Thạc Sĩ Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cánh tay Robot bằng phương pháp Quy hoạch phi tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học kỹ thuật và công nghệ ở các nước trong khu vực và trên thế giới đang trong thời kỳ phát triển như vũ bão đã đưa Việt Nam đứng trước rất nhiều thời cơ vận hội và thách thức mới trên con đường hội nhập với nền kinh tế thế giới.
Để đáp ứng nhu cầu phát triển của xã hội, phục vụ công cuộc đổi mới của đất nước đòi hỏi đội ngũ các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật và công nhân lành nghề phải không ngừng nghiên cứu, học tập nâng cao trình độ để kịp thời tiếp cận làm chủ các kiến thức khoa học kỹ thuật hiện đại và công nghệ tiên tiến.
Các khoá đào tạo thạc sỹ tại Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên nhằm đào tạo những cán bộ khoa học có trình độ cao để tiếp thu và làm chủ kỹ thuật hiện đại để phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và sản xuất. Là một giáo viên giảng dạy tại một trường kỹ thuật tôi rất vinh dự được học tập tại khoá đào tạo thạc sỹ khoá 10 của trường. Để đánh giá kết quả học tập trong toàn khoá học tôi được giao đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cánh tay Robot bằng phương pháp Quy hoạch phi tuyến”

Trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, các ngành công nghiệp đang phát triển hết sức nhanh chóng, nhiều nhà máy xí nghiệp được xây dựng với quy mô và công nghệ hiện đại, tiên tiến đáp ứng được nhu cầu của tình hình sản xuất hiện nay. Trong đó phải kể đến sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nhất là sự ra đời của máy tính và công nghệ thông tin đã tạo tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của nền sản xuất có tính chất tự động hoá cao, đã dần thay thế sức lao động của con người đồng thời hiệu quả của nó đem lại cho nền kinh tế là rất lớn.

Hiện nay sự xuất hiện của các Robot trong các ngành công nghiệp, cũng như trong đời sống sinh hoạt đã trở nên phổ biến. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vục khác nhau, đặc biệt trong các ngành sản xuất có tính dây truyền và công nghệ cao. Robot đóng vai trò quan trọng, chúng vừa đảm bảo độ chính xác vừa đảm bảo tính liên tục của dây truyền mà với con người hay những máy móc thông thường khó có thể đạt được. Đồng thời nó có thể thay thế con người làm việc trong những môi trường độc hại, nơi con người khó có thể đặt chân tới như vũ trụ

Nói chung, ứng dụng của Robot là hết sức to lớn, vì vậy mà trong tương lai đây là nhân tố rất quan trọng trong sự phát triển của các ngành sản xuất của nền kinh tế hiện đại. Do vậy việc nghiên cứu các vấn đề về Robot mang tính thời sự.


Để Nghiên cứu điều khiển tối ưu cho cánh tay Robot bằng phương pháp Quy hoạch phi tuyến, luận văn của tôi gồm bốn chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về điều khiển tối ưu

Chương 2: Robot công nghiệp và giới thiệu bài toán điều khiển động học ngược

robot

Chương 3 Giải bài toán điều khiển tối ưu cho cánh tay robot

Chương 4: Kết luận và kiến nghị



MỤC LỤC

Lời cam đoan . 1

Mục lục . 2

Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 5

Danh mục các bảng biểu . 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

Lời nói đầu . 9

CHưƠNG I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ưU . 11

1.1. Địnhnghĩa 11

1.2. Điều kiện hạn chế . 11

1.3. Bài toán điều khiển tối ưu . . 12

1.3.1. Điều khiển tối ưu tĩnh . 12

1.3.1.1. Mô tả toán học . . 13

1.3.1.2. Biểu diễn hình học . . 13

1.3.1.3. Giả thiết cho lời giải . . 14

1.3.1.4. Một số phương pháp tìm nghiệm 16

1.3.2. Điều khiển tối ưu động 24

1.3.2.1. Phương pháp biến phân . 24

1.3.2.2. Phương pháp quy hoạch động của Bellman 29

1.3.2.3. Nguyên lý cực đại . . 34

CHưƠNG 2: ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ GIỚI THIỆU BÀI TOÁN ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG HỌC NGưỢC ROBOT . 39

2.1. Tổng quan về robot công nghiệp 39

2.1.1. Tự động hóa và robot công nghiệp . . 43

2.1.2. Các đặc tính của robot công nghiệp . . 45

2.1.2.1. Tải trọng . 45

2.1.2.2. Tầm với . 45

2.1.2.3. Độ phân giải không gian 45

2.1.2.4. Độ chính xác . 46

2.1.2.5. Độ lặp lại . . 47

2.1.2.6. Độ nhún 47

2.2. Chất lượng quá trình làm việc và các thông số điều khiển 48

2.2.1. Yêu cầu về chất lượng trong điều khiển Robot . 48

2.2.2. Giới thiệu bài toán điều khiển động học ngược Robot . 49

2.2.3. Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực . 54

2.2.3.1. Yêu cầu về thời gian thực trong điều khiển động học robot 54

2.2.3.2. Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực 56

CHưƠNG 3: GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ưU CHO CÁNH

TAYROBOT . 58

3.1. Thành lập bài toán điều khiển . 58

3.1.1. Mô hình đối tượng 58

3.1.2. Phiếm hàm mục tiêu . 61

3.1.2.1. Bài toán tối ưu về độ chính xác về vị trí và hướng của khâu chấp hành 61
3.1.2.2. Bài toán di chuyển tối thiểu 62

3.1.3. Điều kiện giới hạn của các biến . 63

3.2. Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính . 64

3.3. Thành lập bài toán cho một số dạng robot . 65

3.3.1. Robot cơ cấu 3 khâu phẳng (3 khớp quay) . 65

3.3.1.1. Phương trình động học (Mô hình toán học) . 65

3.3.1.2. Hàm mục tiêu 66

3.3.1.3. Điều kiện hạn chế 67

3.3.2. Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) . 67

3.3.2.1. Phương trình động học (Mô hình toán học) 67

3.3.2.2. Hàm mục tiêu 68

3.3.2.3. Điều kiện hạn chế 69

3.3.3. Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 69

3.3.3.1. Phương trình động học (Mô hình toán học) . . 69

3.3.3.2. Hàm mục tiêu 71

3.3.3.3. Điều kiện hạn chế . 71

3.4. Giới thiệu bài toán quy hoạch phi tuyến với ràng buộc dạng chuẩn và

nghiệm tối ưu của nó . 72

3.4.1. Bài toán quy hoạch phi tuyến . . 72

3.4.2. Nhận định chung . 72

3.4.3. Tính chính xác 73

3.5. Lời giải bài toán điều khiển tối ưu cho Robot cơ cấu 3 khâu phẳng

(3 khớp quay) . 73

3.5.1. Khởi tạo một số ma trận thế ngẫu nhiên cho lời giải 74

3.5.2. Ứng dụng Optimization Toolbox trong Matlab để giải bài toán . 74

3.5.2.1.Giới thiệu Optimization Toolbox trong Matlab 74

3.5.2.2. Sử dụng Optimization Toolbox trong Matlab để giải bài toán . 77

3.5.3. Ứng dụng phương pháp giải thuật di truyền (GA) giải bài toán 79

3.5.3.1. Giới thiệu phương pháp giải thuật di truyền (GA) . 79

3.5.3.2. Các kỹ thuật trong giải thuật di truyền GA 80

3.5.3.3. Giải bài toán bằng phương pháp di truyền (GA) . 84

3.5.4. Sử dụng phương pháp khai triển thành đa thức để giải bài toán 86

3.5.4.1. Đặt vấn đề . 86

3.5.4.2. Đa thức nội suy . 87

3.5.4.3. Đa thức nội suy Lagrange 88

3.5.4.4. Áp dụng cho bài toán cụ thể . 88

CHưƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

4.1. Các kết quả nghiên cứu của Luận văn 92

4.2. Một số kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo . 93

Tài liệu tham khảo . 94

Tóm tắt . . 97