Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển rô bốt công nghiệp có nhiều tham số bất định

Tính đúng đắn củaphương pháp điều khiển này được chứng minh bằng nguyên lý ổn định Lyapunov và mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink - Nghiên cứu một số thuật toán đều khiển hệ robot-ca

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-NGUYỄN TIẾN KIỆM

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2018

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-NGUYỄN TIẾN KIỆM

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT SỐ THUẬT

TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP CÓ

NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 9.52.02.16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS.PHẠM MINH TUẤN

2 TS.NGUYỄN TRẦN HIỆP

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kếtquả được viết chung với các tác giả khác đều có sự đồng ý của họ trước khi đưa vàoluận án Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Tiến Kiệm

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến người Thầy hướng dẫn đã quá cố

PGS.TSKH: Phạm Thƣợng Cát, các cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phạm Minh Tuấn- hướng dẫn khoa học 1, TS.Nguyễn Trần Hiệp-Hướng dẫn khoa học 2

đã hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả cảm ơn các bạn đồng môn, phòng đào tạo, các phòng ban liên quanthuộc Viện công nghệ thông tin-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã

hỗ trợ và đóng góp ý kiến để tác giả hoàn thành luận án của mình

Tác giả cảm ơn ban lãnh đạo nhà trường, bạn lãnh đạo khoa, các đồng nghiệpnơi đang công tác là trường đại học công nghiệp Hà Nội đã hỗ trợ, động viên, giúp

đỡ trong quá trình làm nghiên cứu sinh

Tác giả luận án

Nguyễn Tiến Kiệm

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Jc Ma trận Jacobi camera

Jim Ma trận Jacobi đặc trưng ảnh

q

d

w r o Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ bệ Pan-Tilt m

c r o Tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ camera m

UE Điện áp điều khiển phần ứng động cơ một chiều V

tE Thành phần tín hiệu bất định của động cơ một chiều V

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PBVS Position- based visual servoing -servo thị giác dựa trên vị tríIBVS Image-based visual servoing - servo thị giác dựa trên ảnhWMR Wheeled mobile robot di động bánh xe

TSMC Terminal sliding mode control- phương pháp điều khiển trượt

đầu cuốiRBFNN Radial basic funtion neural network-mạng nơ ron RBF

SMC Sliding mode control-điều khiển trượt

ANN Artificial neural network-mạng nơ ron nhân tạo

MIMO Multi input multi output- hệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

BP Back propagation-lan truyền ngược

GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền

RBF Radial basic function - Hàm bán kính cơ sở

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 3

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Kết quả và tính mới của luận án 4

7 Bố cục của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 7

1.1 Giới thiệu chung 7

1.2 Một số ứng dụng của robot 8

1.2.1 Trong công nghiệp 8

1.2.2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm 9

1.2.3 Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân 9

1.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp 9

1.2.5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian 9

1.2.6 Ứng dụng trong các thiết bị lặn 10

1.2.7 Ứng dụng trong giáo dục 10

1.2.8 Ứng dụng trong hỗ trợ người khuyết tật 10

1.3 Mô hình robot với nhiều tham số bất định 15

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước 10

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 11

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 11

1.5 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án 19

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CHUYỂN ĐỘNG VI PHÂN CỦA TAY MÁY DI ĐỘNG VÀ THIẾT KẾ LUẬT VISUAL SERVOING MỚI ĐỂ BÁM THEO MỤC

TIÊU DI ĐỘNG 29

2.1 Thị giác máy và điều khiển hệ robot - camera 29

2.1.1 Các khái niệm cơ bản của thị giác máy 29

2.1.2 Các hệ thị giác máy 30

2.2 Mô hình hóa chuyển động vi phân của camera trên tay máy chuyển động và thiết kế hệ servo thị giác bám mục tiêu di động 35

2.2.1 Mô tả các hệ tọa độ 35

2.2.2 Chuyển động vi phân 36

2.2.3 Tính toán đạo hàm của đặc trưng ảnh 41

2.3 Đề xuất luật điều khiển 43

2.3.1 Phát biểu bài toán 43

2.3.2 Luật điều khiển động học 44

2.3.3 Luật điều khiển động lực học 46

2.3.4 Xét tính ổn định 47

2.4 Mô phỏng phương pháp điều khiển 48

2.5 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 52

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ HỆ ROBOT GẮN CAMERA BÁM MỤC TIÊU DI ĐỘNG VỚI NHIỀU THAM SỐ BẤT ĐỊNH 52

3.1 Mạng nơ ron nhân tạo 52

3.1.1 Mô hình nút nơ ron 54

3.1.2 Cấu trúc mạng nơ rơn 56

3.1.3 Huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo 57

3.1.4 Mạng nơ ron RBF (Radial Basic Function Networks) 58

3.2 Mạng nơron trong điều khiển robot 60

3.3 Điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu di động với nhiều tham số bất định 68

3.3.1 Đặt vấn đề 68

3.3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám mục tiêu di động 69

3.3.3 Thuật điều khiển tốc độ hệ robot-camera bám mục tiêu di động 71 3.3.4 Thuật điều khiển visual servoing cho hệ robot khi có nhiều tham số bất định.

73

3.3.5 Mô phỏng hệ thống điều khiển visual sevoing trên Matlab 77

3.3 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP DÙNG MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO CÓ CHÚ Ý ĐẾN CƠ CẤU CHẤP HÀNH 82

4.1 Động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu 82

4.2 Điều khiển hệ rô bốt - camera bám mục tiêu di động có chú ý tác động của cơ cấu chấp hành 85

4.2.1 Đặt vấn đề 85

4.2.2 Xây dựng mô hình toán học học của hệ Robot-camera có tác động của cơ cấu chấp hành 86

4.2.3 Điều khiển bám mục tiêu di động dùng mạng nơ ron 89

4.2.4 Mô phỏng hệ servo thị giác có mô hình động cơ trên Matlab 92

4.2.5 Kết luận chương 4 95

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI NGĂN CHẶN SỰ SUY BIẾN CHO ROBOT GẮN CAMERA VỚI MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH VÀ NHIỄU NGOÀI 96

5.1 Tóm tắt nội dung chính 96

5.2 Các kiến thức cơ bản 97

5.3 Thiết kế luật điều khiển 99

5.4 Phân tích ổn định 103

5.5 Mô phỏng phương pháp điều khiển 105

5.6 Kết luận chương 5 113

KẾT LUẬN TOÀN LUẬN ÁN 114

1 Các kết quả đạt được của luận án 114

2 Hướng phát triển của luận án 115

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO 118

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Quá trình xử lý ảnh của thị giác rô bốt 29

Hình 2.2 Mô hình hệ sever thị giác eye-in-hand 31

Hình 2.3 Cấu trúc hệ servo vị trí ảnh 32

Hình 2.4 Cấu trúc servo đặc trưng ảnh 33

Hình 2.5 Một tay máy hai bậc tự do gắn camera đặt trên robot di động có bánh 35

Hình 2.6 Chân đế di động và hai trục tọa độ, O2X2Y2Z2 và O3X3Y3Z3, trong khung cơ sở 36

Hình 2.7 Mặt trước của hệ trục, vị trí và hướng của O4X4Y4Z4 trong O3X3Y3Z3.38 Hình 2.8 Vị trí và hướng của OCXCYCZC trong O4X4Y4Z4, và mô hình điểm ảnh của camera 39

Hình 2.9 Đồ thị mô tả chuyển động vi phân của camera qua OCXCYCZC 42

Hình 2.10 Mô hình rô bốt di động bám mục tiêu di động 42

Hình 2.11 Sơ đồ của bộ điều khiển đề xuất visual servoing bám mục tiêu di động 44 Hình 2.12 Mô tả quỹ đạo của WMR (màu xanh) và mục tiêu bay (đỏ) trong không gian 3D 46

Hình 2.13 Quỹ đạo chuyển động của đặc trưng ảnh trong mặt phẳng ảnh 46

Hình 2.14 Đặc tính của  = v – vd theo thời gian 50

Hình 2.15 Đặc tính của mô men theo thời gian 50

Hình 3.1 Cấu trúc mạng RBF 59

Hình 3.5 Hệ robot gắn camera 69

Hình 3.6 Mô hình tạo ảnh camera 70

Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ điều khiển tốc độ hệ robot-camera 73

Hình 3.8 Mạng RBF xấp xỉ hàm f  .75

Hình 3.9 Cấu trúc của hệ visual servoing điều khiển camera bám mục tiêu di động có nhiều tham số bất định 77

Hình 3.10 Quỹ đạo đặc trưng ảnh 79

Hình 3.11 Đăc tính vận tốc các khớp 79

Hình 3.12 Đặc tính momen các khớp 79

Hình 3.13 Sự thay đổi các trọng số mạng nơ ron 80

Hình 3.14 Sự thay đổi các góc khớp 80

Hình 3.15 Sự thay đổi các góc khớp 80

Hình 4.1 Đặc tính mômen và công suất 84

Hình 4.2 Cấu tạo động cơ đĩa 85

Hình 4.3 Hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều 85

Hình 4.4 Sơ đồ điều khiển 86

Hình 4.5 Mạng RBF xấp xỉ hàm f‟ 90

Hình 4.6 Quỹ đạo của đặc trưng ảnh 94

Hình 4.7: Sự thay đổi toạ độ các khớp 94

Hình 4.8: Sự thay đổi vận tốc các khớp 94

Hình 4.9: Đặc tính điện áp của động cơ trên các khớp 95

Hình 5.1 Cấu trúc mạng RBFNN 99

Hình 5.2 Sơ đồ của toàn bộ hệ thống điều khiển vòng kín 103

Hình 5.3 Hiệu suất bám của phương pháp TSMC đề xuất 106

Hình 5.4 Hiệu suất bám của phương pháp SMC tuyến tính 107

Hình 5.5 So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 1của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC 107

Hình 5.6 So sánh trong trạng thái xác lập giữa sai lệch bám tại khớp nối 2 của phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính 108

Hình 5.7 So sánh giữa đầu vào điều khiển tại cả hai khớp nối giữa phương pháp đề xuất TSMC và phương pháp SMC tuyến tính 108

Hình 5.8 So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch e1 tại khớp nối 1 giữa phương pháp đề xuất và phương pháp trong [58] 109

Hình 5.9 So sánh trong trạng thái xác lập sai lệch bám e2 tại khớp nối 2 giữa phương pháp đề xuất và [58] 109

Hình 5.10 So sánh mô men của phương pháp đề xuất và [58] 110

Hình 5.11 So sánh mô men trong trường hợp sử dụng (5.25, 5.26) và hàm trơn (5.41, 5.42) 110

Hình 5.12 So sánh sai lệch bám tại khớp 1, e 1 , trong trường hợp sử dụng hàm (5.25, 5.26) và sử dụng hàm trơn (5.41, 4.42) 111

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Quỹ đạo dùng để mô phỏng của cả đối tượng và WMR 48Bảng 2.2 Các tham số của chân đế pan-tilt và camera 49

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong cuộc cách mạng công nghệ 4.0 hiện nay, robot là một trong nhữngcông cụ không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực

Hiện nay robot được ứng dụng trong mọi mặt đời sống xã hội loài người như:Trong các nhà máy, robot tham gia vào các dây chuyền sản xuất thay thế sức laođộng của con người Lĩnh vực an ninh có các robot giám sát an ninh tại các địa điểmquan trọng hoặc trong các môi trường phức tạp Trong lĩnh vực quốc phòng robotđược sử dụng ngày càng rộng rãi như các máy bay không người lái, xe tăng khôngngười lái, tàu chiến không người lái, robot thay thế lính bộ binh trên chiến trường.Trong lĩnh vực y học có các robot phục vụ cho việc phẫu thuật thay thế bác sĩ với

độ chính xác cao, không phụ thuộc vào các yếu tố tâm lí như con người Robot cũngđược sử dụng trong lĩnh vực thám hiểm, thăm dò các vùng đất hoặc các vùng biển

mà con người chưa khám phá được Ngày nay robot cũng được sử dụng trong việckhám phá, thăm dò các hành tinh khác ngoài trái đất, và nó có thể được sử dụng đểtìm kiếm sự sống ngoài trái đất

Trong luận án này tác giả đề cập đến một số phương pháp điều khiển chorobot với nhiều tham số bất định trong đó tác giả trình bầy về một số thuật toánđiều khiển cho hệ robot-camera đặt trên hệ bánh xe di động và một số thuật toánđiều khiển cho hệ robot-camera

Những năm gần đây, tay máy kết hợp robot di động được ứng dụng và pháttriển một cách nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nó đáp ứng đượcnhững đòi hỏi về kĩ thuật ngày càng cao trong mọi lĩnh vực trên thế giới như: lắpráp, khai thác mỏ, xây dựng, vận chuyển các bộ phận trong nhà máy có địa hìnhphức tạp với rất nhiều chướng ngại vật (có thể biết trước hoặc không biết trước)

Khi nói đến vấn đề về chuyển động của tay máy kết hợp với robot di động córất nhiều nghiên cứu đã cải tiến các bộ điều khiển cho tay máy kết hợp robot diđộng một cách chính xác hơn, mục đích của việc giải quyết vấn đề chuyển động làđiều khiển cánh tay rô bốt kết hợp với robot di động từ trạng thái ban đầu đến trạngthái tiếp theo với cơ cấu chấp hành cuối cùng đươc xác định ở vị trí mong muốn

Điều khiển robot đang còn nhiều vấn đề cần giải quyết do độ phức tạp, tínhphi tuyến và độ bất định của các hệ phương trình động lực và động lực học củarobot gây nên Các nghiên cứu về lĩnh vực này đang được phát triển rất mạnh ở cácphòng thí nghiệm, các trường đại học hàng đầu trên thế giới Phát triển các phươngpháp điều khiển cho robot là một trong những vấn đề khoa học cơ bản của cácnghiên cứu về robot và cơ điện tử hiện nay Ở Việt Nam các vấn đề này đang ngàycàng được nhiều người quan tâm và nghiên cứu.

Gần đây vấn đề điều khiển cho robot có nhiều tham số bất định nhận được rấtnhiều sự chú ý của giới nghiên cứu Vì vậy nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “

Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển rô bốt công nghiệp có nhiều tham số bất định”

Nội dung nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào bốn vấn đề chính:

- Hệ robot-camera di động Trong phần này tác giả sẽ trình bày về thuật điềukhiển cho hệ robot-camera di động bám mục tiêu di động Tính đúng đắn củaphương pháp điều khiển này được chứng minh bằng nguyên lý ổn định Lyapunov

và mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink

- Nghiên cứu một số thuật toán đều khiển hệ robot-camera bám theo mục tiêu

di động có tính đến các tham số bất định của mô hình động học, dùng mạng nơ ronnhân tạo để ước lượng tham số bất định, sau đó chứng minh tính đúng đắn của thuậtđiều khiển theo nguyên lí ổn định Lyapunov và mô phỏng bằng phần mềm matlab-simulink

- Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển hệ robot-camera có chú ý đếnđộng cơ chấp hành Trong nội dung này tác giả đề xuất thuât toán điều khiển cho hệrobot-camera có các tham số bất định của mô hình động học, tham số bất định củamục tiêu, trong đó tác giả dùng mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng các tham số bấtđịnh này Phần này tác giả chú ý đến tín hiệu điều khiển là tín hiệu điện áp của động

cơ điện Sau đó tác giả chứng minh tính đúng đắn của đề xuất này theo nguyên lí ổnđịnh Lyapunov và mô phỏng qua phần mềm matlab-simulink

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera có chú ý đến độ bấtđịnh của mô hình và nhiễu ngoài đồng thời ngăn chặn tính suy biến cho bộ điềukhiển Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất phương pháp điều khiển trượt phi tuyếnTSMC (terminal sliding mode control) đồng thời dùng mạng nơ ron nhân tạo để ước

lượng các tham số bất định, sau đó đề xuất cũng được chứng minh tính đúng đắn bằng nguyên lí ổn định Lyapunov và mô phỏng trên phần mềm matlab-simunlink.

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích nghiên cứu của dề tài là: Đề xuất một số thuật điều khiển chorobot-camera di động mục tiêu di động Sau đó đi sâu nghiên cứu một số thuật điềukhiển mô men của các khớp cho hệ robot-camera bám mục tiêu di động và hệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành bám mục tiêu di động Sau cùng tác giảcũng đề xuất một số thuật toán điều khiển cho hệ cánh tay robot-camera có mô hìnhbất định, nhiễu ngoài và ngăn chăn sự suy biến của bộ điều khiển, dùng bộ điềukhiển trượt phi tuyến (TSMC) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ước lượng cáctham số bất định

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đề tài gồm các đối tượng chính sau đây:

- Hệ robot-camera gắn trên bánh xe di động

- Hệ robot-camera độc lập

4 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả thực hiện phương pháp nghiên cứu theo hướng sau:

- Nêu lên vấn đề của đối tượng nghiên cứu

- Phân tích và xây dựng mô hình đông học, mô hình động lực học, các vấn

đề về tính bất định của các đối tượng nghiên cứu (cụ thể là hệ robot-camera gắn trênbánh xe di động, hệ robot-camera cố định)

- Tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước về các đối tượng nêu trên và đưa ra phương pháp điều khiển của tác giả

- Xây dựng thuật toán điều khiển mới dựa vào các phương trình động học, động lực học, sử dụng phương trình Lagrange cho đối tượng điều khiển

- Chứng minh tính đúng đắn của thuật toán điêu khiển theo nguyên lý ổnđịnh lyapunov

- Kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán điều khiển bằng phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

*) Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Đề tài đã đóng góp một số ý nghĩa khoa học sau:

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gắn trên bánh xe di động bám mục tiêu di động.

- Xây dựng thuật toán điều khiển hệ robot-camera bám mục tiêu khi hệ có các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo

- Xây dựng thuật toán điều khển bệ robot-camera có chú ý đến động cơchấp hành bám mục tiêu khi hệ có các tham số bất định dùng mạng nơ ron nhân tạo

- Xây dựng thuật toán điều khiển dùng bộ điều khiển trượt phi tuyến kếthợp với mạng nơ ron nhân tạo cho hệ robot-camera khi với mô hình bất định vànhiễu ngoài, và ngăn chặn sự suy biến cho hệ

*) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Các phương pháp điều khiển trong luận án này có thể triển khai nhằm nângcao độ chính xác trong thực tế của robot công nghiệp khi môi trường làm việc cónhiễu không biết trước, có nhiều tham số bất định của mô hình động học và của mụctiêu di động

6 Kết quả và tính mới của luận án

*) Luận án đưa ra được bốn nội dung có tính mới như sau:

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gắn trên bệ di động bám theo mục tiêu di động

- Xây dựng thuật toán điều khiển hệ robot-camera khi tính đến các tham sốbất định dùng mạng nơ ron nhân tạo với tín hiệu điều khiển cho các khớp là tín hiệumomen

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera gồm nhiều tham số bấtđịnh của mô hình động học và mục tiêu di động có chú ý đến cơ cấu chấp hànhdùng mạng nơ ron nhân tạo

- Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera khi có sự bất địnhcủa mô hình và nhiễu ngoài dùng phương pháp điều khiển trượt thích nghi và mạng

nơ ron nhân tạo, đồng thời ngăn chặn sự suy biến của bộ điều khiển

*) Về công trình nghiên cứu khoa học đã công bố:

- Hội nghị khoa học trong nước: Tác giả có 4 công trình công bố ở hội nghị

tự động hóa và hội nghị cơ điện tử toàn quốc

- Bài báo đăng trên tạp chí trong nước và quốc tế: Trong luận án này tác giả

có 3 bài báo được công bố trong đó: 2 bài báo viết bằng tiếng Anh đăng ở tạp chí

chuyên ngành trong nước (02 bài đăng ở tạp chí Tin học điều khiển) và 01 bài báođăng ở tạp chí Thổ Nhĩ Kì thuộc danh mục SCIE ; IF=0,58.

(Chi tiết mời xem phần các công trình khoa học đã được công bố)

7 Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 5 chương với nội dung như sau:

Chương 1 Tác giả trình bày tổng quan về điều khiển robot công nghiệp và

nêu các vấn đề cần giải quyết của đề tài

Chương 2 Tác giả trình bày về mô hình động học, động lực học, phương

pháp điều khiển, chứng minh độ ổn định và mô phỏng cho hệ robot-camera di độngbám theo mục tiêu không xác định Trong chương này tác giả đề xuất phương phápđiều khiển vận tốc các góc quay của robot để camera bám theo mục tiêu di động.Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố tại tạp chí tin học và điềukhiển học như sau:

Nguyen Tien Kiem, Hoang Thi Thuong, Nguyen Van Tinh, “Modeling the

differential motion of a mobile manipulator and designing a new visual servoing for tracking a flying target”, Tạp chí tin học và điều khiển học,V.33, N.4 (2017), tr

339-355

Chương 3 Tác giả trình bày về phương pháp xây dựng mô hình động học, mô

hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng chothuật điều khiển cho hệ robot gắn camera cố định có nhiều tham số bất định, dùngmạng nơ ron nhân tạo Phần này tác giả đề xuất phương pháp điều khiển vận tốc cáckhớp robot để hệ robot - camera bám theo mục tiêu di động

Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố và trao đổi tại hội nghị khoahọc sau:

Nguyễn Tiến Kiệm,

mục tiêu di động với

lần thứ 6 VCM2012,

Phạm Thượng Cát , „Điều khiển tốc độ bệ pan-tilt-camera bám nhiều tham số bất định‟ , Kỷ yếu hội nghị cơ điện tử toàn quốc Hà Nội ngày 14-15/12/2012, tr.787-794.

Chương 4 Tác giả trình bày về phương pháp xây dựng mô hình động học,

mô hình động lực học, thuật điều khiển, chứng minh tính ổn định và mô phỏng cácphương pháp điều khiển cho hệ robot-camera có chú ý đến động cơ chấp hành.Trong chương này tác giả đưa ra phương pháp điều khiển cho cánh tay robot-camera, có chú ý đến cơ cấu chấp hành bám theo mục tiêu di động với nhiều tham

số bất định của mô hình động học, của mục tiêu di động và của động cơ cấu chấphành dùng mạng nơ ron nhân tạo

Kết quả nghiên cứu của chương này được giả công bố tại tạp chí tin học và điềukhiển học như sau:

Nguyen Tien Kiem, Pham Thuong Cat,

actuator’s dynamic to tract moving object”,

N.3(2015), tr 255-265

“conrol of robot-camera system with

Tạp chí tin học và điều khiển học,V.31,

Chương 5 Tác giả trình bày về phương pháp điều khiển trượt thích nghi kết

hợp với mạng nơ ron để điều khiển hệ robot-camera với mô hình bất định và nhiễungoài Trong chương này tác giả dùng bộ điều khiển trượt thích nghi phi tuyếnTSMC (terminal sliding mode control) kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo để ướclượng các tham số bất định của mô hình động lực học và nhiễu ngoài, đồng thời đềxuất biện pháp ngăn chặn sự suy biến

Kết quả nghiên cứu của chương này được chấp nhận đăng bài tại tạp chí “Turkish journal of electrical engineering & computer sciences” thuộc danh mục SCIE,

IF:0.58 chi tiết như sau:

Kiem NGUYEN, Tinh NGUYEN, Quyen BUI, Minhtuan PHAM, “Adaptive

anti-singularity terminal sliding mode control for a robotic arm with model uncertainties and external disturbances”, Turkish journal of electrical engineering

& computer sciences, E-ISSN: 1303-6203, ISSN: 1300-0632, DOI: 1711-137, Year:2018 Volume: 26 Number:6, page 3224-3238, tạp chí thuộc danhmục SCIE, IF: 0.58

10.3906/elk-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Robot được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như robot rùa đơngiản dùng để giảng dạy trong các trường học phổ thông, robot hàn trong các nhàmáy sản xuất ô tô, cánh tay robot điều khiển từ xa trên tàu vũ trụ con thoi Mỗi mộtứng dụng lại có những vấn đề riêng của nó, bởi vậy nên thực tế đã xuất hiện lĩnhvực nghiên cứu về robot Có rất nhiều ngành công nghiệp mới đã xuất hiện và cónhiều kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này và còn nhiều lĩnh vực cần nghiên cứutrong tương lai, cùng với nhiều quan điểm mới được phát triển và nghiên cứu trongcác phòng thí nghiệm Trong khi có nhiều người nghĩ rằng robot chỉ mang tính khác

lạ hơn là ứng dụng thực tiễn, nhưng thực tế robot đã được ứng dụng vào rất nhiềucác nhà máy sản xuất và nó đã nhận được sự quan tâm cũng như đã tham gia vàocác quá trình sản xuất

Ngành công nghiệp ô tô đã đóng vai trò to lớn cho việc phát triển của robotcông nghiệp Dây chuyền sản xuất truyền thống được thiết kế cho chỉ một model xe,

và phải thiết kế lại và xây dựng lại trước khi model mới được sản xuất Ngoài radùng máy hàn bằng tay phải chú trọng đến sự thay đổi vì đầu hàn thường nặng vàkhó giữ ổn định Nó thường được trang bị cho 1 khung xe trên 1 dây chuyền hàn vớinhiều sản phẩm cùng loại, không thể đáp ứng cho nhu cầu sản xuất model mới,trong khi dây chuyền thứ 2 lại phải giảm hoạt động bởi vì nhu cầu thấp của modelkhác Do đó trong khi dây chuyền giảm hoạt động chạy cầm chừng trong khi công

ty vẫn không sản xuất đủ xe để đáp ứng nhu cầu cho dây chuyền còn lại

Công nghệ robot đưa vào các nhà máy sản xuất giải quyết được những vấn

đề nêu trên Dây chuyền robot hàn có thể thay đổi từ mẫu xe này sang mẫu xe khácmột cách đơn giản bằng cách lập trình lại đặc tính mối hàn cho robot Vì vậy, nó cóthể dùng cho nhiều mẫu xe trên 1 dây chuyền hàn, và có thể tùy chỉnh các mẫu theonhu cầu riêng biệt Mặt khác chất lượng mối hàn cũng ổn định hơn, bởi vì robotkhông bị tác động bởi vấn đề tâm lí như con người như: sự mệt mỏi, cảm giác khóchịu như con người khi sử dụng máy hàn bằng tay Bởi vậy dây chuyền mới sẽ đồng

bộ hơn , sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, hiệu quả đầu tư tốt hơn

và có khả năng điều chỉnh quá trình sản xuất

Công nghệ robot có thể đóng góp vào việc tạo công ăn việc làm trong cácnhà máy nhỏ, bởi nó làm tăng tính đồng bộ, nó có thể đáp ứng cho việc sản xuất vớikhối lượng công việc nhỏ và xu hướng sản xuất theo từng mẻ sản phẩm Tính đồng

bộ này cho phép công ty sản xuất nhiều loại sản phẩm với số lượng máy móc ít hơn,một máy đồng bộ thay thế cho nhiều máy đơn lẻ, kết quả là giảm được vốn đầu tư

và giảm được thời gian máy móc thiết bị không hoạt động Vì vậy nói một cáchchính xác, công nghê robot có tiềm năng cho các hộ sản xuất kinh doanh nhỏ cạnhtranh với các tập đoàn lớn, kết quả là nó làm tăng công ăn việc làm và nền côngnghiệp phi tập trung Lấy một ví dụ cho vấn đề này đó là trong công nghiệp in ấn,thay vì có một ít nhà máy in ấn với qui mô rộng lớn có tính tự động hóa cao cungcấp cho rất nhiều của hàng ở những thành phố xa trung tâm bằng phát triển một máy

in với chi phí thấp Các cửa hàng này có thể cung cấp sản phẩm trong thời giannhanh hơn so với các nhà máy lớn Kết quả là nó tạo công ăn việc làm và đóng gópcho sự thịnh vượng của địa phương

Ban đầu có rất nhiều công ty tiếp cận công nghệ robot bằng cách mua robot

để xem họ có thể làm gì với chúng Cách tiếp cận này đang được thay thế nhiều hơncách tiếp cận kỹ thuật truyền thống hiện nay giới chủ và công đoàn quen thuộc hơnvới công nghệ Kết quả là rất nhiều robot trong nhà máy sản xuất đang đưa ra giảipháp tổng thể cho các vấn đề của quá trình sản xuất,và hệ thống nhà xưởng được mở

ra để đáp ứng những ứng dụng mới dùng robot Bước đầu là phải hoàn thiện giảipháp tổng thể để xác định ứng dụng một cách rõ ràng, sau đó chỉ ra mục đích cầnđạt được Tiếp theo là số lượng giải pháp, liên quan đến cả công nghệ robot và phầncứng tự động hóa cần được nghiên cứu Nếu quyết định sử dụng robot, hãy chuẩn bị

để thiết kế lại một cách hoàn hảo qui trình sản xuất [1]

1.2 Một số ứng dụng của robot

1.2.1 Trong công nghiệp

Robot được sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng công nghiệp Cácứng dụng sớm nhất có thể kể đến là xử lý vật liệu, hàn điểm và phun sơn Robot banđầu được áp dụng cho các công việc nóng bức, nặng nhọc và nguy hiểm như đúckhuôn, rèn và hàn điểm

Robot được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác, ví dụ: Cắt, mài nhẵn, sửachữa bảo dưỡng máy công cụ, đúc trong ngành công nghiệp nhựa, áp dụng chất bịtkín cho kính chắn gió xe hơi, chọn các vật phẩm rời khỏi băng tải và đóng góichúng vào giá nâng, …vv.

Các ứng dụng này, và các vấn đề liên quan, được báo cáo trong nhiều hộinghị chuyên ngành Các ứng dụng mới sáng tạo bao gồm hàn bằng chùm tia laser(Kehoe 1984) và cắt bằng tia nước áp lực cao [1]

1.2.2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm

Robot đang cho thấy ứng dụng ngày càng tăng trong các phòng thí nghiệm.Chúng thực hiện tốt các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, chẳng hạn như đặt các ống nghiệmvào các dụng cụ đo đạc, làm giảm kỹ thuật viên phòng thí nghiệm của nhiều côngviệc tẻ nhạt Ở giai đoạn này, rô bốt được sử dụng để thực hiện tự động các côngviệc thủ công [1]

1.2.3 Ứng dụng trong công nghệ hạt nhân

Công nghệ Robotics tìm thấy ứng dụng đầu tiên của nó trong ngành côngnghiệp hạt nhân với sự phát triển của các nhà điều hành điện tử để xử lý vật liệuphóng xạ (Martin and Hamet, 1984) Gần đây, robot đã được sử dụng để hàn từ xa

và kiểm tra đường ống trong các khu vực bức xạ cao [1]

1.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp

Đối với nhiều người, ý tưởng về việc trồng cây bắp hay thu hoạch tự động làkhoa học viễn tưởng, nhưng những nghiên cứu nghiêm túc đang được tiến hành trongviệc ứng dụng robot vào nông nghiệp Một trong những dự án thành công nhất từ trướctới nay là sự phát triển của một robot cắt lông cừu ở Úc Quỹ đạo của kéo cắt trên cơthể của cừu được lập trình sử dụng một mô hình hình học của một con cừu [1]

1.2.5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian

Khám phá không gian đặt ra những vấn đề đặc biệt cho robot Môi trườngngoài không gian là thù địch với con người Con người chỉ có thể làm việc trongthời gian ngắn ngoài không gian với những người yêu cầu quần áo bảo hộ đắt tiền

và môi trường sinh học giống như Trái Đất Vì vậy, nhiều phi hành gia đã cho rằngrobot, chứ không phải con người, nên được gửi vào vũ trụ [1]

1.2.6 Ứng dụng trong các thiết bị lặn

Hai sự kiện trong mùa hè (ở bán cầu bắc) năm 1985 đã nâng cao nhận thứccủa công chúng về các ứng dụng dưới biển của robotic Vụ tai nạn của một chiếcmáy bay Air Jumbo của Air India rơi xuống Đại Tây Dương ngoài khơi Ireland.Một robot lặn có hướng dẫn từ xa, thường được sử dụng để đặt cáp, được sử dụng

để tìm và phục hồi các hộp đen của máy bay [1]

1.2.7 Ứng dụng trong giáo dục

Robot xuất hiện trong lớp học theo ba hình thức riêng biệt Đầu tiên, cácchương trình giáo dục sử dụng mô phỏng điều khiển robot như một phương tiện dạyhọc Ngôn ngữ lập trình Karel the Robot, một tập hợp con của Pascal, được sử dụngnhư một ngôn ngữ lập trình giới thiệu (Pattis 1981) Thứ hai, và hiện tại phổ biếnnhất, việc sử dụng robot trong giáo dục là việc sử dụng robot rùa Tasman kết hợpvới ngôn ngữ LOGO để dạy tính đáng tin cậy của máy tính Hình thức sử dụng thứ

ba là robot trong lớp học Một loạt các cánh tay thao tác chi phí thấp, robot di động

và các hệ thống hoàn chỉnh đã được phát triển để sử dụng trong phòng thí nghiệmgiáo dục về robot [1]

1.2.8 Ứng dụng trong hỗ trợ người khuyết tật

Robot có tiềm năng hỗ trợ người tàn tật rất lớn từ xe lăn tự động, vận chuyểnngười tàn tật trong bệnh viện, đáp ứng với các lệnh bằng giọng nói, đến robot chămsóc, cho ăn đối với người tàn tật nghiêm trọng Mục tiêu quan trọng của nghiên cứutrong lĩnh vực này là sử dụng máy móc khôi phục lại một số công việc tự chủ màngười dùng bị mất khi họ không thể sử dụng các chức năng cơ thể của mình

Nghiên cứu phát triển robot để sử dụng cho những người khuyết tật cũngthúc đẩy công nghệ phát triển Công nghệ cảm biến đang gia tăng giới hạn các khảnăng để bảo vệ người dùng và thực hiện các tác vụ mong muốn trong môi trườngkhông có cấu trúc [1]

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Xu hướng phát triển robot hiện nay là đi sâu vào nghiên cứu các phươngpháp điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác các bộ điều khiển của robot cũng như

hệ robot-camera Điều này được thể hiện qua các nghiên cứu trong nước và ngoàinước như sau:

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hệ robot-camera gắn trên bệ di động đã được một số viện nghiên cứu, một sốtrường đại học và đặc biệt là các trường, viện nghiên cứu trong lĩnh vực kĩ thuậtquân sự thuộc bộ quốc phòng quan tâm, nghiên cứu:

Các viện nghiên cứu, chế tạo thuộc bộ quốc phòng đã nghiên cứu,chế tạo bệ camera để triển khai ứng dụng và triển khai trên thực địa trong lĩnh vực quân sự

robot-Robot-camera cũng được quan tâm, nghiên cứu trong các trường đại học như:đại học Bách Khoa Hà Nội, đại học Công Nghệ - đại học Quốc Gia Hà Nội, đại họcBách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đại học Bách Khoa Đà Nẵng Các trường đạihọc trên có một số luận văn thạc sỹ và luận án tiến sĩ nghiên cứu về lĩnh vực này

Trong các viện nghiên cứu thì lĩnh vực này cũng có một số bài báo, báo cáokhoa học tại các hội nghị trong nước và quốc tế, đặc biệt là các kết quả nghiên cứukhoa học tại Viện Công Nghệ Thông Tin-Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ ViệtNam và đại học Bách Khoa Hà nội được công bố trong các tài liệu [31], [46] Trongtài liệu [46] các tác giả chủ yếu đề cập đến các tham số bất định của mô hình độnglực học robot Trong luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Mạnh Tiến - Đại học BáchKhoa Hà Nội tác giả đi sâu vào phần chế tạo phần cứng cho hệ Pan-Tilt-Camera diđộng, thuật điều khiển chính trong nghiên cứu này là điều khiển thích nghi theo môhình mẫu

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Khi nói tới vấn đề điều khiển chuyển động tay máy di động, các nhà nghiêncứu đã phát triển nhiều thuật toán điều khiển khác nhau Mục tiêu chung cần giảiquyết của bài toán điều khiển này là điều khiển tay máy di động từ vị trí ban đầusang vị trí khác sao cho vị trí cuối cùng đáp ứng được vị trí mong muốn Cụ thể, cácphương pháp trong [3], [4], [5] đã đề xuất một số phương pháp đáng chú ý để giảiquyết các vấn đề này Ngoài ra, công việc trong [6] đã trình bày một phương phápđiều khiển bám thích nghi cho một tay máy hàn di động với một mô hình động học

có một số tham số chiều không xác định Dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov,

tác giả trong [7] đã giải quyết vấn đề điều khiển vị trí với những thông số bất địnhđộng học và những chướng ngại vật không xác định Hơn nữa, bộ điều khiển bùmomen xoắn đã được đề xuất trong [8] để điều khiển chuyển động của cánh tay diđộng.

Gần đây, nhiều công trình với mục đích tích hợp luật servo thị giác vàorobot di động đã được đề xuất để thực hiện nhiệm vụ cầm nắm [9-10] và để giảiquyết bài toán điều khiển bám mục tiêu dựa trên thị giác [11], [12], dẫn đến các hệthống thao tác tự trị dựa trên thị giác Hơn nữa, các chuyên gia đã đề xuất một thuậttoán hoạch định đường đi để thêm phản ứng cho bài toán servo thị giác Giai đoạnhoạch định đường đi sẽ xem xét các ràng buộc quan trọng khác nhau hoặc sự khôngchắc chắn của hệ thống nhằm đạt được một hệ thống điều khiển servo thị giác mạnh

mẽ hơn

Liên quan đến thị giác, bất cứ một tay máy với khớp nối linh hoạt trong khônggian không có cấu trúc đều cần có các thông tin cảm giác từ tín hiệu phản hồi nhưthông tin thị giác trong hệ thống điều khiển vòng kín [13] Thị giác là một cảm biếnhữu ích cho cánh tay khớp nối Thị giác sao chép cấu tạo của con mắt sinh học để cóthể có được thông tin trong trường hợp không có bất kỳ tiếp xúc nào với đối tượng

Đối với điều khiển cánh tay robot, servo thị giác là tên gọi của một nhóm cácphương pháp điều khiển bao gồm sự kết hợp giữa động học robot, động lực học vàthị giác máy để thúc đẩy hiệu quả chuyển động của cánh tay máy Những phương

pháp này được phân loại thành hai nhóm [14], cụ thể là: position-based visual servoing (PBVS) servo thị giác dựa trên vị trí, và image-based visual servoing

(IBVS) servo thị giác dựa trên hình ảnh

Các đặc trưng hình ảnh trong PBVS được xử lý để ước lượng vị trí tương đốicủa tọa độ ba chiều (3D) giữa camera và mục tiêu, theo sau là một thuật toán đểđiều khiển chuyển động của cánh tay robot với camera mà vị trí 3D được sử dụngnhư một sai số của tín hiệu [15] Nói cách khác, dựa trên dữ liệu hình ảnh, các kếtqủa đã thiết kế và thể hiện trong không gian Đề Các 3 chiều Mục tiêu điều khiển ởđây là để lái xe camera (hoặc cánh tay) từ một vị trí tùy ý ban đầu đến một vị trítương đối mong muốn

Trong IBVS sai số được tính toán trực tiếp dưới dạng các đặc trưng hình ảnh

có chuyển động vi phân trong mặt phẳng ảnh liên quan đến chuyển động vi phâncủa cánh tay di động qua ma trận Jacobi [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18].Cần lưu ý rằng trái ngược với PBVS, IBVS có một số ưu điểm như sau: 1) Tọa độ3D của mục tiêu là không cần thiết; 2) IBVS có độ bền vững hơn PBVS về hiệu suấtđối với nhiễu, ví dụ với lỗi hiệu chuẩn; 3) IBVS thuận tiện hơn và dễ dàng hơnPBVS để bám một mục tiêu di động sao cho mục tiêu này luôn ở trong tầm nhìn củacamera

Mặt khác trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu và báo cáo khoa học vềphương pháp điều khiển bám mục tiêu di động sử dụng bệ Pan-Tilt và camera Cácbài báo tiêu biểu đã nghiên cứu về lĩnh vực này như :Điều khiển cánh tay robot bámmục tiêu theo phương pháp bù sử dụng mạng nơ ron đăng trên tạp chí của việnFranklin Nội dung chủ yếu của bài nghiên cứu là thiết kế bộ điều khiển dùng mạng

nơ ron để bù các thành phần bất định [47] Phương pháp điều khiển bám mục tiêutrong không gian 3 chiều bằng robot và camera sử dụng phương pháp bám điểm ảnhliên tục và bộ lọc điểm ảnh được báo cáo tại hội nghị SICE năm 2011, đại họcWaseda, Tokyo, Japan Bài nghiên cứu này sử dụng phương pháp bám theo mụctiêu trong không gian 3 chiều để nhận dạng vị trí và hướng của vật thể chuyển độngliên tục [48] Điều khiển bám mục tiêu bằng cách bám theo tín hiệu nhận được quavideo thu được từ vật thể bay được báo cáo tại hội nghị AIM2011, Budapest,Hungary, năm 2011 Nghiên cứu này sử dụng tín hiệu nhận được qua video để bámtheo mục tiêu [49] Nghiên cứu về công nghệ điều khiển robot dựa trên việc quansát đối tượng trong không gian được báo cáo tại hội nghị quang điện tử và điện tửquốc tế năm 2011 (ICEOE2011) Bài nghiên cứu này sử dụng cánh tay rô bốt 6 bậc

tự do điều khiển từ xa kết hợp với phương pháp điều khiển linh hoạt để bám theomục tiêu trong không gian 3 chiều [50] Cách tiếp cận mới về việc điều khiển bámmục tiêu di động bằng cánh tay robot và camera sử dụng bộ quan sát phi tuyến đượcđăng tại tạp chí IEEE/ASME transaction on mechatronics, Vol 2.16, No2, April,

2011 Bài nghiên cứu này giới thiệu phương pháp điều khiển mới để tìm kiếm vậtthể chuyển động trong không gian 3 chiều [51].Điều khiển ổn định bám mục tiêu diđộng kết hợp mạng nơ ron cho cánh tay robot được đăng tại tạp chí IEEE

transaction neural networks, Vol.17, No4, July, 2006 Bài nghiên cứu sử dụng mạng

nơ ron nhận dạng thông số của rô bốt để điều khiển bám theo đối tượng [52]

Rõ ràng cánh tay robot đã được áp dụng rộng rãi do vai trò quan trọng của chúngtrong các quá trình tự động hóa với tốc độ và độ chính xác cao Tuy nhiên, chúngthường bị tác động bởi các nhiễu ngoài, sự bất định của mô hình như sự biến độngcủa tải trọng, tham số v.v và do đó, trong thực tế không thể diễn giải chính xác môhình động lực học của cánh tay robot Do đó, nhiều phương pháp điều khiển đãđược đề xuất để giải quyết những vấn đề này

Phương pháp điều khiển trượt tuyến tính (Sliding mode control-SMC) [53],

[54], [55], [56] là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết nhữngvấn đề trên và do đó được áp dụng rộng rãi Nguyên tắc chính của phương pháp điềukhiển trượt tuyến tính SMC là các mặt trượt thích hợp đã được thiết lập trước Tiếptheo là quy trình thiết kế các luật điều khiển bền vững cho phép các biến trượt đạtđược các mặt trượt này Đặc biệt, các nỗ lực điều khiển rời rạc đã được sử dụng đểđảm bảo rằng các biến trượt luôn bị buộc vào và giữ trên mặt trượt Vì lý do này, sựhội tụ tiệm cận của các sai lệch bám về không dọc theo các mặt trượt được đảm bảo[55] Tuy nhiên, sự hội tụ tiệm cận về không chỉ ngụ ý rằng các sai lệch bám hội tụtới trạng thái cân bằng khi thời gian dần ra vô cùng Vì vậy, để tăng cường tốc độhội tụ, hệ số thiết kế của phương pháp SMC tuyến tính cần phải tăng cường lớn hơn

Do đó, nó có thể gây ra độ bão hòa có hại của các đầu vào điều khiển Đây là mộttrong những hạn chế của phương pháp SMC tuyến tính

Mặt khác, với các nhiệm vụ robot đòi hỏi độ chính xác cao, sự hội tụ tiệmcận là chưa đủ Do đó, trong trường hợp này, một sự hội tụ thời gian hữu hạn là cầnthiết thay vì sự hội tụ tiệm cận của các sai lệch bám Các kỹ thuật điều khiển trượtphi tuyến (TSMC) đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này [57], [58], [59], [60],[61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68]

Nhờ thiết lập một thành phần phi tuyến trong mặt trượt phi tuyến (TSMC)thay vì thành phần tuyến tính trong phương pháp SMC tuyến tính truyền thống, cácphương pháp TSMC đã làm cho các sai lệch bám cũng như hệ số thiết kế giảm đáng

kể so với phương pháp SMC tuyến tính truyền thống [57], [58] Tuy nhiên, nhượcđiểm của cả hai phương pháp trong [57], [58] là vấn đề suy biến chưa được xem xét

đầy đủ, đặc biệt là trường hợp biến sai lệch bám bằng không (i.e., e i  0 với i =

1, ,n) trong khi biến trượt đầu cuối tương ứng khác không (i.e., s i  0 ) Rõ ràng làvấn đề suy biến là một vấn đề nhạy cảm bởi vì nó làm cho đầu vào điều khiểnkhông bị chặn Các nghiên cứu trong [59], [60] đã xác định một mặt trượt khôngsuy biến để tránh vấn đề suy biến, nhưng thời gian cần thiết để đạt được mặt trượtnày phụ thuộc nhiều vào động lực của nhiễu trong cũng như nhiễu ngoài Thêm vào

đó, các tác giả trong [61] đã đề xuất một phương pháp gián tiếp với mục đích tránhvấn đề suy biến Cụ thể hơn, trong phương pháp này, vấn đề suy biến đã được ngănchặn bằng cách chuyển đổi giữa mặt trượt tuyến tính và phi tuyến, nhưng kết quả làvẫn còn vấn đề hiệu suất bám không được cải thiện rõ ràng do việc chuyển đổi thô.Các kết quả trong [62] giải quyết vấn đề suy biến bằng việc sửa đổi mặt trượt saocho việc chuyển đổi giữa các mặt trượt trơn tru, mượt mà hơn Vấn đề suy biến đãđược loại bỏ bằng cách chuyển đổi giữa hai mặt trượt (TSMC và SMC) thông quacác hàm bậc hai Tuy nhiên, một vấn đề rất khó trong [62] là làm sao chọn được hệ

số K 1i và K 2i thỏa mãn ie i và đạo hàm của nó đều liên tục và bị chặn

Đối với RBFNN, có một thực tế không thể phủ nhận rằng nó là một trongnhững công cụ mạnh để ước lượng bất kỳ hàm phi tuyến trơn nào, với độ chính xáctùy ý, bởi khả năng học trực tuyến các trọng số Hơn nữa, vì mạng nơ ron này cóluật cập nhật đơn giản, tốc độ hội tụ nhanh và có cấu trúc đơn giản nên khi sử dụng

nó việc thiết kế các luật điều khiển cũng như phân tích tính ổn định cho hệ thốngđiều khiển vòng kín dễ dàng hơn đối với những mạng nhiều lớp khác Vì vậy nó đãđược sử dụng nhiều, chẳng hạn trong [58],[62]

1.4 Mô hình robot với nhiều tham số bất định

Trong thực tế mô hình của robot luôn mang tính bất định cao, ví dụ như khidịch chuyển, cánh tay robot có thể cầm nắm các vật có tải trọng khác nhau, ngoài racòn phải tính đến lực ma sát độ dơ của các liên kết, độ bão hoà và các thành phầnphi tuyến khác Khi đó, ta có thể biểu diễn phương trình động lực học của robot nhưsau:[70]

h(q,q) R n*n : Ma trận tổng hợp lực Coriolis và lực hướng tâm,

d(q,q) : Vector n*1 biểu diễn thành phần lực ma sát và nhiễu loạn.

g(q): Vector n*1 biểu diễn lực và momen được sinh ra do gia tốc

Để xây dựng mô hình điều khiển thì các tính chất quan trọng sau đây của hệ động lực robot được sử dụng [80]:

 Ma trận quán tính H(q) là ma trận đối xứng, khả đảo và xác định dương,

đồng thời tồn tại m1 và m2 sao cho m1I  H(q)  m2I

 Ma trận biểu diễn lực hướng tâm và lực Coriolis h(q,q) bị chặn bởi

Với: f(q,q)  H(q)q  ΔH(q), Δh(q,q), Δg(q) h(q,q)q  ΔH(q), Δh(q,q), Δg(q) g(q) 

d(q,q)

là các giá trị hữu

(1.5)(1.6)

f(q,q)

d(q,q)

f(q,q) R n*1

yếu tố bất định có thể được chia thành hai phần [83]:

2 bị chặn do đó các thành phần bất định của robot cũng bị chặn nên  f0 với f0

hữu hạn [89] Đối với các đối tượng điều khiển có tính chất

phi tuyến nói chung, xuất phát từ phương trình vi phân của hệ phi tuyến, để đảmbảo sử dụng ANN bù trừ các thành phần bất định trong phương trình mà không phá

vỡ các tính chất của bộ điều khiển như tính điều khiển được và quan sát được Dựa

theo phương pháp tối ưu toàn phương hệ tuyến tính [78], cần phải đưa ra giới hạn

của các ma trận đầu vào, ma trận điều khiển, ma trận đầu ra và nhiễu trên cơ sở tìmnghiệm của phương trình Riccati như các nghiên cứu của Bach H Dinh, H Al-Duwaish, Jakub Możaryn, J Danien Cobb, Nasser Sadati, T C Kuo, Wen Yu,ZHANG Niaona [77], [81], [82], [83], [89]

Robot công nghiệp có hệ động lực là hệ phi tuyến có nhiều tham số bất định,nhưng các tham số này đều nằm trong các giới hạn vật lý cho phép, không gian giacông thực tế của robot cũng được xác định cụ thể và thiết kế trong vùng không cóđiểm kỳ dị đảm bảo điều khiển được nên các ràng buộc về mặt toán học được thể

η 1 = f(q,q)

nghiên cứu về robot cũng đã sử dụng căn cứ này [76], [79] Với những tính chất củarobot công nghiệp vừa trình bày ở trên, ta thấy rằng tất cả các thành phần trongphương trình động lực học của robot đều thỏa mãn điều kiện giới hạn, theo định lý

Stone – Weierstrass [76], [79], [85] ta có thể sử dụng ANN để xấp xỉ thành phần bất

định các tham số của robot trong phương trình (1.8) mà không cần phải thực hiệncác bước như đã trình bày ở trên Khi đó, ANN là mạng RBF để xấp xỉ thành phầnbất định các tham số của robot có cấu trúc như sau:

Trong đó:

Wζ : Ma trận trọng số của mạng nơron được cập nhật on-line,

ζ : Là hàm tác động tại lớp ẩn của hàm bán kính cơ sở:

c j ,  j là kỳvọng và phương sai của hàm phân bố Gauss được chọn qua thực

nghiệm Khi đó bộ điều khiển robot biểu diễn bởi phương trình (1.5) với thành phần

f (q,q) được xấp xỉ bởi RBFN hoàn toàn có thể bảo đảm tính chất hội tụ, ổn định toàn

cục của hệ thống điều khiển

Phương trình (1.5) chia momen tác động lên robot làm hai thành phần Thànhphần η0 được biểu diễn như (1.7) được tạo ra dựa trên tính toán theo các giá

trị chính xác của mô hình robot, thành phần được biểu diễn như (1.8) làmột mạng RBFN có tác dụng bù trừ các thành phần bất định của robot và tác độngcủa nhiễu lên hệ điều khiển Vấn đề lựa chọn momen điều khiển η và thuật học choRBFN trong các bộ điều khiển để bù trừ nhiễu và các thành phần bất định trong

tham số của robot như thế nào

lần lượt trình bày ở các chương

để vẫn đảm bảo hệ thống là ổn định, hội tụ sẽ được hai và ba của luận án

1.5 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

Sau khi tìm hiểu, phân tích tình hình nghiên cứu trong nước NCS thấy nhưsau: Trong tài liệu [31] tác giả giới thiệu về phạm vi ứng dụng, ý nghĩa của hệthốngđiều khiển Robot sử dụng thị giác Tổng quan về hệ điều khiển Servoing Lý thuyết

xử lý ảnh, phương pháp xử lý ảnh nhanh Mô hình hệ robot-camera, gồm phươngpháp xây dựng mô hình động học, mô hình phương pháp điều khiển phi tuyến chorobot Phương pháp xây dựng thuật điều khiển Visual Servoing Trong tài liệu [46]tác giả chỉ đưa ra mô hình đông học của robot với các tham số bất định và có đề cậpđến phương trình động lực học có chứa các tham số bất định nhưng chưa đề cập đếncác thuật điều khiển để giải quyết bài toán cho các tham số bất định Trong luận ántiến sĩ của tác giả Ngô Mạnh Tiến thì tác giả đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế các cảmbiến, các cơ cấu chấp hành cho hệ robot-camera di động, mô hình hóa hệ robot-camera tự hành và có đề xuất bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu để bámtheo quỹ đạo có tính đến sự bất định của khối lượng và mô men quán tính và nhiễu

Các công trình ngoài nước thì chủ yếu tập trung nghiên cứu về tính toán, ướclượng, dự báo quỹ đạo của mục tiêu, một số công trình cũng đề cập đến tham số bấtđịnh của mô hình động học robot và cũng có công trình sử dụng mạng nơ ron để bùthành phần bất định nhưng lại chưa đề cập hoặc không tính toán đến đặc trưng ảnhcủa camera

Qua việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, nghiên cứu sinh(NCS) thấy còn một số phương pháp điều khiển mà các công trình nghiên cứu chưa

đề cập đến hoặc NCS thấy rằng các đề xuất của mình có ưu điểm hơn Vì vậy NCS

đề xuất các nội dung chính của luận án như sau:

- Nội dung thứ nhất: NCS trình bày về thuật toán điều khiển hệ robot-camera

di động bám mục tiêu di động dùng hai vòng điều khiển phản hồi: điều khiển độnghọc và điều khiển động lực học để điều khiển hệ robot-camera di động bám mụctiêu di động Trong nội dung này đóng góp của NCS chính là mô hình hóa chuyểnđộng vi phân của robot cũng như mục tiêu di động thể hiện qua ma trận

Jacobi của robot và ma trận Jacobi của đặc trưng ảnh và đưa ra luật điều khiển độnghọc và luật điều khiển động lực học để camera bám theo mục tiêu di động [2].





(1.12)

Với   v -vd là sai lệch vận tốc các khớp robot.

+ Sau khi có các luật điều khiển tác giả đưa ra sơ đồ điều khiển như sau:

Chuyển động Chuyển động visual servoing bám mục tiêu không xác không xác

định của định của mục

v

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển hệ robot-camera di động bám mục tiêu di động

+ Đề xuất được chứng minh tính ổn định theo nguyên lí ổn định Lyapunov

và kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng matlab-simulink

- Nội dung thứ hai: NCS trình bày về thuật toán điều khiển bệ robot-camera cốđịnh có chú ý đến các tham số bất định, việc ước lượng các tham số bất địnhcủa hệ thống và của cơ cấu chấp hành dùng mạng nơ ron nhân tạo với tínhiệu điều khiển đưa ra bộ điều khiển là tín hiệu momen Trong phần nàyNCS đã trình bày những nội dung chính như sau:

+ Đưa ra được mối quan hệ giữa vận tốc đặt của các khớp robot và đặc trưngảnh với vận tốc của camera và các ma trận Jacobi thông qua biểu thức sau:

Với : qd là vận tốc đặt mong muốn của các khớp robot;  là hệ số suy giảm;

Jclà ma trận Jacobi ảnh;Jlà ma trận Jacobi của robot; ξ là đặc trưng ảnh

ˆ

tức thời; ξ là đặc trưng ảnh tại thời điểm tiếp theo (có thể ước lượng).

+ Chọn momen điều khiển các khớp như sau:

trong đó K là ma trận xác định dương và ký hiệu  q-qd thì hệ kín q 

u có dạng:  K0

Như vậy hệ sai số ε sẽ triệt tiêu về 0 theo hàm số mũ tức là tốc độ các khớp

q sẽ bám theo tốc độ q d mong muốn Điều này sẽ bảo đảm camera bám mục tiêuvới sai lệch đặc trưng ảnh ef0. Sơ đồ điều khiển của hệ visual servoing như

Hình 1.2.

Mục tiêu

di động Robot

+ Thuật điều khiển cho hệ robot-camera khi có nhiều tham số bất định:

Ta chọn momen η điều khiển các khớp robot như sau:

trong đó ε  q qd ; K là một ma trận đối xứng xác định dương, η 1 là tín

hiệu điều khiển bù các thành phần bất định sẽ được xác định sau Thay thế và biếnđổi các phương trình trên ta có hệ động lực sai số tốc độ bám

ta có ε + Kε = η '- f ' ta sẽ xây dựng mạng nơ ron với thuật học phù hợp đểmạng xấp xỉ f ' và xác định tín hiệu điều khiển η1 sao cho phương trình này ổn địnhtiệm cận.

+ Nội dung này NCS đưa ra định lí (3.1) và được phát biểu như sau:

Hệ robot -camera có nhiều tham số bất định với mạng nơron được biểu diễn trong công thức (1.22), (1.23) sẽ bám theo mục tiêu di động với sai số

Cấu trúc của hệ điều khiển có thể mô tả theo sơ đồ trên sau:

Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển động lực học hệ

nơ ron để bù các tham số bất định của mô hình

Mô men η gồm hai thành phần chính: η0 

+ Chứng minh tính ổn định của đề xuất theo nguyên lí ổn định Lyapunov và kiểm chứng bằng phần mềm mô phỏng matlab-simulink.

- Nội dung thứ ba: Tác giả trình bày về thuật toán điều khiển bệ Camera cố định có chú ý đến các tham số bất định và chú ý đến động cơ chấp hànhcác khớp, việc ước lượng các tham số bất định của hệ thống và của cơ cấu chấphành dùng mạng nơ ron nhân tạo với tín hiệu điều khiển đưa ra bộ điều khiển là tínhiệu điện áp Trong nội dung này tác giả đã trình bày những nội dung sau:

Robot-+ Mối quan hệ giữa đặc trưng ảnh và vận tốc khớp:

Phương trình đặc trưng ảnh có thể được viết lại: ξ  Jξ,qq (1.26)

+ Mô tả các thành phần bất định của mô hình động học và của đặc trưngảnh:

J ξ,q   J  ξ,q   J  ξ,q (1.29)Trong đó, H(q) , h(q) , Jξ,q là các thành phần đã biết ; ΔH(q), Δh(q,q), Δg(q) H(q) ,ΔH(q), Δh(q,q), Δg(q) h(q),

J ξ,qlà các sai lệch do tính bất định của robot

+ Mô tả mối quan hệ giữa đặc trưng ảnh và các biến khớp thông qua biến z

+ Thiết kế luật điều khiển động lực học để hệ robot - camera bám đặc

trưng ảnh:

Ta sẽ đi tìm điện áp điều khiển uE theo dạng:

u 1 là tín hiệu điều khiển để bù thành phần bất định, sẽ được định nghĩa sau.

Sau khi biến đổi ta được:

Chúng ta sẽ xây dựng một mạng nơ ron với luật học phù hợp để xấp xỉ f’ và

đi tìm u'sao cho phương trình trên ổn định tiệm cận

+ Định lý 4.1: Hệ robot Pan Tilt-camera có nhiều tham số bất định với mạng

+ Chứng minh tính ổn định của đề xuất trên bằng nguyên lí ổn định

Lyapunov và kiểm chứng tính đúng đắn bằng phần mềm mô phỏng

matlab-simulink

+ Sơ đồ điều khiển của đề xuất này: