Tóm tắt 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 sụng bộ quan sát vận tốc lực

Luận án nghiên cứu với hai mục tiêu chính. 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. Thứ hai là tổng hợp một thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực khi các tham số động lực học của tay máy Robot thay đổi.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐÀO MINH TUẤN PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI QUỸ ĐẠO VÀ LỰC TƯƠNG TÁC CỦA TAY MÁY ROBOT SỬ SỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đức Thuận TS Nguyễn Hữu Thung Phản biện 1: GS.TS Phan Xuân Minh Trường Đại học Bách Khoa Hà nội Phản biện 2: PGS.TS Phạm Trung Dũng Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng Viện Khoa học Công nghệ quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi , ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ [1] Dao Minh Tuan, Le Ngoc Truc Tran Duc Thuan (T12-2016), "Hybrid force/position control for robot manipulators using force observer" Chuyên san kỹ thuật điều khiển tự động hóa, số17, Tr 46-50 [2] Đào Minh Tuấn Trần Đức Thuận (T12-2017), "Thiết kế quan sát lực/vận tốc cho điều khiển chuyển động lực tay máy Robot ", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 52, tr 3-13 [3] Đào Minh Tuấn, Trần Đức Thuận Phan Đình Hiếu ( T4-2018), "Điều khiển thích nghi vị trí/lực tay máy Robot với ràng buộc môi trường làm việc", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 54, tr 42-52 [4] Đào Minh Tuấn, Phan Đình Hiếu Trần Đức Thuận (T6-2018), "Phân tích hội tụ sai lệch quỹ đạo vị trí, lực thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí/lực cho tay máy Robot ", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số 55, tr 23-34 [5] Dao Minh Tuan & Tran Duc Thuan (10-2018), "Position/Force control for robot manipulators without force and velocity measurements", Journal of Science and Technology of technical universities, vol.128, pp 7-13 [6] Đào Minh Tuấn Phan Đình Hiếu (T4-2019), " Thiết kế quan sát vận tốc/lực cho tay máy robot tác động nhiễu đo lường”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, số đặc san TĐH, tr 126-135 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong ứng dụng tay máy Robot có bất định tham số động lực học chuyển động tương tác với môi trường việc, yêu cầu vị trí điểm tác động cuối vừa bám theo quỹ đạo mong muốn đồng thời lực tương tác bám theo lực mong muốn hạn chế tối đa việc sử dụng cảm biến đo lường Từ phân tích phương pháp điều khiển cơng trình nghiên cứu cơng bố cho thấy phương pháp điều khiển chưa đề cập đến thực yêu cầu điều khiển nhiệm vụ nghiên cứu luận án Như vậy, nhiệm vụ nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển vị trí lực cho tay máy Robot có tham số thay đổi với yêu cầu không sử dụng đo lường lực vận tốc cần thiết chưa công bố Mục tiêu nghiên cứu Luận án nghiên cứu với hai mục tiêu Thứ xây dựng quan sát vận tốc/lực để ước lượng giá trị vận tốc lực tương tác tay máy Robot với môi trường với tác động nhiễu đo lường Thứ hai tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực sử dụng quan sát vận tốc/lực tham số động lực học tay máy Robot thay đổi Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu tay máy Robot chuyển động tương tác với môi trường làm việc Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn nhiệm vụ điều khiển điểm tác động cuối tay máy Robot ba bậc tự chuyển động tương tác với môi trường mặt phẳng Phương pháp nghiên cứu - Phân tích tổng hợp nghiên cứu công bố lĩnh vực nghiên cứu nội dung nghiên cứu luận án - Phương pháp chuyên gia để nghiên cứu sở toán học quan sát, đưa sở toán học cho kỹ thuật quan sát NGPI ứng dụng để xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot - Kế thừa thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí Slotine-Li để tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực cho tay máy Robot Bố cục luận án Tồn luận án gồm 122 trang trình bày thành chương, 75 hình vẽ, 02 bảng biểu 06 phụ lục Ý nghĩa thực tiễn ý nghĩa khoa học luận án Ý nghĩa thực tiễn: - Bộ quan sát vận tốc/lực giải vấn đề thực tế giảm chi phí cho việc lắp đặt sử dụng số lượng lớn cảm biến đồng thời giảm ảnh hưởng tác động mơi trường đến độ xác cảm biến lắp tay máy Robot - Việc ứng dụng thuật toán điều khiển tổng hợp mang lại phạm vi ứng dụng tay máy Robot rộng điều kiện làm việc tham số động lực học không xác định có thay đổi tham số động lực học làm việc Ý nghĩa khoa học: - Đưa sở toán học kỹ thuật quan sát NGPI, xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot kỹ thuật NGPI Đóng góp phương pháp để ước lượng trạng thái đạo hàm bậc cao trạng thái hệ động lực học với tác động nhiễu đo lường - Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi vị trí lực sở thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí Slotine-Li Chương CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT 1.1 Động lực học tay máy Robot 1.1.1 Mô hình tốn học tay máy Robot Phương trình động lực học tổng quát tay máy Robot mơ tả phương trình vi phân sau: (1.1) H  q  q  V  q , q   g  q   D  q    d   n Trong đó, q   véc tơ biến khớp,    n véc tơ mô men đặt vào khớp, H  q    nn ma trận quán tính, V  q , q  véc tơ momen/lực hướng tâm Coriolis, g  q    n véc tơ momen/lực trọng trường, D  q    n véc tơ momen/lực ma sát 1.1.2 Các đặc tính thành phần động lực học tay máy Robot Đặc tính ma trận quán tính H q ma trận vuông cấp n đối xứng xác định dương Thành phần hướng tâm Coriolis phương trình động lực học tay máy Robot V q, q  xác định sau:  1  T V  q , q   H  q  q   q H  q   q (1.11)  q  Thành phần trọng trường g  q  xác định từ sau:  g  q   n P  T   g Ti  q I i e4 q i1 q   (1.21) 1.2 Tổng quan điều khiển tay máy Robot 1.2.1 Điều khiển quỹ đạo tay máy Robot 1.2.1.1 Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường Giả sử qd quỹ đạo vị trí mong muốn hệ thống tay máy Robot xét không gian khớp Mục đích tìm cấu trúc điều khiển để đảm quỹ đạo vị trí q bám theo quỹ đạo mong muốn Như vậy, nhiệm vụ điều khiển xác định tín hiệu đầu vào điều khiển tác động vào hệ thống tay máy Robot để hệ thống ổn định xung quanh điểm cân 1.2.1.2 Điều khiển PID cho tay máy Robot Ta thấy phương pháp điều khiển PD hiệu tất tham số tay máy Robot biết trước khơng có nhiễu  d tác động Nếu trường hợp làm việc có tác động nhiễu sai lệch trạng thái cân Do đó, ta khắc phục thêm thành phần tích phân I vòng lặp điều khiển Gọi e t   qd t   q t  sai lệch vị trí  với   e tích phân sai lệch vị trí Tín hiệu điều khiển phụ u t  chọn sau: u K D e  K p e  K I  (1.44) Trong đó, K p , K D K I ma trận đường chéo xác định dương Luật điều khiển PID cho quỹ đạo tay máy Robot lựa chọn sau:   H  q  qd  K d e  K P e  K I    N  q , q  (1.45) 1.2.1.3 Điều khiển động lực học đảo Phương trình động lực học tay máy Robot mô tả không xét đến ảnh hưởng nhiễu viết lại sau: (1.50) H  q  q  N  q , q    Đề xuất luật điều khiển hàm trạng thái sau:    q (1.51) Suy phương trình (1.50) viết lại sau: H  q     N  q , q    (1.52) Trong đó,   tương ứng với véc tơ đầu vào mới, xác định sau:    qd  K d  q d  q   K p  qd  q  (1.53) 1.2.2 Điều khiển lực tay máy Robot Nội dung điều khiển lực tay máy Robot làm để xác định lực tương tác sử dụng hiệu tín hiệu phản hồi tổng hợp tín hiệu đầu vào thích hợp để đạt quỹ đạo vị trí lực mong muốn đưa Các biến điều khiển lực biến vị trí, vận tốc, gia tốc lực Các khác thuật toán điều khiển lực bắt nguồn từ ứng dụng khác biến mối quan hệ chúng 1.2.2.1 Điều khiển độ cứng Điều khiển độ cứng thụ động tích cực Trong điều khiển độ cứng thụ động, điểm tác động cuối tay máy Robot tương ứng với thiết bị máy gồm lò xo Điều khiển độ cứng tích cực xem lị xo thay đổi với lực phản hồi độ cứng hệ thống vịng lập kín 1.2.2.2 Điều khiển trở kháng Nội dung phương pháp điều khiển trở kháng hệ thống điều khiển tay máy Robot thiết kế không bám theo quỹ đạo chuyển động mà điều khiển trở kháng học tay máy Robot Trong phương pháp này, mối quan hệ vận tốc x lực tác dụng tính tốn thơng qua trở kháng học Z m 1.2.2.3 Điều khiển lai vị trí/lực Phương pháp điều khiển lai vị trí/lực kết hợp thơng tin lực momen với liệu vị trí Khơng gian điều khiển tách thành hai không gian làm việc trực giao với Trong điều khiển lai vị trí/lực, điều khiển vị trí lực xem tách biệt 1.3 Tổng quan quan sát 1.3.1 Bộ quan sát Luenberger Cấu trúc quan sát Luenberger sau:   xˆ t   Axˆ t   Lk  y t   Cxˆ t   Bu t      (1.71)   ˆ ˆ y t  Cx t        Như quan sát có hai véc tơ đầu vào u t  sai lệch giá trị đầu hệ thống y t  với giá trị đầu quan sát yˆ t  Sai lệch gọi sai lệch đầu quan sát ey  y t   yˆ t  1.3.2 Quan sát lọc Kalman 1.3.2.1 Ước lượng trạng thái lọc Kalman Bộ lọc Kalman đưa vấn đề tổng quan để ước lượng trạng thái x  R n q trình điều khiển rời rạc mà dược mơ tả phương trình sau: (1.73) xk  Axk 1  Buk 1  wk 1 Với đo lường z  R m zk  Hxk  vk (1.74) Trong đó, biến ngẫu nhiên wk vk thể nhiễu trình nhiễu đo lường Các nhiễu giả định độc lập với nhiễu trắng có phân bố chuẩn p w  N 0, Q  p v   N 0, R  (1.75) 1.4 Kết luận chương Với các yêu cầu nội dung nghiên cứu nghiên cứu ngồi nước trước chưa đề cập đến giải cách triệt để Các chương luận án bước giải nhiệm vụ nghiên cứu với hai nội dung nghiên cứu sau: Nội dung nghiên cứu thứ xây dựng quan sát để ước lượng đồng thời vận tốc lực tương tác tay máy Robot với môi trường làm việc Nội dung nghiên cứu thứ hai tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi để điều khiển đồng thời quỹ đạo vị trí lực tương tác điểm tác động cuối tay máy Robot với môi trường làm việc tham số động lực học thay đổi Chương XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC CHO TAY MÁY ROBOT 2.1 Cơ sở ước lượng trạng thái hệ động lực học không xác định 2.1.1 Ước lượng trạng thái cho hệ động lực học bậc n Xét hệ động lực học mô tả toán học phương trinh vi phân phi tuyến bậc n sau: (2.1) y ( n )   t , y , y ,  y , , y ( n1)   ku Trong đó,  hàm phi tuyến trơn, k   u tín hiệu đầu vào từ điều khiển Ta định nghĩa hàm theo thời gian sau:  : t   t , y t , y t , y t , , y ( n1) t  Tức  t  giá trị hàm  (2.2) với giá trị nghiệm y t  biết phương trình vi phân (2.1) với hữu hạn điều kiện ban đầu n y 0 , y 0 ,…, y  0 Suy  t    t , y t , y t ,  y t , , y ( n1) t  (2.3) Trong đó, y t  nghiệm trơn bị chặn phương trình vi phân 10 Khi đó, quan sát NGPI phát triển từ quan sát GPI mà mơ tả hệ phương trình (2.14) cho hệ động học (2.39) viết lại sau:   xˆ1   p 1  y  xˆ1   xˆ2     xˆ   p  y  xˆ1   ku  zˆ1      zˆ1   p1  y  xˆ1   zˆ2      zˆ   p2  y  xˆ1   zˆ3         zˆ p1  1  y  xˆ1   zˆ p     zˆ p  0  y  xˆ1      (2.40) Phương trình động học sai lệch ước lượng viết lại dạng p 3 p2 p 1 p p 3  x0    p2 x0    p1 x0    1 x0   0 x0      d   (2.43) Từ phương trình (2.43) ta thấy, thành phần nhiễu hệ số khuếch đại quan sát độc lập với Như vậy, thay động học tỷ lệ nhiễu d  p 2   p1d  p1   p d  p   1d 1  0 d   động học không tỷ lệ bậc cao d p 3   tạo độc lập hệ số khuếch đại quan sát với tín hiệu nhiễu Vì vậy, sai lệch ước lượng quan sát hội tụ đến lân cận giới hạn       d p p 3  tác nhiễu đo lường Như vậy, quan sát NGPI có khả thích ứng tốt quan sát GPI hệ thống có tác động của nhiễu đo lường 2.2 Xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot Giải pháp đưa từ phản hồi vị trí, ta tìm cách ước lượng vận tốc lực tương tác quan sát theo sơ đồ hình 2.1 Phần trình bày trình tự xây dựng quan sát lực vận tốc cho tay máy Robot với đo lường vị trí chịu tác động nhiễu đo lường 11 z x1  x2   x0 +  q2 x0 i q1 - xˆ0 xˆ1 zˆ1 q3 x z0 ˆ ˆ x0 y0 Hình 2.1 Sơ đồ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot Hình 2.2 Khơng gian trực giao điểm tác động cuối 2.2.1 Ràng buộc chuyển động tay máy Robot với với môi trường Khi tay máy Robot chuyển động, điểm tác động cuối tay máy Robot n bậc tự tương tác với mơi trường có ràng buộc mơ hình động lực học mơ tả phương trình H ( q) q  C ( q, q ) q  Dq  g ( q)    JT (q) (2.46) Nội dung sau trình bày giải pháp xác định  Khi tay máy Robot tương tác với môi trường, xét đến ràng buộc, véc tơ vận tốc góc q phân tích khơng gian hình học sau q  Q  q  q  P  q  q (2.49) Trong ma trận vng Q  q  P  q  phép chiếu được mơ tả hình 2.1 2.2.2 Xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot Ta thực gán biến không gian trạng thái sau T T x   x1 , x2    q , q    (2.65) Khi đó, phương trình động học tay máy Robot mơ tả lại dạng hệ phương trình trạng thái sau x1  x2 (2.66) 1  T x2  H  x1     C  x1 , x2  x2  Dx2  g  x1   H  x1  J  x1  (2.67) Để đơn giản cho việc ký hiệu sử dụng ký hiệu việc xây dựng quan sát lực vận tốc cho tay máy Robot, gán cho giá trị sau: 12 z  H 1  x1  JT  x1  (2.68) N  x1 , x2   C  x1 , x2  x2  Dx2  g  x1  (2.69) Thay phương trình (2.68) (2.69) vào phương trình (2.67) ta x2  H 1  x1     N  x1 , x2   z (2.70) Bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot xây dựng sau:   xˆ0  xˆ1   p 2 x0     xˆ1  xˆ2   p 1 x0      xˆ2  H 1  q     N  x1 , xˆ2   zˆ1   p x0     zˆ1  zˆ2   p1 x0     ˆ  z2  zˆ3   p2 x0         zˆ p2  zˆ p1  2 x0     zˆ p1  zˆ p  1 x0      zˆ p  0 x0     (2.74) Trong đó, sai lệch ước lượng quan sát  x0  x0  xˆ0 (2.75) Với x0 định nghĩa biến ảo Các sai lệch ước lượng vị trí, x2 zk xác định sau: vận tốc lực x1 ,  (2.76) x1  x1  xˆ1  (2.77) x2  x2  xˆ2 zk  zk  zˆk (2.78) 2.3 Kết luận chương Xây dựng sở toán học quan sát NGPI Những chứng minh cho thấy hội tụ nhanh sai lệch biến quan sát với đáp ứng biến thực hệ thống Một quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot xây dựng sở kỹ thuật quan sát NGPI cơng bố cơng trình [1], [6] Bộ 13 quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot sử dụng kỹ thuật NGPI có khả kháng nhiễu đo lường tốt đảm bảo sai lệch ước lượng nhỏ Chương TỔNG HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC CHO TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT 3.1 Cơ sở điều khiển thích nghi cho cánh tay robbot 3.1.1 Điều khiển thích nghi không gian khớp Xét tay máy Robot n bậc tự do, bỏ qua thành phần ma sát thành phần nhiễu, phương trình động lực học tay máy Robot mơ tả phương trình sau: H  q  q  C  q , q  q  g  q    (3.1) Để xây dựng thuật toán điều khiển luật thích nghi, ta xét hàm Lyapunov sau: (3.2) V t   e T H  q  e  pT p  e T K P e z Trong đó, p   véc tơ chứa tham số động lực học khơng xác   định ví dụ khối lượng nối tay máy Robot, H  q thành phần quán tính, pˆ giá trị ước lượng véc tơ tham số K P ,  ma trận đường chéo xác định dương, e t   q t   qd t  sai lệch quỹ đạo vị trí xét khơng gian khớp, p  pˆ t   p véc tơ sai lệch ước lượng tham số Thực đạo hàm V t  ta d V t   e T H  q  e  e T H  q e  pT  p  e T K P e  dt (3.3) H  q  q qd   V t   e T    H  q  qd  C  q, q  q d  g  q  K P e   pT  d p   (3.4) Một luật điều khiển đề xuất sau:   Hˆ  q  qd  Cˆ  q , q  q d  gˆ  q   K p e  K d e (3.5) dt 14 Ta thấy, phương trình luật điều khiển đưa (3.5) có phụ thuộc vào tham số không xác định tay máy Robot Do vậy, tham số động lực học không xác định phải tách ra, ước lượng véc tơ pˆ H  q  qd  C  q , q  q d  g  q   Yd p (3.8) T Trong đó, Yd  Yd  q , q , q d , qd  ma trận n z , ma trận e Yd p đối xứng nên ta có  e T Yd p  e T Yd p  pT YdT e    d   V t   e T K d e  p T   p  YdT e   dt  T (3.9) chọn luật thích nghi cho d  p  YdT e  dt (3.10) Giả sử tham số động lực học khơng thay đổi chu kỳ trích d d d mẫu, tức  p   suy p   pˆ  Thay vào (3.9) thu dt dt dt pˆ  1Y T  q , q , q , q  e (3.11) d d d Suy V t   e T Kd e  Như vậy, luật điều khiển (3.5) luật thích cập nhật tham số (3.11) tạo nên điều khiển thích nghi ổn định toàn cục Cấu trúc điều khiển thích nghi được mơ tả hình 3.1 Kd s qd , qd , qd qr , qr +   q , q + ˆ   gˆ ˆ   Cq Hq r r pˆ   1Ys Hình 3.1.Sơ đồ điều khiển thích nghi tay máy Robot 3.1.2 Điều khiển thích nghi khơng gian Descartes Trong phần này, điều khiển thích nghi phân tích phần trước 15 mở rộng sang khơng gian Descartes hệ phương trình sau 1   r  J  q  xd  L  xd  x  q     (3.23)             q  J q x  L x  x  Jq      d d r     r Suy 1 s  er  q  qr  J  q  J  q q  xd  Lex  (3.24)   Trong đó, xd giá trị đặt vị trí điểm tác động cuối tay máy Robot không gian Descartes, ex  x  xd sai lệch vị trí giá trị đặt giá trị thực tế không gian Descartes 3.2 Tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực sử dụng quan sát vận tốc/lực Nội dung chương trình bày phương pháp tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực sở thuật toán điều khiển SlotineLi Bộ điều khiển xây dựng kết hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực với quan sát vận tốc/lực xây dựng chương hai Sơ đồ điều khiển thể hình 3.2 q3 q2 x xd q3 q2 xˆ +    q1 + x d xd  t   q q1 F x ˆ qˆ xd  t  z   P y  x  H , C, g Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển thích nghi vị trí lực sử dụng quan sát Hình 3.3 Ràng buộc điểm tác động cuối không gian Descartes 3.2.1 Tổng hợp thuật toán điều khiển Xét tay máy Robot n bậc tự chuyển động ràng buộc môi trường Động lực học tay máy Robot xét khơng gian khớp T với biến góc quay khớp q  q1 , q2 , , qn  Phương trình động lực học tay máy Robot mơ tả phương trình sau: 16   H  q  q   M  H  q   S  q , q   q  g  q        J T  (3.27) q    J q q  J q J q q   T Dựa vào thuật toán điều khiển Slotine-Li, ta cộng thêm thành phần điều khiển lực tương tác viết lại sau:   K d s  Yr  q , q , q r , qr  pˆ  J T  q F  d  (3.41) Như vậy, thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực xây dựng sở thuật tốn điều khiển thích nghi cho vị trí đưa Slotine Li với hai thành phần: Thành phần điều khiển vị trí  p  K d s  Yr  q , q , q r , qr  pˆ thành phần điều khiển lực  F  J T  q F  d  3.2.2 Phân tích hội tụ sai lệch vị trí lực 3.2.2.1 Phân tích hội tụ sai lệch vị trí Để phân tích hội tụ sai lệch vị trí e t  , ta có st t   Q  q  e  Le  (3.77) Biến đổi ta thu    J   q  q  qd t   q  qd t    (3.113)    J  q   J   qd t   0 q  qd t      Hằng số L đủ lớn, cho L  201 ; Các điều kiện ban đầu sai lệch vị trí e 0 sai lệch vận tốc e 0 thỏa mãn bất phương trình (3.109) (3.110) thuật tốn điều khiển đảm bảo quỹ đạo vị trí khớp q t  hội tụ đến quỹ đạo mong muốn vị trí khớp qd t  , tức lim  e t   t  3.2.2.2 Sự hội tụ sai lệch lực Trong phần này, ta chứng minh hội tụ lực tương tác  t  tới 17 lực tương tác mong muốn d t  sau khoảng thời gian t cho điểm tác động cuối tay máy Robot luôn tiếp xúc với bề mặt môi trường Biến đổi ta thu   J  q  H  q  J  q   J  q  H  q  h t    1  T  1  (3.124) const J  q  s   J   q H 1  q  J T  q F  K d s Ta thấy, q bị chặn dẫn đến J  q  bị chặn tất thành phần h  t  , s t  , F t  tiến đến không t   Suy lim   t  Như vậy, ta kết luận quỹ đạo lực tương tác  t  hội tụ tới quỹ đạo lực mong muốn d t  t   , có nghĩa điểm tác động cuối tay máy Robot giữ tiếp xúc với bề mặt môi trường tương tác thời gian làm việc 3.3 Kết luận chương Bộ điều khiển thực kết hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực với quan sát vận tốc/lực xây dựng chương hai Như vậy, điều khiển thực điều khiển đồng thời quỹ đạo chuyển động lực tương tác tay máy Robot điều kiện có tham số động lực học có thay đổi làm việc Với kết hợp này, Bộ điều khiển cần đo lường vị trí, giá trị phản hồi lực vận tốc lấy từ giá trị ước lượng vận tốc lực từ quan sát Nội dung nghiên cứu cơng bố cơng trình khoa học số [5] Chương 4: MƠ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC 4.1 Xây dựng mơ hình tốn học tham số mô Các tham số chuyển động điểm tác động cuối mô tả hình 4.5 Góc nghiêng bề mặt với trục nằm nằm ngang hệ tọa độ gốc 18 chọn   680 , khoảng cách   0.35 m , góc  vị trí ban đầu điểm tác động cuối tay máy Robot (0)  d      120 Như vậy, suốt trình di chuyển, điểm tác động cuối tay máy Robot ln giữ vng góc với bề mặt sai lệch hướng vị trí ban đầu mơ tả hình 4.5 Thời gian trích mẫu dùng mơ T  1 ms y  x2 di x2i 0 df x  x1  x1i  x  x1 Hình 4.5 Mơ tả chuyển động điểm tác động cuối 4.2 Sơ đồ mô Sơ đồ mô tổng quát hệ thống mô tả hình 4.6 Hình 4.6 Sơ đồ hệ thống Hình 4.7 Khối động lực học robot ràng buộc môi trường 4.3 Kết mô nhận xét Mô thực ba trường hợp bao gồm: Trường hợp thực mơ khơng có tác động nhiễu đo lường bất định tham số động lực học tay máy Robot Trường hợp thực có tác động nhiễu đo lường Trường hợp thực với 19 thay đổi tham số động lực học tay máy Robot 4.3.1 Trường hợp thay đổi tham số động lực học khơng có tác động nhiễu đo lường Kết mô trường hợp không xét đến ảnh hưởng nhiễu đo lường ảnh hưởng thay đổi tham số động lực học thể hình sau: Hình 4.13, hình 4.14 hình 4.15, thể sai lệch giá trị đáp ứng giá trị đặt tọa độ điểm tác động cuối tay máy Robot theo trục x, y góc  Kết cho thấy, giá trị đáp ứng bám theo giá trị đặt Hình 4.13 Sai lệch vị trí theo trục x Hình 4.14 Sai lệch vị trí theo trục y Các giá trị ước lượng quan sát vận tốc/lực lực ước lượng ˆ vận tốc ước lượng qˆ ký hiệu hình vẽ mơ tương ứng  g qg Tương tự vậy,  qi i  1: 3 đáp ứng lực thực tế góc khớp Hình 4.15 Sai lệch vị trí theo góc  Hình 4.16 Lực đặt, đáp ứng lực thực tế lực đặt Kết thu hình 4.16 cho thấy giá trị đáp ứng lực từ điều khiển giá trị lực ước lượng từ quan sát bám theo giá trị lực đặt sau khoảng thời gian t  0.4s 4.3.2 Trường hợp có tác động nhiễu đo lường Sai lệch vị trí theo trục thể trên, hình 4.14 hình 4.15 Kết mơ cho thấy, điều khiển hoạt động hiệu có tác động nhiễu đo lường Đáp ứng lực điều khiển đạt lực đặt sau khoảng thời gian nhỏ t  0.7s 20 Hình 4.27 Sai lệch vị trí theo trục x với tác động nhiễu đo lường Hình 4.28 Sai lệch vị trí theo trục y với tác động nhiễu đo lường Các đáp ứng lực từ điều khiển sai lệch với lực đặt thể hình 4.30 hình 4.31 80 60 40 20 -20 -40 Thoi gian[s] Hình 4.30 Đáp ứng lực từ điều khiển với nhiễu đo lường Hình 4.31 Sai lệch lực có tác động nhiễu đo lường Giá trị ước lượng vận tốc từ quan sát NGPI trường hợp có tác động nhiễu đo lường thể hình 4.34, hình 4.35 hình 4.36 Hình 4.36 Vận tốc ước lượng khớp có nhiễu đo lường Hình 4.37 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp có nhiễu đo lường Sai lệch giá trị ước lượng vận tốc từ quan sát có tác động nhiễu đo lường thể hình 4.37, hình 4.38 hình 4.39 Hình 4.38 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp có nhiễu đo lường Hình 4.39 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp có nhiễu đo lường Kết mô cho thấy giá trị vận tốc ước lượng khớp từ quan sát bị tác động nhiễu đo lường dẫn đến sai lệch vận tốc ước lượng khớp lớn trường hợp khơng có tác động nhiễu Tuy nhiên, độ lớn sai lệch nhỏ 21 Với kết thể hình 4.37, hình 4.38 hình 4.39 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng khớp sử dụng quan sát vận tốc/lực xây dựng luận án (NGPI) nhỏ nhiều so với sai lệch vận tốc ước lượng khớp sử dụng quan sát GPI cơng bố [10] 4.3.3 Trường hợp có thay đổi tham số động lực học Mô thực với giả thiết thời điểm t  2.5s , tham số p bị thay đổi Kết mơ cho thấy có thay đổi tham số động lực học thời điểm t  2.5s , đáp ứng lực từ điều khiển có thay đổi với sai lệch nhỏ Hình 4.40 Đáp ứng lực có thay đổi tham số động lực học Hình 4.41 Sai lệch lực có thay đổi tham số động lực học Tuy nhiên, sau khoảng thời gian ngắn t  0.2s , đáp ứng lực bám theo giá trị lực đặt Hình 4.47 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp thay đổi tham số Hình 4.48 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp thay đổi tham số 14 12 10 60 2.5 2.6 2.7 40 20 0 Hình 4.49 Sai lệch vận tốc ước lượng khớp thay đổi tham số thoi gian[s] 23 Hình 4.50 Momen điều khiển khớp có thay đổi tham số Hình 4.47, hình 4.48 hình 4.49 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng quan sát có thay đổi nhỏ ( ev1   0.002 rad s , e v2   0.016 rad s 22 e v3   0.01 rad s ) xảy thời gian ngắn ( t  0.05s ) có thay đổi tham số động lực học tay máy RobotHình 4.50, hình 4.51 hình 4.52 thể đáp ứng momen điều khiển đặt vào khớp tay máy Robot Kết mô cho thể đáp ứng momen điều khiển điều khiển điểm tác động cuối tay máy Robot cần chuyển động theo quỹ đạo mong muốn tác động lên bề mặt môi trường lực mong muốn Sau thời điểm t  6s , momen điều khiển đặt khớp 1, khớp 2, khớp ổn định giá trị 12 N.m , 27 N.m 0.6 N.m Sau thời gian t  6s , đáp ứng vị trí điểm tác động cuối tay máy Robot ổn định tọa độ có x  0.35 m , y  0 m ,   22   Điều chứng tỏ vị trí điểm tác động cuối tay máy Robot đạt giá trị mong muốn điều khiển đưa momen điều khiển đặt vào khớp để tạo lực tương tác điểm tác động cuối tay máy Robot lên bề mặt mơi trường Hình 4.51 Momen điều khiển khớp có thay đổi tham số Hình 4.52 Momen điều khiển khớp có thay đổi tham số Kết thu thể đáp ứng momen điều khiển khớp có thay đổi tham số động lực học tay máy Robot thời điểm t  2.5s , điều khiển đưa momen để bù lại thay đổi đảm bảo quỹ đạo vị trí lực bám theo quỹ đạo đặt 4.4 kết luận chương Trong chương này, mô thực phần mềm Matlab Simulink với nội dung sau: Nội dung thứ xây dựng mơ hình mơ động lực học tay máy Robot Nội dung thứ xây dựng sơ đồ mô cho khối để thực mô kiểm 23 chứng chất lượng quan sát vận tốc/lực kiểm chứng chất lượng điều khiển thích nghi vị trí/lực điều khiển tay máy Robot chuyển động ràng buộc môi trường Nội dung thứ thực mơ điều khiển thích nghi vị trí lực kết hợp với quan sát trường hợp lý tưởng, trường hợp có tác động nhiễu đo lường trường hợp có tác động thay đổi tham số động lực học Kết nghiên cứu cơng bố cơng trình nghiên cứu [3], [4], [6] KẾT LUẬN Những kết đạt luận án - Xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot sử dụng kỹ thuật NGPI Bộ quan sát vận tốc/lực có khả đáp ứng có tác động nhiễu tốt quan sát lực/vận tốc sử dụng kỹ thật GPI nghiên cứu công bố tác giả Gutiérrez-Giles cộng Việc sử dụng quan sát phương pháp điều khiển tay máy Robot giảm số lượng lớn tín hiệu đo lường dẫn tới hệ thống robot sử dụng cảm biến hơn, làm giảm giá thành hệ thống giảm ảnh hưởng tác động mơi trường đến độ xác hệ thống tay máy Robot - Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi vị trí lực cho tay máy Robot sử dụng quan sát vận tốc/lực xây dựng Với việc ứng dụng thuật toán điều khiển này, điểm tác động cuối tay máy Robot điều khiển đảm bảo đồng thời quỹ đạo vị trí lực tương tác với môi trường làm việc Những đóng góp luận án - Đưa sở toán học cho kỹ thuật ước lượng trạng thái NGPI - Xây dựng quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot sở kỹ thuật NGPI với chứng minh hội tụ tốt sai lệch ước lượng lực vận tốc với tác động nhiễu đo lường - Tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực sử dụng 24 quan sát vận tốc/lực với chứng minh cho thấy hội tụ nhanh sai lệch vị trí lực có tác động thay đổi tham số động lực học tác động nhiễu đo lường Hướng nghiên cứu phát triển Mặc dù luận án tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí lực cho tay máy Robot với chứng minh tính ổn định thuật toán hội tụ sai lệch quỹ đạo vị trí lực Tuy nhiên, kết nghiên cứu kiểm chứng phần mềm mô với tham số tay máy Robot lấy từ thực nghiệm Vì vậy, tín hiệu ước lượng của quan sát so sánh với tín hiệu đáp ứng điều khiển tín hiệu đặt, chưa có so sánh tín hiệu ước lượng quan sát với tín hiệu thực tế phản hồi từ cảm biến lực lắp vị trí mà điểm tác động cuối tương tác với môi trường cảm biến tốc độ lắp góc quay khớp tay máy Robot Từ hạn chế đó, hướng nghiên cứu phát triển luận án đề xuất sau: - Thực nghiên cứu để tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng đánh kết thu từ mô đánh giá cách sâu sắc chất lượng thuật toán điều khiển tổng hợp - Kết hợp quan sát vận tốc/lực với thuật toán điều khiển đại thuật toán điều khiển GPI, thuật toán điều khiển trượt, thuật toán điều khiển Backsteping… - Tiếp tục nghiên cứu quan sát lực/vận tốc cho tay máy Robot quan sát trượt bậc 2, bậc 3, quan sát HGO, GST ... đạt luận án - Xây dựng quan sát vận tốc /lực cho tay máy Robot sử dụng kỹ thuật NGPI Bộ quan sát vận tốc /lực có khả đáp ứng có tác động nhiễu tốt quan sát lực/ vận tốc sử dụng kỹ thật GPI nghi? ?n... HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC CHO TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT 3.1 Cơ sở điều khiển thích nghi cho cánh tay robbot 3.1.1 Điều khiển thích nghi khơng gian khớp Xét tay máy. .. thuật toán điều khiển GPI, thuật toán điều khiển trượt, thuật toán điều khiển Backsteping… - Tiếp tục nghi? ?n cứu quan sát lực/ vận tốc cho tay máy Robot quan sát trượt bậc 2, bậc 3, quan sát HGO,