Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển thuật toán thích nghi điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực tương tác của tay máy robot sử dụng bộ quan sát vận tốc lực

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu với hai mục tiêu. Thứ nhất là xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực để ước lượng giá trị vận tốc và lực tương tác giữa tay máy Robot với môi trường với tác động của nhiễu đo lường. Các tín hiệu phản hồi vận tốc và lực về bộ điều khiển được ước lượng từ bộ quan sát. Thứ hai là tổng hợp một thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực để đáp ứng với sự thay đổi các tham số động lực học của tay máy Robot khi làm việc.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Phát triển thuật toán thích nghi điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực tương tác của tay máy robot sử dụng bộ quan sát vận tốc lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐÀO MINH TUẤN PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI QUỸ ĐẠO VÀ LỰC TƯƠNG TÁC CỦA TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐÀO MINH TUẤN PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI QUỸ ĐẠO VÀ LỰC TƯƠNG TÁC CỦA TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Trần Đức Thuận 2. TS Nguyễn Hữu Thung HÀ NỘI - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Đào Minh Tuấn
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng dẫn, PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Nguyễn Hữu Thung đã luôn luôn nhiệt tình chỉ bảo và luôn động viên để tôi hoàn thành bản luận án. Tiếp theo, tôi gửi lời cảm ơn tới Phòng Đào tạo-Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS cùng các cán bộ công tác tại viện đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và có những ý kiến đóng góp quý báu về nội dung, bố cục của luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô nơi tôi công tác tại khoa Điện-Điện tử trường đại học SPKT Hưng Yên vì những động viên chân thành và sự san sẻ công việc chuyên môn để tôi yên tâm thực hiện nội dung luận án. Tôi xin cảm ơn các nhà nghiên cứu phòng Tối ưu và Điều khiển-Viện toán học-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, bố mẹ, anh chị em và đặc biệt là người vợ thân yêu cùng các con của tôi đã dành cho tôi tình yêu và sự tin tưởng để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án. TÁC GIẢ
iii MỤC LỤC Nội dung ...................................................................................................Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................vii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT ...................................... 11 1.1. Động lực học tay máy Robot ................................................................ 11 1.1.1. Mô hình toán học của tay máy Robot ........................................... 11 1.1.2. Các đặc tính của các thành phần động lực học tay máy Robot .... 12 1.2. Tổng quan về điều khiển tay máy Robot .............................................. 15 1.2.1. Điều khiển quỹ đạo tay máy Robot............................................... 16 1.2.2. Điều khiển lực tay máy Robot ...................................................... 25 1.3. Tổng quan về các bộ quan sát ............................................................... 31 1.3.1. Bộ quan sát Luenberger ................................................................ 32 1.3.2. Quan sát bằng bộ lọc Kalman ....................................................... 34 1.3.3. Bộ quan sát tốc độ cao .................................................................. 39 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................. 40 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC CHO TAY MÁY ROBOT ..................................................................................................................... 43 2.1. Cơ sở ước lượng trạng thái của hệ động học lực không xác định ........ 43 2.1.1. Ước lượng trạng thái cho hệ động lực học bậc n ......................... 45 2.1.2. Xây dựng bộ quan sát để ước lượng trạng thái cho hệ động lực học có tác động của nhiễu đo lường .............................................................. 51 2.2. Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot ......................... 56 2.2.1. Ràng buộc chuyển động của tay máy Robot với môi trường ...... 57 2.2.2. Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot . ............... 62 2.2.3. Sự hội tụ của bộ quan sát vận tốc/lực. .......................................... 65 2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................. 69 CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC CHO TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT ......................... 70 3.1. Cơ sở điều khiển thích nghi cho cánh tay robbot ................................. 71 3.1.1. Điều khiển thích nghi trong không gian khớp .............................. 71 3.1.2. Điều khiển thích nghi trong không gian Descartes ....................... 77 3.2. Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực .............................................................................................. 78 3.2.1. Tổng hợp thuật toán điều khiển .................................................... 79 3.2.2. Phân tích sự hội tụ của sai lệch vị trí và lực ................................. 90
iv 3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................. 96 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC ......................................... 98 4.1. Xây dựng mô hình toán học và các tham số mô phỏng ........................ 98 4.1.1. Mô hình toán học tay máy Robot A465 ........................................ 98 4.1.2. Các tham số mô phỏng ................................................................ 101 4.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................. 103 4.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét ........................................................... 105 4.3.1. Trường hợp không có sự thay đổi của các tham số động lực học và không có sự tác động của nhiễu đo lường............................................. 105 4.3.2. Trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường ......................... 109 4.3.3. Trường hợp có sự thay đổi của các tham số động lực học ......... 114 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................... 120 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ..................... 124 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 1 Phụ lục 1: Động lực học tay máy Robot A465R ........................................... 1 Phụ lục 2: Các thành phần của mô hình toán học tay máy Robot A465R ..... 2 Phụ lục 3: Động học tay máy Robot khi sử dụng bộ quan sát ....................... 4 Phụ lục 4: Thiết kế quỹ đạo điểm tác động cuối tay máy Robot ................... 5 Phụ lục 5: Tham số bộ quan sát và bộ điều khiển thích nghi vị/lực .............. 6 Phụ lục 6: Code chương trình mô phỏng ....................................................... 6
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT H q  Ma trận quán tính V q, q  Véc tơ ly tâm và tương hỗ g  q  Véc tơ thành phần trọng trường D q  Véc tơ ma sát Dv Hệ số ma sát nhớt  Véc tơ mô men đặt vào các khớp d Thành phần nhiễu g Gia tốc trọng trường,  Ma trận hướng của hệ tọa độ gắn lên khâu tác động cuối so với hệ tọa độ gốc J q  Ma trận Jacobi của Robot S Ma trận chọn trong điều khiển lai vị trí/lực L Hệ số khuếch đại bộ quan sát wk Nhiễu quá trình trong bộ lọc Kalmam vk Nhiễu đo lường trong bộ lọc Kalmam xˆ k Ước lượng trạng thái hậu nghiệm tại bước k zk Giá trị đo lường tại bước k Pk Hiệp phương sai của sai lệch hậu nghiệm trong bộ lọc Kalman  t Sai lệch ước lượng trạng thái d t Nhiễu đo lường p   Véc tơ tham số động lực học tay máy Robot pˆ Véc tơ tham số ước lượng động lực học tay máy Robot (x) Ràng buộc chuyển động điểm tác động cuối tay máy Robot J  (q) Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian khớp J x  q  Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian Descartes I nn Ma trận đơn vị Qq  Ma trận chiếu theo phương tiếp tuyến P q  Ma trận chiếu theo phương pháp tuyến  Toán tử Lagrange tại điểm tương tác q r Biến tham chiếu
vi  Hệ số khuếch đại sai lệch lực L Hệ số khuếch đại sai lệch vị trí  Hệ số cập nhập tham số động lực học M0 Hệ số giảm chấn  Sai lệch đáp ứng lực i Tj Ma trận biến đổi đồng nhất xác định vị trí và hướng của hệ tọa độ  j trong hệ tọa độ i x Vị trí của khâu tác động cuối trong hệ trục tọa độ 0   x  x Độ lớn lực ma sát tại điểm tác động cuối tay máy Robot với môi trường làm việc Y  q, q,  q, q  Ma trận hồi quy  i i  0  p  n Hệ số bộ quan sát li i  1  3 Chiều dài thanh nối thứ i m  mi i  1  3 Khối lượng thanh nối thứ i kg  I i i  1  3 Mô men quán tính của thanh nối thứ i tại trọng tâm Ci  kg.m 2  . AFE Bộ lước lượng lực thích nghi (Adaptive force estimator) APFC Bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực (Adaptive Position and Force Controller) APFC-VFO Bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực (Adaptive Position and Force Controller using Velocity/Force Observer) DOF Bậc tự do (Degrees Of Freedom) FC Bộ điều khiển lực (Force Controller) FMS Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System) GPI Observer Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát (Generalized Proportional Integral Observer) HGO Bộ quan sát hệ số cao (Hight Gain Observer) IR Robot công nghiệp (Industrial Robot) PC Bộ điều khiển vị trí (Position Controller) PD Controller Bộ điều khiển PD (Proportion Derivative Controller) RRR Rotation, Rotation, Rotation NGPI Observer Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát mới (New Generalized Proportional Integral Observer) slvtul Sai lệch vận tốc ước lượng VFO Bộ quan sát vận tốc lực (Velocity Force Observer) SPO Bộ quan sát nhiễu trượt (Sliding Perturbation Observer)
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1. Các tham số động lực học tay máy Robot A465R .......................... 101 Bảng 2. Giá trị thay đổi các tham số động lực học ....................................... 114 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ các phương pháp điều khiển tay máy Robot ........................ 15 Hình 1.2. Sơ đồ khối điều khiển PD bù trọng trường trong không gian khớp 18 Hình 1.3. Điều khiển PD bù trọng trường trong không gian làm việc ........... 20 Hình 1.4. Sơ đồ điều khiển PID cho tay máy Robot ....................................... 21 Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển động lực học đảo tay máy Robot ................ 23 Hình 1.6. Sơ đồ điều khiển động lực học đảo trong không gian làm việc...... 24 Hình 1.7. Điều khiển độ cứng tích cực ........................................................... 26 Hình 1.8. Sơ đồ phương pháp điều khiển trở kháng ....................................... 28 Hình 1.9. Sơ đồ phương pháp điều khiển lai vị trí/lực.................................... 29 Hình 1.10. Sơ đồ khối bộ quan sát Luenberger .............................................. 33 Hình 1.11. Chu trình bộ lọc Kalman ............................................................... 37 Hình 1.12. Sơ đồ tổng quan quá trình thực hiện của bộ lọc Kalman .............. 38 Hình 2.1. Sơ đồ bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot .......................... 57 Hình 2.2. Không gian trực giao của điểm tác động cuối ................................ 59 Hình 3.1.Sơ đồ bộ điều khiển thích nghi tay máy Robot ................................ 76 Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát ........ 78 Hình 3.3. Ràng buộc điểm tác động cuối trong không gian Descartes ........... 79
viii Hình 3.4. Phép chiếu của véc tơ q lên mặt phẳng vuông góc vớt J T  q  trong không gian khớp .................................................................................... 82 Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển thích nghi sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực ........ 84 Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán điều khiển .......................................................... 85 Hình 3.7. Không gian hình học q và q d ......................................................... 91 Hình 4.1. Chuyển động các khớp tay máy Robot A465 ................................. 98 Hình 4.2. Hệ tọa độ gán trên tay máy Robot................................................... 99 Hình 4.3. Mô tả hình học tay máy Robot A465R ........................................... 99 Hình 4.4. Các tham số chuyển động tay máy Robot A465R ........................ 100 Hình 4.5. Mô tả chuyển động của điểm tác động cuối ................................. 102 Hình 4.6. Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển trong Simulink ................. 103 Hình 4.7. Khối động lực học Robot và ràng buộc của môi trường............... 103 Hình 4.8. Khối tạo nhiễu đo lường ............................................................... 104 Hình 4.9 Khối điều khiển .............................................................................. 104 Hình 4.10. Đáp ứng vị trí theo trục x ........................................................... 105 Hình 4.11. Đáp ứng vị trí theo trục y ........................................................... 105 Hình 4.12. Đáp ứng vị trí theo góc  ........................................................... 105 Hình 4.13. Sai lệch vị trí theo trục x ............................................................ 106 Hình 4.14. Sai lệch vị trí theo trục y ............................................................ 106 Hình 4.15. Sai lệch vị trí theo góc  ............................................................ 106 Hình 4.16. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực đặt....................................... 107 Hình 4.17. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực ước lượng ........................... 107 Hình 4.18. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 1............................. 107
ix Hình 4.19. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 2............................. 107 Hình 4.20. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 3............................. 108 Hình 4.21. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 1 ....................................... 108 Hình 4.22. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 2 ....................................... 108 Hình 4.23. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 3 ....................................... 108 Hình 4.24. Sơ đồ điều khiển với sự tác động của nhiễu đo lường ................ 109 Hình 4.25. Đáp ứng vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường . 109 Hình 4.26. Đáp ứng vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường . 109 Hình 4.27. Sai lệch vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường .. 110 Hình 4.28. Sai lệch vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường .. 110 Hình 4.29. Sai lệch vị trí theo góc  với sự tác động của nhiễu đo lường... 110 Hình 4.30. Đáp ứng lực từ bộ điều khiển khi với nhiễu đo lường ................ 110 Hình 4.31. Sai lệch lực khi có tác động của nhiễu đo lường ........................ 111 Hình 4.32. Lực ước lượng khi có tác động của nhiễu đo lường ................... 111 Hình 4.33. Sai lệch lực ước lượng khi có nhiễu đo lường ............................ 111 Hình 4.34. Vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường ...................... 112 Hình 4.35. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường ...................... 112 Hình 4.36. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường ...................... 112 Hình 4.37. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường ......... 113 Hình 4.38. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường ......... 113 Hình 4.39. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường ......... 113 Hình 4.40. Đáp ứng lực khi có sự thay đổi tham số động lực học................ 114 Hình 4.41. Sai lệch lực khi có thay đổi tham số động lực học ..................... 114 Hình 4.42. Lực ước lượng khi có thay đổi tham số động lực học ................ 115
x Hình 4.43. Sai lệch lực ước lượng khi thay đổi tham số động lực học......... 115 Hình 4.44. Đáp ứng vị trí theo trục x khi thay đổi tham số động lực học ... 116 Hình 4.45. Đáp ứng vị trí theo trục y khi thay đổi tham số động lực học ... 116 Hình 4.46. Đáp ứng vị trí theo góc  khi thay đổi tham số động lực học.... 116 Hình 4.47. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 1 khi thay đổi tham số ............ 116 Hình 4.48. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi thay đổi tham số ......................... 117 Hình 4.49. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi thay đổi tham số ......................... 117 Hình 4.50. Momen điều khiển khớp 1 khi có sự thay đổi tham số ............... 117 Hình 4.51. Momen điều khiển khớp 2 khi có sự thay đổi tham số ............... 118 Hình 4.52. Momen điều khiển khớp 3 khi có sự thay đổi tham số ............... 118 Hình 4.53. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục x giữa hai thuật toán .. 119 Hình 4.54. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục y giữa hai thuật toán .. 119 Hình 4.55. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục  giữa hai thuật toán .. 119 Hình 4.56. So sánh đáp ứng sai lệch lực giữa hai thuật toán ........................ 120
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong thời kỳ phát triển công nghiệp như hiện nay, việc ứng dụng khoa học công nghệ trong quân sự, trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh hoạt đang được đặt lên hàng đầu. Trong đó, việc xây dựng và phát triển các modul điều khiển, các thuật toán điều khiển mới trong các thiết bị quân sự, dây truyền sản xuất và các hệ thống điều khiển tự động hóa ngày càng được chú trọng và phát triển. Có thể nói Robot công nghiệp đóng vai trò nòng cốt trong cách mạng công nghiệp lần thứ 4, Robot được yêu cầu ngày càng thông minh hơn, thích nghi tốt với môi trường biến đổi liên tục và chuyển đổi sản xuất linh hoạt trong các hệ thống sản xuất FMS. Điều đó đã đặt ra những thách thức cho các nhà nghiên cứu tập trung vào tăng khả năng ứng dụng và tương tác giữa Robot với các quá trình sản xuất thực tế, đặc biệt là phát triển các thuật toán điều khiển thông minh cho Robot. Nghiên cứu động học và điều khiển tay máy Robot đã được phát triển rất mạnh ở các nước và được xem như một nghành nghiên cứu là nghành Robot. Vì vậy, đã có rất nhiều các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại được nghiên cứu và ứng dụng để điều khiển tay máy Robot ví dụ như PID bù trọng trường, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, điều khiển Backsteping, điều khiển bền vững, điều khiển sử dụng hệ Logic mờ, nơron… Hầu hết các phương pháp điều khiển trên đều tập trung vào điều khiển điểm tác động cuối tay máy Robot bám theo một quỹ đạo mong muốn hoặc điều khiển lực tương tác giữa điểm tác động cuối của tay máy Robot với môi trường làm việc như điều khiển lai vị trí/lực. Với các phương pháp điều khiển lai vị trí/lực đã được nghiên cứu và công bố thì các tín hiệu phản hồi vị trí, vận tốc và lực tương tác giữa tay máy Robot và môi trường đều được lấy từ
2 các cảm biến. Tuy nhiên trong một số các yêu cầu thực tế, có những biến trạng thái của hệ thống không thể thực hiện đo lường được hoặc việc sử dụng các cảm biến lực và vận tốc có những hạn chế như vị trí lắp đặt cảm biến ảnh hưởng đến trường công tác của tay máy Robot , do ảnh hưởng của nhiệt độ cao của môi trường làm việc tác động đến độ chính xác của cảm biến hoặc do giá thành tổng thể của tay máy Robot cao khi sử dụng một lượng lớn các cảm biến. Để khắc phục các hạn chế đó, các hướng nghiên cứu tập trung vào sử dụng các bộ quan sát để ước lượng các biến trạng thái thay thế cho việc sử dụng các cảm biến. Trong nước, đã có các công trình nghiên cứu về các bộ quan sát cho tay máy Robot như [6]. Trong nghiên cứu này, một bộ quan sát trạng thái tốc độ cao được thiết kế và kết hợp với thuật toán điều khiển bền vững để điều khiển quỹ đạo vị trí của tay máy Robot . Một bộ quan sát trượt SMO giảm bậc được sử dụng để ước lượng các thành phần phần phi tuyến qua các biến trạng thái như vị trí tải, tốc độ tải và được phản hồi về bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR được công bố trong [4]. Trong [1], một bộ quan sát trượt được sử dụng để ước lượng thành phần phi tuyến trong khớp nối mềm và được kết hợp với một thuật toán điều khiển thích nghi để điều khiển góc quay của khớp bám theo một quỹ đạo đặt. Hạn chế của các bộ quan sát trên là không đều không thể thực hiện ước lượng đồng thời vận tốc và lực tương tác của tay máy Robot với môi trường). Các nghiên cứu ngoài nước về ứng dụng bộ các bộ quan sát điều khiển tay máy Robot cũng được công bố rộng rãi. Trong [10], một bộ lọc Kalman mở rộng được sử dụng để ước lượng biến trạng thái là góc quay các khớp của tay máy Robot. Một bộ ước lượng nhiễu sử dụng bộ quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman mở rộng cho tay máy Robot được công bố trong [11]. Một bộ quan sát lực/vận tốc đã được nghiên cứu và công bố trong [12], [13] tuy nhiên bộ quan sát này không có khả năng đáp ứng khi có sự tác động của nhiễu đo lường dẫn đến sai lệch lực
3 và vận tốc ước lượng rất lớn khi có sự tác động của nhiễu đo lường. Một bộ quan sát nhiễu loạn trượt (SPO) được công bố trong [53]. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã sử dụng bộ quan sát SPO để ước lượng lực tương tác giữa điểm tác động cuối của tay máy robot với bề mặt môi trường mà không cần đến bất kỳ một cảm biến lực nào. Tuy nhiên, các giá trị phản hồi của vận tốc các khớp về bộ điều khiển vẫn phải dùng đến cảm biến vận tốc. Trong nghiên cứu [58], một bộ quan sát nhiễu loạn được sử dụng để quan sát các thành phần nhiễu trong hệ thống tay máy robot, đặc biệt là nhiễu thay đổi nhanh theo thời gian. Nghiên cứu này chỉ thực hiện quan sát nhiễu phi tuyến bên trong hệ thống tay máy robot và có thể được áp dụng đối với các tay máy có mô hình không xác định nhưng chưa đề cập đến quan sát vận tốc các khớp của tay máy robot. Để có thể sử dụng được bộ quan sát vận tốc/lực trong thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực thì bộ quan sát phải được xây dựng cả trong không gian Descartes và có khả năng đáp ứng tốt khi có sự tác động của nhiễu đo lường. Từ những phân tích các bộ quan sát ứng dụng cho tay máy Robot đã được công bố trong và ngoài nước ta thấy nhiệm vụ nghiên cứu và xây dựng một bộ quan sát vận tốc/lực có khả năng kháng được nhiễu đo lường để ứng dụng trong điều khiển vị trí và lực cho tay máy Robot chuyển động với sự ràng buộc của môi trường là cần thiết và chưa được nghiên cứu. Trong các nghiên cứu về điều khiển tay máy Robot đã được công bố, các tham số động lực học của tay máy Robot đều được giả sử là được xác định trước và không thay đổi trong khi làm việc. Tuy nhiên trong thực tế, có rất nhiều mô hình động lực học tay máy Robot không được xác định trước và các tham số động lực học có sự thay đổi trong khi làm việc do mô men quán tính thay đổi hoặc do trọng lượng của vật mà tay máy Robot gắp thay đổi. Phương pháp điều khiển thích nghi đã được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rất rộng trong lĩnh vực điều khiển tay máy Robot công nghiệp. Các
4 nghiên cứu về điều khiển thích nghi đầu tiên được giới thiệu trong [14], [15]. Một thuật toán điều khiển thích nghi đã được đề xuất trong [16]. Thuật toán điều khiển này bao gồm phần phản hồi PD và phần phản hồi bù động lực. Phương pháp này được áp dụng hiệu quả đối với trường hợp các tham số của tay máy Robot và tải trọng không xác định. Một bộ điều khiển thích nghi bền vững được tổng hợp dựa trên nguyên lý điều khiển trượt với các đặc tính bất định được xấp xỉ bằng mạng nơ ron được công bố trong [5]. Một phương pháp điều khiển thích nghi được công bố trong nghiên cứu [57] để đảm bảo chính xác và ổn định vị trí của hệ thống robot có các tham số động lực học không xác định và các vùng chết khi làm việc. Ưu điểm đặc biệt của phương pháp này là các tham số động lực học và các tham số vùng chết được ước lượng đồng thời trong các luật thích nghi và các giá trị ước lượng này được sử dụng trong luật điều khiển. Các phương pháp điều khiển thích nghi đã phân tích ở trên đều điều khiển quỹ đạo của các khớp (điều khiển trong không gian khớp) hoặc quỹ đạo của điểm tác động cuối (điều khiển trong không gian Descartes) bám theo một quỹ đạo mong muốn khi không có bất cứ một ràng buộc nào của môi trường cũng như không xét đến sự ảnh hưởng của lực tương tác giữa điểm tác động cuối của tay máy Robot với môi trường. Như vậy, các phương pháp điều khiển này không thực hiện được yêu cầu điều khiển trong nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Trong các ứng dụng của tay máy Robot mà có tính đến sự tương tác giữa điểm tác động của tay máy Robot với bề mặt môi trường làm việc thì các phương pháp điều khiển vị trí và lực [8] (điều khiển lai vị trí/lực) được sử dụng và mang lại hiệu quả cao. Các phương pháp này lần lượt được sử dụng trong nghiên cứu [17], [18], [19], [20], [21]. Một hướng nghiên cứu mới là điều khiển thích nghi vị trí và lực cho tay máy Robot . Phương pháp điều khiển này rất hiệu quả trong các ứng dụng điều khiển tay máy Robot có nhiễu tác động và có sự bất định của các tham số
5 trong khi làm việc. Các nghiên cứu được công bố trong [22], [23], [24] Tuy nhiên, các nghiên cứu này được thực hiện cần có sự đo lường của vị trí, vận tốc và lực tương tác. Các hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào xây dựng các bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực kết hợp với các bộ quan sát nhằm giảm các đo lường cần phải thực hiện. Một sự kết hợp của bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng trạng thái với một luật thích nghi để điều khiển tay máy Robot được công bố trong [25]. Trong nghiên cứu này, bộ lọc Kalman mở rộng chỉ ước lượng được biến trạng thái là vị trí của tay máy Robot trong khi tín hiệu phản hồi vận tốc và lực vẫn phải thực hiện bằng các đo lường của cảm biến. Một phương pháp điều khiển thích nghi được đề xuất cho điều khiển tay máy Robot thực hiện nhiệm vụ tương tác với bề mặt cứng [26]. Trong nghiên cứu này, các tham số của cả Robot và bề mặt ràng buộc đều không được xác định trước và được ước lượng bằng bộ quan sát nhưng tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển là vị trí, vận tốc và lực tương tác vẫn phải thực hiện đo bằng các cảm biến. Một nghiên cứu được thực hiện với thuật toán điều khiển thích nghi và không sử dụng cảm biến cho tay máy Robot mà dựa vào bộ ước lượng lực thích nghi (AFE) [27]. Với giải pháp được đưa ra trong nghiên cứu này, các tham số không xác định của Robot sẽ được ước lượng cùng với điều khiển lực. Điểm nổi bật của phương pháp này là không cần sử dụng cảm biến lực trong khi độ cứng của môi trường mà tay máy Robot tương tác cũng không được xác định. Tuy nhiên, bộ điều khiển được xây dựng trong nghiên cứu này vẫn cần sự đo lường vận tốc. Một mô hình thích nghi kết hợp với bộ quan sát được để điều khiển tay máy robot trong không gian làm việc được công bố trong [59] Trong nghiên cứu này, tín hiệu vận tốc phản hồi về bộ điều khiển được lấy từ bộ quan sát và sử dụng các chuỗi Fourier để bù các thành phần bất định và phi tuyến trong bộ quan sát và bộ điều khiển. Từ sự phân tích các phương pháp điều khiển trong các công trình nghiên
6 cứu đã được công bố cho thấy các phương pháp điều khiển này không thực hiện được yêu cầu về điều khiển trong nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Như vậy, nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp một thuật toán điều khiển vị trí và lực cho tay máy Robot có các tham số thay đổi với yêu cầu không sử dụng các sự đo lường về lực và vận tốc là cần thiết và chưa từng được công bố. 2. Mục tiêu nghiên cứu Luận án nghiên cứu với hai mục tiêu. Thứ nhất là xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực để ước lượng giá trị vận tốc và lực tương tác giữa tay máy Robot với môi trường với tác động của nhiễu đo lường. Các tín hiệu phản hồi vận tốc và lực về bộ điều khiển được ước lượng từ bộ quan sát. Thứ hai là tổng hợp một thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực để đáp ứng với sự thay đổi các tham số động lực học của tay máy Robot khi làm việc. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là tay máy Robot chuyển động tương tác với môi trường làm việc. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong nhiệm vụ điều khiển điểm tác động cuối tay máy Robot ba bậc tự do chuyển động và tương tác với môi trường là một mặt phẳng. 4. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau - Nghiên cứu động lực học và các phương pháp điều khiển tay máy Robot . - Nghiên cứu các bộ quan sát sử dụng trong điều khiển Robot. - Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot bằng kỹ thuật NGPI - Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực cho tay máy Robot sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực. - Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink để khảo sát và đánh giá chất lượng của thuật toán trên đối tượng là tay máy Robot A465R .
7 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện theo các phương pháp như sau - Phân tích và tổng hợp các nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực nghiên cứu và nội dung nghiên cứu của luận án. - Phương pháp chuyên gia để nghiên cứu cơ sở toán học của bộ quan sát, đưa ra cơ sở toán học mới cho kỹ thuật quan sát NGPI và ứng dụng để xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot . - Kế thừa cơ sở dữ liệu từ thuật toán điều khiển thích nghi vị trí của Slotine-Li để tổng hợp một thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực mới. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các nghiên cứu của luận án đã đưa ra được hai đóng góp mới sau * Ý nghĩa khoa học: - Đưa ra được cơ sở toán học của kỹ thuật quan sát NGPI, xây dựng được bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot bằng kỹ thuật NGPI. Đóng góp được một phương pháp mới để ước lượng trạng thái và các đạo hàm bậc cao của trạng thái của một hệ động lực học với sự tác động của nhiễu đo lường. - Tổng hợp được một thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực mới trên cơ sở thuật toán điều khiển thích nghi vị trí của Slotine-Li. * Ý nghĩa thực tiễn - Bộ quan sát vận tốc/lực giải quyết được vấn đề thực tế là giảm chi phí lắp đặt vì sử dụng ít cảm biến hơn. Mặt khác, giảm được sự ảnh hưởng của các tác động của môi trường đến độ chính xác của các cảm trên tay máy Robot khi tay máy Robot làm việc trong môi trường khắc nhiệt. - Việc ứng dụng thuật toán điều khiển đã được tổng hợp mang lại phạm vi ứng dụng của tay máy Robot rộng hơn trong các điều kiện làm việc khi các tham số động lực học không xác định hoặc có sự thay đổi của các tham số động lực học khi làm việc.
8 7. Bố cục của luận án Nội dung của luận án được trình bày có cấu trúc bao gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung như sau: Mở đầu: Trong phần mở đầu, các phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về xây dựng bộ quan sát cho tay máy Robot và thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực được đưa ra để minh chứng cho tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án. Chương 1: Cơ sở điều khiển tay máy Robot Chương 1 được trình bày với các nội dung sau: Nội dung 1 đưa ra các phân tích tổng quát về động học của tay máy Robot và các đặc tính của các thành phần trong phương trình động lực học của tay máy Robot . Nội dung 2 phân tích các phương pháp điều khiển tay máy Robot với các thuật toán điều khiển cơ bản và nâng cao được thực hiện điều khiển vị trí và lực cho tay máy Robot trong cả không gian khớp và không gian Descartes. Nội dung 3 đưa ra các phân tích tổng quan về các bộ quan sát được sử dụng để ước lượng trạng thái của các hệ động học. Các nội dung được trình bày trong chương này đưa ra sự đánh giá tổng quan về ưu nhược điểm của các bộ quan sát và các bộ điều khiển đã được nghiên cứu và công bố để làm cơ sở cho việc lựa chọn nội dung nghiên cứu chính của luận án là xây dựng bộ quan sát lực/vận tốc và tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi vị trí /lực cho tay máy Robot. Chương 2: Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot Chương hai được trình bày với hai nội dung chính như sau: Nội dung 1: Phân tích cơ sở toán học của bộ quan sát và các chứng minh sự hội tụ của sai lệch ước lượng trong các trường hợp không và có sự tác động của nhiễu đo lường. Nội dung 2: Trình bày các phân tích sự ràng buộc chuyển động của điểm