Nghiên Cứu Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Hiện Đại Cho Hệ Điều Khiển Robot

Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển hiện đại cho robot giúp tối ưu hóa chuyển động theo quỹ đạo phẳng, nâng cao hiệu suất và độ chính xác.

• Tác giả: Đào Quốc Chính
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Như Hiển
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Hiện Đại Cho Hệ Điều Khiển Các Chuyển Động Của Robot Theo Quỹ Đạo Phẳng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
• 1.1. Tổng quan về Robot
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Hệ truyền động trong Robot
• 1.2.1. Truyền động điện
• 1.2.2. Truyền động khí nén và thuỷ lực
• 1.3. Vần đề điều khiển cánh tay Robot
• 1.3.1. Khái quát
• 1.3.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
• 1.4. Động học của cánh tay Robot 2DOF
• 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG
• 2.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều
• 2.1.1. Các thông số ban đầu
• 2.1.2. Động cơ điện một chiều
• 2.1.3. Cảm biến vị trí
• 2.1.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI)
• 2.1.5. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Rω)
• 2.1.6. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (Rφ)
• 2.1.7. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí
• 2.2. Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cascade để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF
• 2.2.1. Bộ điều khiển mờ lai cascade
• 2.2.1.1. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó
• 2.2.1.2. Xác định hàm liên thuộc (membership function)
• 2.2.1.3. Xây dựng các luật điều khiển
• 2.2.1.4. Luật hợp thành
• 2.3. Kết luận Chương 2
• 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG
• 3.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID
• 3.1.1. Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID
• 3.1.2. Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0)
• 3.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai
• 3.2.1. Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai
• 3.2.2. Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0)
• 3.3. So sánh quỹ đạo giữa PID và Mờ lai
• 3.3.1. Trường hợp Mt = 0, Jt = 0
• 3.3.2. Trường hợp Mt = 1, Jt = 0
• 3.3.3. Trường hợp Mt=2, Jt = 0
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot và Điều Khiển Hiện Đại Khám Phá

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Kỹ thuật Robot là một ngành khoa học tổng hợp, đòi hỏi kiến thức từ nhiều lĩnh vực như toán học, cơ học, điện tử, điều khiển tự động, tin học và trí tuệ nhân tạo. Trong đó, điều khiển tự động là yếu tố then chốt, thúc đẩy sự phát triển của Robot. Thuật ngữ 'Robot' xuất phát từ chữ 'Robota' trong tiếng Czech, có nghĩa là công việc tạp dịch. Từ những năm 1960, Robot được áp dụng rộng rãi để thay thế sức người trong nhiều lĩnh vực, giúp tổ chức lại dây chuyền sản xuất và tăng năng suất. Cùng với đó, các phương pháp điều khiển hiện đại cũng được phát triển để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Robot.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Robot và Ứng Dụng Thực Tiễn

Robot đã trải qua một quá trình phát triển từ các cơ cấu điều khiển từ xa và máy công cụ điều khiển số. Sự ra đời của máy công cụ điều khiển số giữa thế kỷ XX đã đáp ứng nhu cầu gia công chi tiết trong ngành hàng không. Các Robot đầu tiên là sự kết hợp giữa cơ khí và khả năng lập trình. Cùng với sự phát triển của điện tử và vi xử lý, Robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, dịch vụ và các lĩnh vực khác. Ngày nay, Robot ngày càng thông minh hơn, với hệ thống điều khiển số hóa và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhân tạo.

1.2. Vai Trò Của Cánh Tay Robot Trong Hệ Thống Tổng Thể

Cánh tay Robot đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Robot. Khả năng linh hoạt và ổn định của cánh tay Robot quyết định khả năng ứng dụng của Robot. Các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, bao gồm điều khiển kinh điển sử dụng bộ điều khiển PID và điều khiển hiện đại như điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững (ví dụ: điều khiển mờ, điều khiển trượt).

II. Các Phương Pháp Điều Khiển Hiện Đại Cho Robot Tổng Quan

Việc điều khiển Robot đòi hỏi sự kết hợp của nhiều hệ truyền động khác nhau, bao gồm truyền động điện, truyền động thủy lực và truyền động khí nén. Mỗi loại truyền động có ưu và nhược điểm riêng. Truyền động điện được sử dụng phổ biến nhờ tính đơn giản, ít gây ô nhiễm và khả năng lắp trực tiếp trên các khớp. Động cơ điện một chiều (DCM) và động cơ bước thường được sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học điều khiển, động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM) cũng đang được ưu tiên sử dụng.

2.1. Ưu và Nhược Điểm của Hệ Truyền Động Điện

Hệ truyền động điện có nhiều ưu điểm như đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ, không gây ô nhiễm môi trường đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp. Tuy nhiên, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhược điểm như thường cần hộp giảm tốc, công suất thấp. Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn động (điều khiển) Robot.

2.2. Lựa Chọn Hệ Truyền Động Phù Hợp Cho Robot

Ngoài truyền động điện, các loại truyền động khí nén và/hoặc thuỷ lực cũng thường được dùng. Truyền động khí nén tận dụng các hệ thống khí nén sẵn có, gọn nhẹ và dễ sử dụng. Tuy nhiên, chuyển động của chất khí thường kèm dao động và cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn. Truyền động thuỷ lực có ưu điểm là khả năng vận hành với tải trọng lớn và dễ điều khiển tự động. Nhược điểm là đòi hỏi bộ nguồn cồng kềnh.

2.3. Các Thành Phần Chính Trong Cấu Trúc Robot

Cấu trúc của Robot thường bao gồm các thành phần chính như: Cánh tay Robot, Hệ thống, Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối, Các cảm biến, Các bộ điều khiển, Các phần mềm lập trình. Cánh tay Robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) được liên kết với nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thường gồm hai loại: khớp nối cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay Robot, ta cần quan tâm đến số bậc tự do (DOF), trường công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Lai Cascade Hướng Dẫn Chi Tiết

Điều khiển cánh tay Robot là điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators) để tạo ra lực hoặc mô men, làm dịch chuyển các khâu. Lực hoặc mô men này được gọi là véc-tơ  = [1, 2, ... , n]T. Mục tiêu là làm cho khâu tác động cuối dịch chuyển theo quỹ đạo (CP) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP). Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot hai khâu quay (2DOF) sử dụng hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập, dịch chuyển theo quỹ đạo.

3.1. Phương Pháp Dịch Chuyển Robot Theo Quỹ Đạo CP và PTP

Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay Robot nhằm thực hiện một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phương thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. CP có vị trí bắt đầu và kết thúc và chuyển đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc rất quan trọng. PTP có vị trí bắt đầu và kết thúc là quan trọng nhưng đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc là không.

3.2. Mô Hình Hóa Động Học Cánh Tay Robot 2DOF

Nghiên cứu động lực học Robot là cần thiết để phục vụ cho việc phân tích và tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Có nhiều phương pháp nghiên cứu như: sử dụng các định luật Newton-Euler hoặc nguyên lý D’Alembert, nhưng thường dùng hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là phương trình Lagrange- Euler. Xét cánh tay Robot 2DOF như Hình 1.2, gọi  là véc-tơ vị trí của hai khớp, khi đó:  = [  1  2]T.

3.3. Giải Bài Toán Động Học Thuận và Động Học Ngược

Động học thuận Robot 2DOF là việc xác định toạ độ của điểm tác động cuối trên cơ sở góc quay của trục khớp. Tức là xác định [x, y] thông qua [  1,  2]. Giả sử quan hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm . Mô hình động học ngược của Robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp  từ toạ độ (x, y) cho trước hoặc mong muốn.

IV. Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Mờ Lai vào Robot 2DOF Hiệu Quả

Phương trình Lagrange-Euler được sử dụng để mô tả động lực học của cánh tay Robot 2DOF. Với Robot 2DOF, động năng T và thế năng V được xác định để xây dựng phương trình động lực học. Phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa mô-men tác động lên các khớp và vị trí, vận tốc, gia tốc của các khớp. Mô hình động lực học là cơ sở quan trọng để thiết kế bộ điều khiển cho cánh tay Robot.

4.1. Động Lực Học Cánh Tay Robot Phương Pháp Lagrange Euler

Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot ma. Trong cơ học Lagrange, việc xác định động năng T và thế năng V của hệ thống là bước quan trọng. Với cánh tay Robot 2DOF, động năng T được tính dựa trên vận tốc của các khâu và mô-men quán tính. Thế năng V được tính dựa trên vị trí và khối lượng của các khâu, liên quan đến gia tốc trọng trường.

4.2. Xây Dựng Phương Trình Động Lực Học Cho Robot 2DOF

Từ động năng T và thế năng V, ta áp dụng phương trình Lagrange-Euler để thiết lập phương trình động lực học của cánh tay Robot 2DOF. Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố như vị trí khớp, vận tốc khớp, gia tốc khớp và mô-men tác động lên các khớp. Phương trình này có dạng ma trận, thể hiện sự phức tạp của hệ thống.

V. Mô Phỏng và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển Robot So Sánh

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Tuy nhiên, khi điều khiển các hệ thống phi tuyến như cánh tay Robot, bộ điều khiển PID có thể gặp khó khăn. Do đó, các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển mờ lai (Fuzzy-PID) được áp dụng để cải thiện hiệu suất. Điều khiển mờ có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn.

5.1. Tổng Hợp Bộ Điều Chỉnh Vị Trí PID Cho Robot

Động cơ điện một chiều được sử dụng để dẫn động các khớp của cánh tay Robot. Cần xác định các thông số ban đầu của động cơ điện một chiều để thiết kế bộ điều khiển. Cảm biến vị trí được sử dụng để đo vị trí của các khớp. Mạch vòng điều chỉnh dòng (RI) và mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Rω) cũng cần được tổng hợp.

5.2. Ưu Điểm Của Bộ Điều Khiển Mờ Lai Trong Điều Khiển Robot

Bộ điều khiển mờ lai cascade được xây dựng để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai cascade bao gồm bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó được xác định. Hàm liên thuộc (membership function) được xác định và các luật điều khiển được xây dựng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tương Lai

Luận văn đã trình bày nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển các chuyển động của Robot theo quỹ đạo phẳng. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ lai có khả năng điều khiển cánh tay Robot bám theo quỹ đạo mong muốn với độ chính xác cao. Nghiên cứu này có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại Robot khác và các ứng dụng thực tế khác.

6.1. Kết Quả và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển

Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0). Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai.

6.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Của Nghiên Cứu

Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0). So sánh quỹ đạo giữa PID và Mờ lai. Cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong môi trường thực tế. Nghiên cứu cũng có thể được mở rộng để xét đến các yếu tố nhiễu và sai số.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, kỹ thuật Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, quốc phòng, y tế và thám hiểm vũ trụ. Theo ước tính, việc ứng dụng Robot đã giúp tăng năng suất và hiệu quả sản xuất đáng kể. Tuy nhiên, để nâng cao khả năng vận hành và độ chính xác của Robot, đặc biệt là cánh tay Robot, việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển hiện đại là rất cần thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cascade cho hệ điều khiển các chuyển động của Robot 2DOF theo quỹ đạo phẳng, nhằm cải thiện chất lượng điều khiển so với các phương pháp truyền thống như PID.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, mô phỏng và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển mờ lai cascade trong việc điều khiển vị trí và chuyển động của cánh tay Robot 2DOF, với phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ Robot 2 khớp quay (2DOF) sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong năm 2010 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác, tính ổn định và khả năng thích nghi của hệ điều khiển Robot, góp phần thúc đẩy ứng dụng Robot trong công nghiệp và các lĩnh vực liên quan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) và mô hình động học - động lực học của Robot 2DOF.

• Lý thuyết điều khiển mờ: Đây là phương pháp điều khiển dựa trên thông tin không chính xác hoặc không đầy đủ, mô phỏng tư duy con người thông qua các luật điều khiển dạng "Nếu... thì...". Bộ điều khiển mờ gồm bốn khối chức năng: mờ hóa, hợp thành, luật mờ và giải mờ. Ưu điểm của điều khiển mờ là giảm khối lượng tính toán, dễ hiểu, dễ hiệu chỉnh và có khả năng làm việc ổn định trong các hệ phi tuyến phức tạp. Tuy nhiên, lý thuyết này vẫn còn nhiều hạn chế về tính hoàn thiện và khó áp dụng các tiêu chuẩn ổn định tuyến tính truyền thống.

• Mô hình động học và động lực học Robot 2DOF: Cánh tay Robot 2DOF gồm hai khớp quay với các thông số vật lý cụ thể như chiều dài khâu (0,26 m), khối lượng (6,5225 kg và 2,0458 kg), mô men quán tính (0,1213 kg.m²), được mô tả bằng phương trình Lagrange-Euler. Động học thuận xác định tọa độ điểm tác động cuối dựa trên góc quay các khớp, trong khi động học ngược cho phép tính toán góc quay từ tọa độ điểm mong muốn. Mô hình động lực học giúp phân tích các lực và mô men tác động lên các khớp trong quá trình chuyển động.

Ngoài ra, luận văn còn áp dụng mô hình bộ điều khiển mờ lai cascade (Fuzzy-PID) để kết hợp ưu điểm của điều khiển kinh điển và điều khiển mờ, nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ các mô hình động học, động lực học của Robot 2DOF và các thông số kỹ thuật của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Các thông số vật lý và điện tử được lấy từ tài liệu kỹ thuật và các nghiên cứu thực nghiệm.

• Phương pháp phân tích: Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink để xây dựng mô hình hệ thống điều khiển, bao gồm các vòng điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí. Phương pháp tối ưu modul và tối ưu đối xứng được áp dụng để tổng hợp các bộ điều khiển PID cho từng vòng. Bộ điều khiển mờ lai cascade được thiết kế với các biến ngôn ngữ, hàm liên thuộc và luật điều khiển cụ thể, sau đó so sánh hiệu quả với bộ điều khiển PID truyền thống.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo các bước: tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ (PID), thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade cho vị trí, mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống, so sánh kết quả và đưa ra kết luận. Thời gian thực hiện trong năm 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển vị trí của bộ điều khiển mờ lai cascade vượt trội so với PID: Kết quả mô phỏng cho thấy sai lệch quỹ đạo góc của khớp 1 và khớp 2 khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai giảm đáng kể, với sai số giảm khoảng 15-20% so với bộ điều khiển PID trong các trường hợp tải khác nhau (Mt = 0, 1, 2 kg).

2. Tính ổn định và bền vững của hệ điều khiển mờ: Qua khảo sát tính ổn định bằng phương pháp mặt phẳng pha và tiêu chuẩn Lyapunov, hệ điều khiển mờ lai cascade duy trì ổn định trong phạm vi hoạt động, không xuất hiện các quỹ đạo trạng thái bất thường, đảm bảo vận hành an toàn và chính xác.

3. Khả năng thích nghi với thay đổi tải: Khi tải trọng thay đổi, bộ điều khiển mờ lai thể hiện khả năng điều chỉnh linh hoạt, giữ được quỹ đạo chuyển động gần với quỹ đạo đặt, trong khi bộ điều khiển PID có xu hướng tăng sai lệch và dao động.

4. Giảm khối lượng tính toán và đơn giản hóa thiết kế: So với các bộ điều khiển thích nghi phức tạp, bộ điều khiển mờ lai cascade giảm đáng kể khối lượng tính toán nhờ cấu trúc đơn giản, dễ dàng hiệu chỉnh và áp dụng trong thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả điều khiển là do bộ điều khiển mờ lai cascade kết hợp được ưu điểm của điều khiển mờ trong xử lý thông tin không chính xác và ưu điểm của điều khiển PID trong ổn định hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID hoặc điều khiển mờ đơn thuần, phương pháp lai này cho phép giảm sai số và tăng tính ổn định trong điều kiện tải thay đổi.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc thực tế của các khớp, đồ thị sai lệch góc và tốc độ góc, cũng như biểu đồ dòng điện động cơ. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự vượt trội của bộ điều khiển mờ lai cascade trong việc duy trì quỹ đạo chuyển động chính xác và ổn định.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một giải pháp điều khiển hiện đại, hiệu quả cho các hệ Robot 2DOF, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng trong công nghiệp tự động hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cascade trong các hệ Robot công nghiệp: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu là nâng cao độ chính xác và ổn định chuyển động, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp sản xuất Robot và các trung tâm nghiên cứu tự động hóa.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng và hiệu chỉnh bộ điều khiển mờ lai: Động từ "phát triển", nhằm giảm thời gian thiết kế và hiệu chỉnh bộ điều khiển, thời gian 6-12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và công ty phần mềm kỹ thuật.

3. Đào tạo kỹ sư và kỹ thuật viên về kỹ thuật điều khiển mờ và hệ điều khiển lai: Động từ "đào tạo", mục tiêu nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống, thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cho các hệ Robot nhiều bậc tự do và trong môi trường phức tạp: Động từ "nghiên cứu", nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng và nâng cao tính thích nghi, thời gian 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Tự động hóa và Robot: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển mờ và mô hình động học Robot 2DOF, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển hệ thống điều khiển Robot: Giúp hiểu rõ về thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade, áp dụng trong thực tế để nâng cao hiệu quả điều khiển.

3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng Robot trong công nghiệp: Cung cấp giải pháp điều khiển hiện đại, giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng năng suất.

4. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và tự động hóa: Là tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo về điều khiển mờ và hệ thống Robot hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển mờ lai cascade là gì?
   Bộ điều khiển mờ lai cascade là hệ thống kết hợp giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển (như PID), nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai để nâng cao hiệu quả điều khiển, đặc biệt trong các hệ thống phi tuyến và có tải thay đổi.

2. Tại sao chọn Robot 2DOF để nghiên cứu?
   Robot 2DOF có cấu trúc đơn giản nhưng đủ phức tạp để mô phỏng các chuyển động phẳng, giúp nghiên cứu và thử nghiệm các phương pháp điều khiển một cách hiệu quả và dễ dàng mở rộng cho các hệ nhiều bậc tự do hơn.

3. Ưu điểm của điều khiển mờ so với điều khiển PID truyền thống?
   Điều khiển mờ xử lý tốt các thông tin không chính xác hoặc không đầy đủ, giảm khối lượng tính toán, dễ hiệu chỉnh và có khả năng làm việc ổn định trong các hệ phi tuyến phức tạp, trong khi PID thường gặp khó khăn khi hệ thống có tính phi tuyến cao.

4. Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
   Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng các vòng điều khiển dòng điện, tốc độ và vị trí của động cơ điện một chiều, từ đó đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển mờ lai cascade so với PID.

5. Bộ điều khiển mờ lai cascade có thể áp dụng cho các hệ Robot khác không?
   Có, phương pháp này có thể mở rộng áp dụng cho các hệ Robot nhiều bậc tự do hoặc các hệ chuyển động phức tạp hơn, tuy nhiên cần điều chỉnh và hiệu chỉnh phù hợp với đặc tính từng hệ.

Kết luận

• Bộ điều khiển mờ lai cascade nâng cao hiệu quả điều khiển chuyển động của Robot 2DOF, giảm sai lệch quỹ đạo khoảng 15-20% so với PID.
• Hệ thống điều khiển mờ duy trì tính ổn định và bền vững trong các điều kiện tải khác nhau.
• Phương pháp mô phỏng trên MATLAB/Simulink chứng minh tính khả thi và ưu việt của bộ điều khiển mờ lai cascade.
• Giải pháp điều khiển này phù hợp với các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ chính xác và khả năng thích nghi cao.
• Đề xuất triển khai ứng dụng và nghiên cứu mở rộng trong các hệ Robot phức tạp hơn trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên tập trung vào việc hoàn thiện thuật toán điều khiển mờ, mở rộng ứng dụng và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu. Hành động ngay hôm nay để ứng dụng bộ điều khiển hiện đại, nâng cao năng lực cạnh tranh trong lĩnh vực tự động hóa và Robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về Robot và các bộ điều khiển hiện đại. Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade để điều khiển chuyển động của Robot 2DOF trong mặt phẳng. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống. Các kết luận và kiến nghị.

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn Nhƣ Hiển – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.

Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày tháng năm 2010 Người thực hiện Đào Quốc Chính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 11 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 1.1 Tổng quan về Robot 1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ ―Robot‖ có nguồn gốc từ chữ ―Robota‖, tiếng Czech, nghĩa là công việc tạp dịch. Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là ―Người máy công nghiệp‖. Ngày nay, các thiết bị được điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con người để tiến hành các thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác được gọi là Robot. Robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người, nhất là trong sản xuất và trong các nhiệm vụ đặc biệt khác.

Về kỹ thuật, sự ra đời của Robot có nguồn gốc từ hai lĩnh vực là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Vào những năm giữa thế kỷ XX, sự ra đời của các máy công cụ điều khiển số đã đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những Robot đầu tiên ra đời từ đó, thực chất là việc kết hợp giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Sau đó, cùng với các tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực điện tử, nhất là việc chế tạo được các vi xử lý có khả năng tính toán và xử lý số liệu phức tạp một cách nhanh chóng, Robot được phát triển để sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp (như sản xuất ô-tô), thực hiện các tác nghiệp dịch vụ,.

với những tính năng ngày càng nâng cao và gần gủi với con người hơn. Càng ngày, sự phát triển của các loại Robot càng mạnh với mức độ ―tri thức‖ càng cao, hệ thống điều khiển được số hoá và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhân tạo, tính toán mềm,. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 12 Trong các ―bộ phận‖ cấu thành Robot, cánh tay Robot (Robot arm) đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó được thiết kế và điều khiển linh hoạt, ổn định,.

càng cao thì khả năng ứng dụng càng lớn. Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng như nhu cầu sử dụng Robot trong công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot, ví dụ như: - Các phương pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trước; - Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …).2 Hệ truyền động trong Robot Robot có thể được điều khiển bằng các hệ truyền động như: truyền đồng điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, .1 Truyền động điện Với nhiều ưu điểm như: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ, không gây ô nhiễm môi trường đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ truyền động điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật Robot. Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhược điểm như thường cần hộp giảm tốc, công suất thấp,. Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn động (điều khiển) Robot.

Nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật, động cơ điện một chiều (DCM) và động cơ bước được sử dụng nhiều hơn cả. Cùng với sự tiến bộ của khoa học điều khiển, ngày nay người ta cũng đang có xu hướng sử dụng động cơ điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị bộ nguồn một chiều, .) và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM – Direct Current Brushless Motor). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực Ngoài truyền động điện, người ta cũng thường dùng các loại truyền động khí nén và/hoặc thuỷ lực trong kỹ thuật điều khiển Robot. Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi như: tận dụng các hệ thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xưởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ đơn giản hơn.

Hệ truyền động khí nén cũng tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều,. Tuy vậy cũng có nhược điểm như: chuyển động của chất khí thường kèm dao động do tính nén được của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn, giảm ồn,. Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ưu điểm là khả năng vận hành với tải trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động. Nhược điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều như thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, các van điều chỉnh, đường ống,.

làm cho hệ truyền động-Robot khá cồng kềnh so với các hệ truyền động khác.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot 1.1 Khái quát Cấu trúc của Robot thường bao gồm các thành phần chính như: - Cánh tay Robot, - Hệ thống, - Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối, - Các cảm biến, - Các bộ điều khiển, - Các phần mềm lập trình,. Cánh tay Robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) được liên kết với nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thường gồm hai loại: khớp nối cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay Robot, ta cần quan tâm đến số bậc tự do (DOF), trường công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải,.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 14 Cánh tay Robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của Robot. Mô hình cấu trúc chung của cánh tay Robot gồm n khâu như Hình 1. z0 z3 zn z2 q3 khớp 2 khâu 2 qn khâu n z1 q2 khâu 1 khớp 1 q1 y0 x0 Hình 1.1: Sơ đồ minh họa cánh tay Robot n khâu Mỗi khớp của cánh tay Robot thường được điều khiển độc lập thông qua các bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, .) có thể được gắn trực tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp. Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích hợp nào đó nhằm đạt được mục tiêu thiết kế và sử dụng.

Các cảm biến đo lường gắn trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển được về hệ thống điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định. Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều khiển cánh tay Robot, ta cần quan tâm đến véc-tơ dịch chuyển q = [q1, q2, .2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay Robot nhằm thực hiện một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phương thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu.1 minh họa đặc điểm của hai chuyển động đó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 15 CP PTP Sự dịch Vị trí bắt đầu và kết thúc và Vị trí bắt đầu và kết thúc là chuyển đường dịch chuyển từ điểm bắt quan trọng nhưng đường dịch đầu đến điểm kết thúc rất quan chuyển từ điểm bắt đầu đến trọng. điểm kết thúc là không.

Ví dụ Robot làm việc có đòi hỏi về Robot làm việc tại các công ứng dụng độ chính xác bề mặt như: mạ, đoạn lắp ráp, nâng hạ, .1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay Robot Điều khiển Robot nói chung và cánh tay Robot nói riêng, đó là việc điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc mô men để làm dịch chuyển các khâu tương ứng. Ta gọi lực hoặc mô men cần tạo ra để điều khiển Robot là véc-tơ  = [1, 2,. Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot với những giới hạn sau: - Điều khiển cánh tay Robot hai khâu quay (Hình 1.2) hai bậc tự do (2DOF) với thông số cho ở Bảng 1.

- Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo ra mô men quay cho hai khớp của Robot. - Phương thức dịch chuyển theo quỹ đạo. y y J2 y2 m2 l1 2 l2 J1 lg2 lg1  m1 1 x z x2 x Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 16 Ký Đơn vị Thông số Giá trị hiệu tính Chiều dài khâu 1 l1 0,26 m Chiều dài khâu 2 l2 0,26 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 lg1 0,0983 m Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 lg2 0,0229 m Khối lượng khâu 1 m1 6,5225 kg Khối lượng khâu 2 m2 2,0458 kg Mô men quán tính của khâu thứ nhất I1 0,1213 kg.m2 Mô men quán tính của khâu thứ nhất I1 0,1213 kg.m2 Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s2 Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay Robot 2DOF 1.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF Nghiên cứu động lực học Robot là cần thiết để phục vụ cho việc phân tích và tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động.