Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Đức Vương PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Đức Vương PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Quang Hồng Hà Nội – 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan toàn nội dung, kết trình bày luận án kết nghiên cứu thân hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng Trừ phần tham khảo ghi rõ luận án, số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm … Người hướng dẫn Tác giả luận án PGS TS Nguyễn Quang Hoàng Vũ Đức Vương i LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập nghiên cứu Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến tơi hồn thành luận án tiến sĩ Luận án hồn chỉnh nhờ giúp đỡ quý thầy cô, quý quan, gia đình, bạn bè đồng nghiệp Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: PGS TS Nguyễn Quang Hồng, người thầy tận tình hướng dẫn truyền cho kinh nghiệm quý báu nghiên cứu khoa học Xin tỏ lòng cảm ơn tới PGS Nguyễn Phong Điền người thầy tư vấn định hướng tiếp cận với lĩnh vực chuyên môn Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi suốt trình làm luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Cơ học ứng dụng hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian học tập nghiên cứu môn Tác giả xin cảm ơn ủng hộ bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình làm luận án Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình ln sát cánh, động viên ủng hộ tác giả suốt trình làm luận án Vũ Đức Vương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Robot robot song song 1.1.1 Phân loại robot song song 1.1.2 Ứng dụng robot song song 1.2 Các phương pháp điều khiển robot 11 1.3 Vấn đề kỳ dị robot song song 13 1.4 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.4.1 Các nghiên cứu nước 17 1.4.2 Các nghiên cứu nước 18 1.5 Hướng nghiên cứu luận án 20 1.6 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH KỲ DỊ ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG 25 2.1 Mở đầu 25 2.2 Hệ phương trình liên kết robot song song 25 2.3 Phân tích động học thuận robot song song 26 2.4 Phân tích động học ngược robot song song 27 2.4.1 Giải toán động học ngược phương pháp ma trận Jacobi 27 2.4.2 Giải toán động học ngược cho robot song song 3RRR phương pháp giải tích 31 2.4.3 Ước lượng động học cho robot song song 33 2.5 Phân tích kì dị động học robot song song 3RRR 35 iii 2.5.1 Phương pháp xác định cấu hình kỳ dị 35 2.5.2 Giải pháp vượt kỳ dị phân tích động học robot song song 37 2.5.3 Mô số vượt kỳ dị động học 39 2.6 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG .44 3.1 Mở đầu 44 3.2 Mơ hình động lực học robot song song có kể đến hệ dẫn động 44 3.2.1 Mơ hình động lực học hệ dẫn động 45 3.2.2 Mơ hình động lực học robot song song có kể đến hệ dẫn động 47 3.2.3 Hệ phương trình vi phân chuyển động với tọa độ suy rộng tối thiểu 55 3.3 Khảo sát động lực học robot song song 58 3.3.1 Bài toán động lực học thuận 59 3.3.2 Bài toán động lực học ngược 59 3.3.3 So sánh kiểm chứng mô hình chương trình tính 60 3.4 Vấn đề ổn định hóa liên kết 64 3.4.1 Phương pháp Baumgarte 64 3.4.2 Phương pháp chiếu hiệu chỉnh 65 3.5 Vượt kỳ dị phân tích động lực học robot song song 67 3.5.1 Cơ sở phương pháp 67 3.5.2 Nội dung mô số 69 3.5.3 Kết mô 69 3.6 Kết luận chương 71 CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG .72 4.1 Mở đầu 72 4.2 Một số điều khiển truyền thống cho robot song song 73 4.2.1 Điều khiển vị trí - điều khiển PD+bù trọng lực 73 4.2.2 Điều khiển PID dựa mô men tính tốn 73 4.3 Điều khiển trượt robot song song không gian khớp 75 iv 4.3.1 Xây dựng luật điều khiển 75 4.3.2 Nội dung mô số 78 4.3.3 Kết mô số 78 4.4 Điều khiển trượt robot song song không gian thao tác 79 4.4.1 Biến đổi hệ phương trình động học dạng tọa độ tối thiểu không gian thao tác 79 4.4.2 Xây dựng luật điều khiển không gian thao tác 80 4.4.3 Mô số 84 4.5 Kết luận chương 86 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 87 5.1 Mở đầu 87 5.2 Cơ sở hoạt động điều khiển mờ 87 5.2.1 Mờ hóa 88 5.2.2 Luật hợp thành 89 5.2.3 Giải mờ 90 5.3 Sử dụng điều khiển trượt mờ để bù thành phần nhiễu bất định thông số 93 5.3.1 Cơ sở phương pháp 93 5.3.2 Nội dung mô 95 5.3.3 Kết mô 95 5.4 Sử dụng điều khiển trượt mờ điều khiển bám quỹ đạo 96 5.4.1 Cơ sở phương pháp 96 5.4.2 Nội dung mô số 99 5.4.3 Kết mô số 99 5.5 Kết luận chương 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO v 106 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu M Ma trận khối lượng C Ma trận ly tâm Coriolis Js Ma trận Jacobi JT Ma trận Jacobi tịnh tiến JR Ma trận Jacobi quay IC Ma trận mơ men qn tính khối Im Ma trận mơ men qn tính khối rơ to động g Véc tơ gia tốc trọng trường n Số bậc tự hệ 10 m Số tọa độ suy rộng không gian thao tác 11 r Số tọa độ suy rộng dư hay số nhân tử Lagrange 12 q Véc tơ tọa độ khớp 13 q Véc tơ vận tốc khớp 14 Véc tơ gia tốc khớp 15 q q 16 qa Véc tơ vận tốc suy rộng khớp chủ động 17 qa Véc tơ gia tốc suy rộng khớp chủ động 18 qi Véc tơ tọa độ suy rộng độc lập 19 qd Véc tơ tọa độ suy rộng phụ thuộc 20 x Véc tơ tọa độ bàn máy động 21 x Véc tơ vận tốc bàn máy động 22 x Véc tơ gia tốc bàn máy động 23 z Véc tơ tọa độ dư 24 G Véc tơ phương trình liên kết 25 Wa Véc tơ mô men/ lực dẫn động 26 O Véc tơ nhân tử Lagrange 27 u Véc tơ lực điều khiển a Mô tả Véc tơ tọa độ suy rộng khớp chủ động vi 28 e Véc tơ sai số 29 H Tham số bé 30 E Ma trận đơn vị 31 rg Tỉ số truyền hộp giảm tốc 32 l1 Chiều dài khâu chủ động chân robot 33 l Chiều dài khâu bị động chân robot 34 M Góc nghiêng bàn máy động robot 35 Z Véc tơ vận tốc góc khâu 36 T Biểu thức động 37 Biểu thức 38 V Hàm Lyapunov 39 N Ma trận bù ma trận Jacobi TT Chữ viết tắt Mô tả 3RRR Robot song song phẳng chân, với trình tự khớp chân Revolute – Revolute - Revolute 3RPR Robot song song phẳng chân, với trình tự khớp chân Revolute – Prismatic - Revolute PD PID Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm (Proportional - Integral – Derivate) GA DLS Giải thuật di truyền (Genetic algorithm) Phương pháp bình phương tối thiểu (Damped Least Squares) SVD Phương pháp phân rã giá trị kỳ dị (Singular Value Decomposition) DC Motor SMC Bộ điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (Proportional – Derivate) Động điện chiều Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control) vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi robot song song Bảng 1.2: Bảng thông số robot song song 3RRR 24 Bảng 3.1: Các tọa độ suy rộng ký hiệu 45 Bảng 5.1: Bảng suy diễn mờ cho hệ số v 94 Bảng 5.2: Bảng luật điều khiển FSMC 97 viii