Nghiên cứu điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do tại ĐH Công nghiệp TPHCM

Nghiên cứu giải pháp điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do, ứng dụng trong đào tạo và thực hành tại phòng thí nghiệm điều khiển thông minh.

• Tác giả: Lâm Quang Hoàng Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hữu Toàn
• Trường học: Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Điện tử
• Đề tài: Điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do để phục vụ phòng thí nghiệm điều khiển thông minh
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do hiện đại

Robot 2 bậc tự do là mô hình cơ điện tử kinh điển trong giảng dạy và nghiên cứu tự động hóa. Cấu trúc gồm hai liên kết và hai khớp quay chịu tác động phi tuyến mạnh. Động lực học của mô hình bao gồm lực quán tính, lực Coriolis và ma sát phi tuyến phức tạp. Các bộ điều khiển truyền thống như PID thường gặp giới hạn lớn khi thông số hệ thống biến thiên.

Phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy Control) mang lại giải pháp vượt trội cho bài toán này. Giải thuật sử dụng các tập mờ và luật điều khiển dựa trên kinh nghiệm chuyên gia để xử lý sai số. Hệ thống không phụ thuộc hoàn toàn vào phương trình vi phân phi tuyến chính xác của mô hình vật lý. Nhờ đó, robot duy trì phản ứng nhanh và giảm thiểu độ vọt lố khi vận hành.

Tại các phòng thí nghiệm điều khiển thông minh, mô hình robot 2 bậc tự do đóng vai trò nền tảng. Thiết bị giúp người học tiếp cận trực quan cấu trúc phần cứng, cảm biến encoder và vi điều khiển. Việc triển khai giải thuật mờ giúp kiểm chứng lý thuyết điều khiển hiện đại trên nền tảng thực nghiệm.

1.1. Cấu tạo cơ khí và động lực học robot 2 bậc tự do

Mô hình tay máy 2 bậc tự do gồm hai khâu truyền động gắn với hai động cơ DC servo độc lập. Mỗi khớp trang bị bộ mã hóa xung quang học (encoder) để đọc chính xác góc quay tức thời. Phương trình Euler-Lagrange mô tả động lực học của hệ thống qua ma trận quán tính, ma trận lực Coriolis và vector thế năng trọng trường. Các liên kết cơ khí chịu tác động rung lắc nếu thiết kế kết cấu thiếu độ cứng vững. Do đó, việc xây dựng mô hình hình học và không gian làm việc chính xác là tiền đề quan trọng để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động.

1.2. Vai trò của điều khiển thông minh trong phòng thí nghiệm

Phòng thí nghiệm điều khiển thông minh yêu cầu các mô hình thực hành có tính mở và độ an toàn cao. Hệ thống robot 2 bậc tự do tích hợp giải thuật mờ cho phép người học kiểm chứng các bài toán bám quỹ đạo phức tạp. Thiết bị kết nối card thu thập dữ liệu thời gian thực và phần mềm máy tính để quan sát trực quan đồ thị sai số. Nền tảng này thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết giải tích và phần cứng ứng dụng. Sinh viên có thể tùy biến bảng luật mờ để phân tích chất lượng đáp ứng động lực học của hệ thống.

II. Thách thức trong điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do thực tế

Hệ thống robot tay máy hai bậc tự do chứa đựng nhiều yếu tố bất định và phi tuyến tính cao. Khi chuyển động với vận tốc lớn, khớp nối sinh ra lực ly tâm và lực quán tính tương hỗ phức tạp. Hiện tượng ma sát tĩnh và ma sát trượt tại các trục quay làm suy giảm độ chính xác định vị. Hơn nữa, việc tải trọng thay đổi đột ngột khiến các tham số mô hình toán học bị sai lệch đáng kể.

Các bộ điều khiển tuyến tính kinh điển như PID không thể tự thích nghi trước những biến động này. Nếu giữ nguyên hệ số khuếch đại, hệ thống dễ rơi vào trạng thái mất ổn định hoặc dao động kéo dài. Ngược lại, việc thiết kế bộ điều khiển phi tuyến chính xác đòi hỏi khối lượng tính toán ma trận rất lớn.

Đối với môi trường phòng thí nghiệm đào tạo, rào cản chi phí phần cứng chuyên dụng cũng là vấn đề nan giải. Các thiết bị nhập khẩu thường có giá thành cao và khó can thiệp sâu vào cấu trúc phần mềm điều khiển. Do đó, nhu cầu chế tạo mô hình robot nội địa ứng dụng điều khiển mờ với giá thành hợp lý là yêu cầu cấp thiết.

2.1. Tác động của yếu tố phi tuyến và nhiễu bất định

Các yếu tố bất định trong robot bao gồm sự biến thiên của khối lượng tải, ma sát cơ khí và nhiễu đo lường từ cảm biến. Lực Coriolis giữa khớp một và khớp hai gây ra hiện tượng ghép kênh mạnh mẽ. Khi một khớp chuyển động, khớp còn lại lập tức chịu mô-men xoắn phụ tải ngoài ý muốn. Những nhiễu động này khiến tín hiệu phản hồi từ encoder xuất hiện sai số tích lũy. Nếu thuật toán không đủ mạnh, điểm công tác cuối của tay máy sẽ trượt khỏi quỹ đạo định trước, gây nguy cơ va chạm nguy hiểm.

2.2. Hạn chế của các bộ điều khiển cổ điển trên mô hình robot

Bộ điều khiển PID truyền thống dựa trên giả thiết đối tượng tuyến tính xung quanh điểm làm việc cố định. Khi robot 2 bậc tự do chuyển đổi không gian làm việc rộng, các thông số tối ưu ban đầu của PID không còn phù hợp. Hiện tượng trễ pha và độ vọt lố xuất hiện liên tục khi vận tốc thay đổi nhanh. Việc hiệu chỉnh thủ công các tham số Kp, Ki, Kd tốn nhiều thời gian nhưng không đạt hiệu quả toàn cục. Điều này thúc đẩy việc tích hợp giải thuật mờ để tự động điều chỉnh luật điều khiển thích nghi.

III. Thiết kế hệ thống điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do tối ưu

Giải pháp điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do bao gồm ba khối chính: mờ hóa, khối suy luận luật mờ và giải mờ. Tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển là sai số góc quay (e) và đạo hàm sai số (de/dt) của từng khớp. Hàm liên thuộc dạng tam giác hoặc hình chuông được thiết lập để phân chia các vùng ngôn ngữ như Âm Lớn, Âm Nhỏ, Không, Dương Nhỏ, Dương Lớn.

Khối suy luận Mamdani hoặc Takagi-Sugeno áp dụng tập luật IF-THEN dựa trên kinh nghiệm động lực học robot. Tín hiệu đầu ra sau khi giải mờ theo phương pháp trọng tâm (Centroid) sẽ tạo điện áp điều khiển chính xác cho mạch cầu H của driver động cơ.

Hệ thống phần cứng điều khiển sử dụng card thu thập dữ liệu đa năng NI PCI kết nối máy tính chủ thời gian thực. Tín hiệu xung từ encoder được giải mã qua board giao tiếp trung gian chuyên dụng. Thuật toán giám sát an toàn tự động ngắt động cơ khi điểm công tác vượt khỏi giới hạn vùng làm việc. Cấu trúc tích hợp này đem lại khả năng bám quỹ đạo mượt mà và triệt tiêu dao động.

3.1. Xây dựng cấu trúc tập mờ và ma trận luật suy luận

Cấu trúc mờ hóa chuyển đổi biến sai số vị trí và biến thiên sai số góc khớp thành các giá trị ngôn ngữ. Ma trận luật mờ được xây dựng dựa trên nguyên lý bù trừ mô-men quán tính và ma sát động. Khi sai số lớn, bộ điều khiển xuất tín hiệu cực đại để rút ngắn thời gian đáp ứng. Khi góc khớp tiến gần vị trí đặt, quy tắc mờ tự động giảm điện áp để tránh vượt ngưỡng. Phương pháp giải mờ trọng tâm tính toán giá trị ngõ ra liên tục, đảm bảo động cơ hoạt động êm ái và không bị giật cục.

3.2. Tích hợp phần cứng card NI và giao diện điều khiển

Phần cứng mô hình kết nối card NI PCI qua cáp DB15 với board giao tiếp vào ra công nghiệp. Tín hiệu xung A, B từ hai encoder đưa vào các chân PFI để đếm xung tốc độ cao. Các cổng ngõ ra tương tự (Analog Output) cung cấp điện áp điều khiển tuyến tính từ 0 đến 5V cho driver động cơ DC. Giao diện phần mềm trên máy tính hiển thị thời gian thực quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực tế. Hệ thống tích hợp nút dừng khẩn cấp STOP và nút tự động đưa robot về vị trí gốc RESET.

IV. Đánh giá hiệu quả điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do thực tế

Kết quả thực nghiệm khẳng định bộ điều khiển mờ vượt trội so với các phương pháp điều khiển kinh điển trên mô hình robot 2 bậc tự do. Hệ thống đạt độ chính xác bám quỹ đạo cao với sai số xác lập nhỏ hơn 1 độ trên cả hai khớp quay. Thời gian đáp ứng quá độ diễn ra nhanh chóng, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động quanh điểm cân bằng.

Mô hình phần cứng tự thiết kế hoạt động ổn định và có chi phí sản xuất thấp. Cấu trúc mô-đun hóa cho phép dễ dàng bảo trì và thay thế linh kiện khi cần thiết. Việc trang bị đầy đủ cơ chế bảo vệ vùng làm việc giúp đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người học trong quá trình thao tác.

Mô hình là công cụ giảng dạy trực quan đắc lực cho các môn học như Robot học, Hệ thống điều khiển thông minh và Xử lý tín hiệu số. Thiết bị tạo điều kiện cho sinh viên thử nghiệm các giải thuật điều khiển thích nghi, mạng nơ-ron hoặc điều khiển trượt mờ. Đây là bước đệm quan trọng nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật tự động hóa hiện đại.

4.1. Kết quả bám quỹ đạo và đáp ứng quá độ của hệ thống

Thực nghiệm bám quỹ đạo đường tròn và đường elip chứng minh giải thuật mờ xử lý hiệu quả hiện tượng trượt khớp. Đồ thị đáp ứng cho thấy góc quay hai khớp bám sát tín hiệu đặt với độ trễ thời gian rất nhỏ. Khi có tải trọng bất định tác động đột ngột, bộ điều khiển nhanh chóng tái lập trạng thái cân bằng trong vòng 0.2 giây. Khả năng tự thích nghi này giúp triệt tiêu hiện tượng vọt lố so với giải thuật PID truyền thống, đảm bảo độ êm mượt cho các cơ cấu chấp hành.

4.2. Khả năng ứng dụng và hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo

Mô hình đáp ứng xuất sắc nhu cầu giảng dạy chuyên sâu tại các phòng thí nghiệm điều khiển tự động. Thiết bị giúp sinh viên nắm vững quy trình lập trình nhúng, xử lý tín hiệu cảm biến và thiết kế bộ điều khiển thông minh. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm camera nhận dạng vật thể để thực hiện các thao tác gắp đặt tự động. Đồng thời, việc kết hợp giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa bảng luật mờ sẽ nâng cao hơn nữa hiệu năng của robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 9 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. Mục tiêu nghiên cứu 2. 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.

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 10 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. Phương pháp nghiên cứu 3.

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. 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. 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.

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. 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. Mô hình robot tay máy 2 bậc tự do 4.1 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. 12 Hình 1 Cánh tay robot liên kết với động cơ và khâu chấp hành cuối Hình 2 Mô hình 3D Robot 2 bậc tự do 13 Hình 3 Bảng điều khiển mô hình Bảng điều khiển được thiết kế gồm có: − Jack BD15: Dùng để kết nối với PCI.

− Jack Nguồn: Dùng để cấp nguồn 220v. − Công tắc nguồn: Đóng/Ngắt nguồn cấp cho mô hình. − Đèn báo nguồn: Báo đang cấp nguồn cho mô hình. − Công tắc Stop: Động cơ dừng hoạt động.

− Công tắc Reset: Đưa cánh tay Robot về vị trí 0.2 Sản phẩm mô hình robot tay máy 2 bậc tự do Mô hình được xây dựng phù hợp với yêu cầu đặt ra đảm bảo các đặc tính kỹ thuật. Mô hình được thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh, các hình ảnh của mô hình được thể hiện ở các Hình 4, 5, 6, 7. 14 Hình 4 Hình ảnh phần cứng điều khiển 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 Hình 7 Mô hình kết nối với car NI PCI và máy tính 16 4. Kết quả thực nghiệm của mô hình Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế cho robot trên nền tảng matlab/simulink: Hình 8 Chương trình điều khiểu dùng bộ điều khiển PID mờ Sau khi chạy chương trình điều khiển, robot với khâu chấp hành cuối được trang bị bút lông dầu sẽ thực hiện vẽ quỹ đạo là các hình vẽ đơn giản lên mặt giấy A4.

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 Ta cho Robot hoạt động trong môi trường chịu tác động của những yếu tố bất định như phải mang thêm tải (thay đổi về khối lượng khâu châp hành cuối) để kiểm chứng thêm chất lượng của bộ điều khiển PID mờ. Hình 11 Thêm tải cho khâu chấp hành cuối của Robot Để kiểm tra hiệu quả của bộ điều khiển PID Mờ, ta cho Robot bám đuổi các quỹ đạo đặt trước và so sánh, đánh giá đáp ứng điều khiển của 2 bộ điều khiển PID 18 và PID Mờ. Do kết quả khó có thể đánh giá chính xác qua quan sát trực tiếp nên ta thực hiện so sánh định lượng, để so sánh kết quả đáp ứng giữa 2 bộ điều khiển khi bám đuổi quỹ đạo mong muốn. Công thức sai số toàn phương trung bình (MSE) như sau: ∫Tc e 2 (t )dt AE = T0c 2 (5.1) ∫ 0 θT (t )dt Bảng 1 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo elip Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID Mờ θ1 θ2 θ1 θ2 Không có Lần 1 1.2220 × 10−7 yếu tố bất định Lần 2 1.2220 × 10−7 Có yếu tố Lần 1 3.5035 ×10−7 bất định (tải mang m=0.5035 ×10−7 Bảng 2 Định lượng sai số các trường hợp thực nghiệm quỹ đạo số 8 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID Mờ θ1 θ2 θ1 θ2 Không có Lần 1 3.8820 ×10−7 yếu tố bất định Lần 2 3.8822 × 10−7 Có yếu tố Lần 1 5.5035 ×10−7 bất định (tải mang m=0.

Bài hướng dẫn thí nghiệm (Bài điều khiển mờ trong nội dung môn học) Với mục tiêu ứng dụng sản phẩm mô hình robot tay máy 2 bậc vào giảng dạy trong phòng thí nghiệm. Đề tài cũng hướng đến xây dựng các bài hướng dẫn thí 19 nghiệm đối với nội dung trong bài điều khiển mờ. 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. Bài hướng dẫn thực hành thí nghiệm được xây dựng với các nội dung cơ bản và bám sát nội dung môn học bao gồm các nội dung sau: Phần 1: Giới thiệu và hướng dẫn sử dụng mô hình.

Phần 2: Các bài hướng dẫn thực hành và bài tập được xây dựng với 6 bài học với mức độ từ cơ bản đến cao bám sát với nội dung môn học. Các bài tập thực hành thí nghiệm gồm: − Bài 1: Làm quen với CARD NI PCI-6221 và Realtime Window Target trong Matlab Simulink − Bài 2: Điều khiển PID vị trí cho một góc khớp − Bài 3: Thiết kế bộ mờ cơ bản − Bài 4: Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho một khớp robot − Bài 5: Các bài toán động học và quỹ đạo robot − Bài 6: Thiết kế bộ điều khiển PID mờ bám đuổi quĩ đạo cho khâu chấp hành cuối 5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận Đề tài đã hoàn thành được mục tiêu cơ bản đề ra là hoàn thành mô hình robot tay máy 2 bậc tự do đảm bảo các đặc tính kĩ thuật, đơn giản, dễ sử dụng phục vụ cho nhu cầu giảng dạy.