Ứng dụng mạnh nơron để điều khiển ROBOT rắn

ix

MC LC
Trang ta
Quy tài
Lý lch khoa hc i
L iii
Li cm t iv
Tóm tt v
Mc lc ix
Danh sách các hình xiv
Danh sách các bng xix
Danh sách các t vit tt xx
Chng 1 TNG QUAN 1
1.1 Tng quan đ tài và các kt qu nghiên cu đư công b 1
1.1.1 Tổng quan về robot rắn. 1
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố. 1
1.1.2.1 Các bài báo nước ngoài. 1
1.1.2.2 Các bài báo trong nước. 7
1.1.3 Định hướng nghiên cứu. 9
1.1.3.1 Tên đề tài. 9
1.1.3.2 Lý do chọn đề tài. 9
1.1.3.3 Giả thiết khoa học. 9
1.2 Mc tiêu, khách th vƠ đi tng nghiên cu ca đ tài. 9
1.2.1 Mục tiêu đề tài. 9
1.2.2 Khách thể nghiên cứu. 10
x

1.2.3 Đối tượng nghiên cứu. 10
1.3 Nhim v ca đ tài và gii hn đ tài 10
1.3.1Nhiệm vụ đề tài 10

1.3.2 Giới hạn đề tài. 10
1.4 Phng pháp nghiên cu 10
1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết 10
1.4.2 Các phương phá nghiên cứu thực tiễn. 11
1.5 K hoch thc hin 11
Chng 2 NHNG C S LÝ THUYT Đ XÂY DNG H THNG ĐIU
KHIN ROBOT RN 12
2.1 Mô hình hóa robot rn. 12
2.1.1 Lực ma sát của robot rắn 13
2.1.2 Phương trình chuyển động 17
2.1.3 Phân ly động lực học 24
2.2 Đng cong serpenoid 27
2.3 S di chuyn ca Rn theo đng cong Serpenoid. 30
2.4 Mng Nron nhơn to- nhng c s lí thuyt liên quan. 36
2.4.1 Mô hình Nơron nhân tạo 36
2.4.2 Những hàm tổng hợp. 38
2.4.2.1 Hàm tổng hợp tuyến tính: 38
2.4.2.2 Hàm tổng hợp phi tuyến bậc 2: 38
2.4.2.3 Hàm hình cầu: 38
2.4.3 Những hàm hoạt hóa. 38
2.4.3.1 Hàm bước: 38
xi

2.4.3.2 Hàm dấu: 39
2.4.3.3 Hàm dốc: 39
2.4.3.4 Hàm unipolar sigmoid: 39
3.3.3.5 Hàm bipolar sigmoid: 40
2.4.4 Mô hình mạng Nơron nhân tạo 40
2.4.5 Phân loại mạng Nơron 41
2.4.5.1 Theo kiểu liên kết Nơron: 41

2.4.5.2 Theo số lớp Nơron: 42
2.4.6 Các kỹ thuật học của mạng Nơron 42
2.4.6.1 Học có giám sát (supervised learning): 42
2.4.6.2 Học tăng cường (Reinforced learning): 43
2.4.6 3 Học không có giám sát (Unsupervised learning): 43
2.4.7 Mạng Nơron RBF. 44
2.4.7.1 Hàm cơ sở bán kính. 44
2.4.7.2 Mô hình mạng RBF. 45
2.4.7.3 Mô hình toán học 45
2.4.7.4 Mô hình mạng RBF Gaussian 47
2.4.7.5 Luật học. 51
Chng 3 XÂY DNG H THNG ĐIU KHIN 52
3.1 Xây dng chng trình toán học trên Matlab. 53
3.2 Xây dng b điu khin dùng PID. 55
3.2.1 Bộ điều khiển địa phương. 55
3.2.2 Bộ điều khiển vòng ngoài. 56
3.2.2.1 Bộ điều khiển hướng. 57
xii

3.2.2.2 Bộ điều khiển vận tốc. 57
3.2.3 Xây dựng bộ điều khiển trên Matlab. 58
3.2.4 Kết quả mô phỏng. 58
3.3 Xây dng b điu khin dùng RBFNN- PID. 65
3.3.1 Bộ điều khiển địa phương. 65
3.3.2 Bộ điều khiển vòng ngoài. 65
3.3.2.1 Bộ điều khiển hướng. 65
3.3.2.2 Bộ điều khiển vận tốc. 69
3.3.3 Xây dựng bộ điều khiển trên Matlab. 72

3.3.4 Kết quả mô phỏng 73

3.4 So sánh kt qu mô phng gia hai b điu khin PID và RBFNN- PID và
kt lun. 76
3.4.1 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID theo các
thông số ban đầu. 76
3.4.2 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi môi trường. 79
3.4.3 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi thông số robot. 83
3.4.4 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi vận tốc. 89
3.4.5 Kết luận. 90
Chng 4 THIT K VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 91
4.1 Card giao tip. 91
4.1.1 Thiết kế. 91
4.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý. 91
xiii

4.1.1.2 Nguyên tắc hoạt động. 91
4.1.2 Thi công. 92
4.2 Robot rn. 93
4.2.1 Động cơ. 93
4.2.1.1 Lựa chọn động cơ. 93
4.2.1.2 Các thông số kĩ thuật của động cơ Dynamixel AX-12A. 94
4.2.2 Hệ thống cơ khí. 95
4.2.2.1 Thiết kế cơ khí. 95
4.2.2.2 Mô hình hệ thống. 97


Chng 5 KT LUN VÀ KHUYN NGH 98
5.1 Kt lun. 98

5.1.1.Những kết quả đạt được. 98
5.1.2 Những mặt còn hạn chế. 99
5.2 Khuyn ngh. 100
TÀI LIU THAM KHO 101
xiv

DANH MC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 T ng di chuyn robot rn ca M. Saito, M. Fukaya
và T. Iwasaki 2
-  
Mitsue Kato,
Shoichiro Fujisawa 5

 u khin thích nghi ca F. Shahraki, A.R Arjomandzadeh,
u khin bình áp sut 5

M. Habibnejad Korayem, Amin Nikoobin, Farbod Setoudeh 6
ùng BPNN- Liu Luoren,
Luo Jinling 6
- Ming- guang
Zhang, Ming- hui Qiang 7
-  
 8
Hình 2.1 Robot rn gn và n-1 khp 12
Hình 2.2 n vi phân ca khâu th i. 14
. 17
Hình 2.4a ng cong serpenoid vi và 

 



   28
 


   28
c xp x bn thng 29
xv

Hình 2.6a Chuyng hình r 32
Hình 2.6b Chuyng hình r 32
 th ca t trung bình ave   32
 th ca t góc trung bình ave  33
Hình 2.9 S kt hp t ng 34
Hình 2.10 Các thông s t   35
Hình 2.11 Quan h gia

và s n n ca Robot rn 35
Hình 2.12  th

vi t s
c
t
/ c
n 36
Hình 2.13 Mô hình  i 36
 38
 38
 39
Hình 2.17 Hàm unipolar sigmoid 39

Hình 2.18 Hàm bipolar sigmoid 40
 43
 43
 44
 biu din mng RBF v
n
và mt
 R 45
 bán kính Gaussian 47
Hình 2.24 Bi phác ha ca mng  s d bán kính
xvi

Gaussian 49
Hình 2.25 Bi khi biu din RBFNN Gaussian 50
Hình 3.1 Cu trúc h thu khin 52
 54
 54
 55
  56

C

56

C

 57

v
 57

 58

*
1v 
(m/s) và
*
0


(rad) 60
 60

*
1v 
(m/s) và
*
4



(rad) 62
 62

*
1v 
(m/s) và
*
2




(rad) 64
 64
 mô phng b u khing (
C

) ca robot rn 65
 bên trong b u khing (
C

) ca robot rn 66
 gii thut b u khin RBFNN- PID 67
Hình 3. 19 Các thông s ca b RBFNN- u khing 68
xvii

Hình 3. 20 Cp nht giá tr ta b ba thông s K

, K

, K

69
Hình 3. 21 
v
  69
Hình 3. 22 
v
 70
Hình 3. 23 Các thông s ca b RBFNN- u khing 71



, K

, K

71
Hình 3. 25  h thu khin robot rn dùng RBFNN- PID 72
Hình 3. 26 Kt qu mô phng vi
*
1v 
(m/s) và
*
0


(rad). 73
Hình 3. 27 Kt qu mô phng vi
*
1v 
(m/s) và
*
4



(rad) 74
Hình 3. 28 
*
1v 
(m/s) và

*
2



(rad) 75
Hình 3. 29 Kt qu mô phng so sánh gia PID và RBFNN- PID vi
*
1v 
(m/s) và
*
0


(rad). 76
Hình 3. 30 Kt qu mô phng so sánh gia PID và RBFNN- PID vi
*
1v 
(m/s) và
*
4



(rad). 77
Hình 3. 31 Kt qu mô phng so sánh gia PID và RBFNN- PID vi
*
1v 
(m/s) và
*

2



(rad). 78
Hình 3. 32 Kt qu mô phng so sánh khi C
t
= 0.01 79
Hình 3. 33 Kt qu mô phng so sánh khi C
t
= 1 80
Hình 3. 34 Kt qu mô phng so sánh khi C
N
= 5 81
Hình 3. 35 Kt qu mô phng so sánh khi C
N
= 15 82
Hình 3. 36 Kt qu mô phng so sánh khi l = 1.5 m 84
Hình 3. 37 Kt qu mô phng so sánh khi l = 2 m 85
xviii

Hình 3. 38 Kt qu mô phng so sánh khi m = 0.8 86
Hình 3. 39 Kt qu mô phng so sánh khi m = 1.5 87
Hình 3. 40 Kt qu mô phng so sánh khi m = 2 88
Hình 4.  nguyên lý mch giao tip robot rn 91
Hình 4.  mch in Card giao tip 92
Hình 4.  93
Hình 4. Dynamixel AX-12A 94
Hình 4.  95
Hình 4.  96

Hình 4.  96
Hình 4.  96
Hình 4.  97

xix

DANH MC CÁC BNG
Bi h s ma sát 84
Bi chiu dài 87
Bi khng ca robot 90
Bi giá tr vn tc 91
xx

DANH MC CÁC CÁC T VIT TT
STT
T vit
tt
Nghĩa ting Anh
Nghĩa ting Vit
1
PID
Proportional Integral
Derivative
B u khin T l - Tích
phân- Vi phân
2
RBF
Radial Basic Function
 bán kính
3

RBFNN
Radial Basic Function 
Network
Mng  hàm  bán
kính
4
ANN
Artificial  network
 
5
MLP
Multi- Layer Perceptrons
Mng Perceptron nhiu tng
6
RNN
Recurrent  Network
Mng  hi qui
7
BP
Back Propagation

Lan truyc
8
FFNN
Feed-Forward 
Network
Mng truyn ti

1

Chng 1 TNG QUAN
1.1 Tng quan đ tài và các kt qu nghiên cu đư công b
1.1.1 Tổng quan về robot rắn.
Trên th gii t  nhng t hp ni ên 90 tr li  robot ã c ng
dng rng rãi trong nhiu nh vc: nghiên cu, sn xut, giáo dc
Vào nhng nm gn  hu ht các  ch robot di ng hin nay có các
bánh xe c u khin bi các ng c. Nhn cu robot có bánh xe  vy
ti hiu qu, d dàng u khin và thích hp vi u khin tc  cao trên
nhng mt bng phng. Tuy nhiên, chúng li không hiu qu trong nhng môi
trng g gh, nhng a hình  mt vt lý khác. Nhng robot di chuyn
bng chân nc tích cc nghiên cu. Chúng cho thy tính thích nghi vi a
hình cao hn nhng robot di chuyn bng bánh xe. Tính thích nghi vi a hình thm
chí còn cao hn vi nhng robot có nhiu n có th   rn.
Ngoài tính thích nghi vi môi trng, nhng robot hình rn còn cho thy
nhiu u m hn nhng robot di chuyn bng bánh xe và chân. Chúng có th làm
vic nhhng tay máy (cánh tay robot) khi mt phn ca các khâu ni c c
nh trên mt .
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố.
 

1.1.2.1 Các bài báo nước ngoài.
a. Bài báo [6 


2




T

xx
T
yy
Mx f D g
My f D g




T T T
xy
J S LA g C LA g D u


   




Hình 1.1 Tốc độ và hướng di chuyển robot rắn của M. Saito, M. Fukaya và T.
Iwasaki
b.
Bài báo [7
P. Prautsch, T. Mita, and T. Iwasaki,


3

0
1

2
0
sin( sin( ))
()
cos( sin( ))
x w kr dr
c
fq
c
y w kr dr


















c. Bài báo [8 Shan and Y. 



bài báo không nói rõ.
d. Bài báo [9
             

21
11
1 cos
22
1
1 cos cos2
2
1
1 cos cos2 cos3
2

1
2 1 cos
n
M
mgL


  



  
  
   





e. Bài báo [10im Ostrowski, Joel Burdi
nghiê

2
1
[ , , , , ]
Tn
h h n
Mq Cq Dq E
q x y R



  


f. Bài báo [11
Shugen MA, Hiroaki ARAYA, LiLI

 trình toán :

4

1
1
2

1
2
01
( ) ( )
22
2 sin( )sin( )
pi
pi
s s l
i
s s l
n n n
s k u du
K K K
s i K l
n L n

  





   



 




  

 

 
g. Bài báo [122005 
Mitsue Kato, Shoichiro Fujisawa 

 




5

Hình 1.β Sơ đồ điều khiển thích nghi PID- Nơron của
Mitsue Kato, Shoichiro
Fujisawa

h. Bài báo [13] 
- 
h
so sánh  - sai và cài


Hình 1.γ Sơ đồ điều khiển thích nghi của F. Shahraki, A.R Arjomandzadeh, M.A
Fanaei điều khiển bình áp suất

i. Bài báo [14

          
- 
à PID- .

6

Hình 1.4 Sơ đồ robot β đoạn của nhóm tác giả Leila Fallah Araghi, M. Habibnejad
Korayem, Amin Nikoobin, Farbod Setoudeh
j. Bài báo [15] 
 

-  



Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển dủng BPNN- PID của nhóm tác giả Liu Luoren,
Luo Jinling
k. Bài báo [16- guang Zhang, Ming- hui Qiang
              

nghi c
7


Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển dùng BPNN- PID của nhóm tác giả Ming- guang
Zhang, Ming- hui Qiang
Thông qua  
 

 



  vì             
Serpenoid và v  
 
1.1.2.2 Các bài báo trong nước.

b  khi PID thích nghi áp 
   t phi  cha  tr tham  và  trúc. B  
PID  c d ng   tính mà   ba      ba
ngõ vào on tng là b ba  K
p
, K
i
và K
d
ca   khi 
mô ph trên  thanh và bóng   ng   t mãn các yêu
     là    l và tri tiêu  sai  xác  
th gian t  0.3±0.1 giây.
8



Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển PID- Nơron của nhóm tác giả Nguyễn Chí Ngôn và
Đặng Tín
   


Ngoài ra, t 

 



theo   




9

1.1.γ Định hướng nghiên cứu.
1.1.γ.1 Tên đề tài.
“NG DNG MNG NRON Đ ĐIU KHIN ROBOT RN”
1.1.3.2 Lý do chọn đề tài.
V mt lý thuyt, mc ng dng rt nhic trong thi gian
gc bii vi nhng bài toán phi tuyng, thi gian thc,
thì mi pháp t. i vi b u khic dùng
khá ph bin bc tính nh. Vì vy, b u khin RBFNN- PID là s kt hp
m ca hai b u khin RBFNN và PID vi mong mun kt qu u khin
robot rc tlà lý do c tài này.
V mt thc tin, nu nghiên cu, thit k u khin thành công robot rn
s ng d kho sát, giám sát, thu thp d lic rt nhing phc
t nn t nghiên cc t do,
1.1.3.3 Giả thiết khoa học.
 S xây dc b u khin RBFNN- PID trong vic thit k và thi công
robot rn.
 S thit k c robot rn theo b u khin RBFNN- PID.
1.2 Mc tiêu, khách th vƠ đi tng nghiên cu ca đ tài.
1.2.1 Mục tiêu đề tài.

 
 XRBFNN- PID 

 RBFNN- PID.
10

1.2.2 Khách thể nghiên cứu.
 
.
1.2.3 Đối tượng nghiên cứu.

 RBFNN- PID.
1.3 Nhim v ca đ tài và gii hn đ tài
1.3.1 Nhiệm vụ đề tài.
 c mc tiêu c tài thì phi hoàn thành mt s nhim v 
 Mô hình hóa robot rn.
 u khin robot rn.
 Xây dng h thu khin robot rn theo b u khin RBFNN- PID.
 Thit k và thi công robot rn theo b u khin RBFNN- PID.
1.3.2 Giới hạn đề tài.
Vi mc tiêu c  tài có mt s gii hn sau:
 N tài nghiên cu chuyng ca robot rn trong không gian hai
chiu, hoa hình bng phng ngi vt.
  tài ch nghiên cu b u khin RBFNN- PID, không nghiên cu các b
u khin khác.
1.4 Phng pháp nghiên cu
1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
 ng hp lý thuyt.
  phân loi và h thng hóa lý thuyt.
11

 
  thit.
1.4.β Các phương phá nghiên cứu thực tiễn.
 c.
 c nghim khoa hc.
1.5 K hoch thc hin
 
1 tháng.
 
1 tháng.
 

 

  
1 tháng.
 
1 tháng.
 
12

Chng 2 NHNG C S Lụ THUYT Đ XỂY
DNG H THNG ĐIU KHIN ROBOT RN
2.1 Mô hình hóa robot rn.
S chuyng ca robot rn da trên lc ma sát và moment xon ca thân robot
rn và mt phng. T kin thnh lut vt lý, tác gi 
chuyng ca robot.
Trong phn này, chúng ta s xây dng mô hình toán hc ca robot rn. Xét robot
rn gm n n kt ni vi nhau qua (n-1) khp. Gi thit mi n có khi lng

phân b u.  mi khp có mt ng c truyn ng cho robot.
 tài này ch xét robot rn di chuyn trong mt phng hai chiu. Trong trng
hp này h thng có (n+2) bc t do ((n-1) cho hình dng, 2 cho v trí và 1 cho hng).

Hình 2.1 Robot rắn gồm n đoạn và n-1 khớp.

( , )
ii
xy
: t trng tâm ca mi n.
i

: góc hp bi mn v
2
i
l
: chiu dài ca mn.
x

: t cm tr
13

y

: t cm trng tâm theo 
Chúng ta  xây dng phng trình ng lc     robot 
trong trng hp ma sát nht.
2.1.1 Lực ma sát của robot rắn

 

 

 -
Trong
do ma

 



qua xét t

Hình 2.2 Đoạn vi phân của khâu thứ i.
