trục tọa độ gốc
Hình 6. Đáp ứng theo trục x, y, z
Kd=[20 0 0; 0 20 0; 0 0 20]
L=[10 0 0; 0 10 0; 0 0 10]
Hình 3. Đáp ứng theo trục x 3.3.2. Đánh giá kết quả mô phỏng trên robot RRT
Kd=[20 0 0; 0 20 0; 0 0 20] Với kết quả mô phỏng thu được trong Hình
L=[10 0 0; 0 10 0; 0 0 10] 3, Hình 4, Hình 5, Hình 6 ta thấy
- Tọa độ điểm tác động cuối của cánh tay
máy bám theo tọa độ đặt trước (xd , yd , zd ) = (0.1,
0.3, 0.5)
- Thời gian quá độ nhỏ (đều nhỏ hơn 0.5ms).
- Độ quá điều chỉnh thấp.
4. Kết luận và đánh giá
Bài báo trình bày tổng quan về ứng dụng
thuật toán điều khiển thích nghi điều khiển chuyển
động robot công nghiệp trong không gian Decac.
Với kết quả thu được từ ứng dụng trên cánh tay
robot RRT nhận thấy chất lượng điều khiển thu
Hình 4. Đáp ứng theo trục y được khá tốt. Ưu điểm nổi bật của phương pháp này
Kd=[20 0 0; 0 20 0; 0 0 20] là hạn chế những ảnh hưởng của sự thay đổi các
L=[10 0 0; 0 10 0; 0 0 10] tham số động học của robot đến chất lượng chuyển
động trong quá trình làm việc. Các tham số động
học không cần xác định chính xác mà chỉ ước lượng
một giá trị nào đó. Các tham số này sẽ được cập
nhập thường xuyên bằng luật cập nhập tham số và
được đưa vào bộ điều khiển. Điều này sẽ làm giảm
sự ảnh hưởng của sự thay đổi các tham số động học
của cánh tay robot trong quá trình làm việc.
Ngoài ra, với thuật toán này có thể phát triển
thêm ứng dụng mạng Neural trong việc nhận dạng
sự thay đổi các tham số động học trong phương
pháp này thì chất lượng điều khiển thu được sẽ tốt
hơn.
Hình 5. Đáp ứng theo trục z
Kd=[20 0 0; 0 20 0; 0 0 20]
L=[10 0 0; 0 10 0; 0 0 10]
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Mạnh Tiến, (2007), “Điều khiển Robot công nghiệp”, NXB KHKT, Hà Nội.
[2]. Phạm Đăng Phước, (2006), “Robot công nghiệp”, NXB KHKT, Hà Nội.
31 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng 3 - 2016 Journal of Science and Technology
- ISSN 2354-0575
[3]. Jean-Jacques, E.Slotine, Weiping Li, “On the Adaptive Control of RobotManipulator”, the
international Journal of Robotics Research, 1987, page 147-157.
[4]. Bernard Hodges, (1992), “Industrial Robotics”, Oxford Newnes.
[5]. Prankl-Lewis, (2004), “Robot Manipulator Control Theory and Practice”, Marcel Dekker.
[6]. Wesley E. Snyder, (1985), “Industrial Robots”, Computer Interfacing and Control, Prentice-Hall,
New Jersey.
RESEARCH, APPLY ADAPTIVE ALGORITHM TO CONTROL MOVEMENTS
OF ROBOT MANIPULATOR IN DECAC SPACE
Abstract:
To improve the quality of industrial robot motion, the controller uses the control algorithm as sliding
controller, PID offset gravity, exact linearization. However, the working conditions of industrial robots,
the kinetic parameters such as changes in the weight of the robot arm to pick up objects, inertial torque
changes affecting the motion of the robot. To mitigate and reduce the impact that the movement of the robot,
using adaptive control algorithm with the aim to adapt with changes that kinetic parameters.
Keywords: Robot control, Adaptive control, Control systems that have variability parameters.
32 Khoa học & Công nghệ - Số 9/Tháng 3 - 2016 Journal of Science and Technology
nguon tai.lieu . vn
