Chương trình mô phỏng robot di động phải thực hiện được các yêu cầu của một chương trình mô phỏng 3D, có hình ảnh trực quan sinh động thể hiện hình ảnh robot hoạt động, thể hiện được các bài toán động học thuận và ngược.
Các hình bên dưới là chương trình mô phỏng robot. Phần bên trái là khung cửa sổ thao tác điều khiển, gồm có lựa chọn bài toán thuận và bài toán ngược. Với bài toán thuận thì có thể điểu chỉnh các góc khớp, khi đó dữ liệu về tọa độ của các bàn chân sẽ thay đổi theo. Tương tự như vậy với bài toán ngược, khi tọa độ của các bàn chân thay đổi thì các góc khớp cũng tự thay đổi theo và robot di chuyển đến vị trí tọa độ mới.
Chương trình được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình C++ sử dụng thư viện lập trình giao diện hướng đối tượng MFC kết hợp với thư viên đồ họa OpenGL cho phép hiện thị các khâu của robot dạng 3D cho dễ dàng quan sát, có cái nhìn trực quan về mô hình từ đó kiểm chứng các kết quả tính toán động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động.
136
Hình 5.32 Mô phỏng robot di động tại một số vị trí di chuyển
Kết luận Chương 5
Chương 5 đã áp dụng các bộ điều khiển được thiết kế trong chương 4 vào điều khiển robot di động hai chân bao gồm bộ điều khiển PID+Động lực học ngược, bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển đại số gia tử và bộ điều khiển noron. Kết quả mô phỏng số của các bộ điều khiển trên khi áp dụng độc lập và khi tích hợp với nhau cũng được trình bày.
Đóng góp mới của luận án trong chương này là việc sử dụng các phần mềm và ngôn ngữ lập trình để xây dựng được chương trình mô phỏng số để mô phỏng các bộ điều khiển, các kết quả nhận được để kiểm chứng các giải thuật điều khiển và các hệ luật được xây dựng trong chương 4 cũng như các kết quả nhận được ở chương 2, chương 3.
Bộ điều khiển PID+Động lực học ngược cho kết quả chính xác khi biết được đầy đủ và chính xác mô hình động lực của robot. Khi tích hợp các bộ điều khiển thông minh với điều khiển PID+Động lực học ngược đã giải quyết được bài toán thiếu hụt đại lượng động lực hoặc mô hình động lực có sai số, kết quả điều khiển tương đương với kết quả của bộđiều khiển kinh điển trong trường hợp biết đầy đủ các đại lượng động lực. Ngoài ra chỉ cần tích hợp các bộ điều khiển thông minh trên với điều khiển PID thuần túy mà không cần quan tâm đến mô hình động lực của robot thì kết quả điểu khiển cũng không giảm đi mà tốc độ tính toán khi điều khiển nhanh lên do không phải tính toán động lực học ngược. Thậm chí khi áp dụng các bộ điều khiển thông minh thuần túy cho robot di động hai chân thì kết quảđiều khiển vẫn chấp nhận được. Các bộ điều khiển thông minh đã tỏ ra ưu việt xử lý được tất cả các tình huống điều khiển cho kết quả tin cậy.
137
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu đề ra, giải quyết các bài toán động học, động lực học và điều khiển robot di động hai chân. Các kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án đạt được như sau.
1. Kết luận:
Luận án đã xây dựng mô hình robot di động hai chân, thiết lập phương trình động học cho robot chuyển động không gian và chuyển động phẳng, đưa ra giải thuật giải các bài toán động học và giải thuật thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot.
Luận án đã xây dựng mô hình động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot, tính toán các đại lượng động lực và đưa ra thuật giải các bài toán động lực học bằng phương pháp số cho phép tính toán monen dẫn động tại các khớp của robot.
Luận án đã áp dụng phương pháp điều khiển kinh điển xây dựng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược điều khiển robot trong trường hợp biết được đầy đủ và chính xác mô hình động lực cho kết quả điều khiển chính xác.
Luận án đã xây dựng các bộ điều khiển thông minh gồm điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử, điều khiển mạng noron và tích hợp các bộ điều khiển đó với nhau và với bộ điều khiển kinh điển để điều khiển robot khắc phục sai số của mô hình động lực hoặc điều khiển robot bỏ qua mô hình động lực.
Luận án đã sử dụng các phần mềm và ngôn ngữ lập trình để xây dựng các chương trình mô phỏng số các bộ điều khiển, các kết quả nhận được để kiểm chứng các giải thuật điều khiển.
Luận án đã xây dựng chương trình mô phỏng chuyển động của robot di động hai chân nhằm mục đích kiểm nghiểm quỹ đạo chuyển động của robot cho kết quả trực quan sinh động.
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Tiếp tục hoàn thiện và phát triển các hệ luật điều khiển.
Hoàn thiện và phát triển phương pháp tích hợp giải thuật thông minh để có bộ điều khiển tốt hơn, hoàn thiện hơn.
Tích hợp điều khiển thông minh với điều khiển khác.
Áp dụng luật điều khiển hiện có khi robot thực hiện các chuyển động phức tạp hơn như chuyển động không gian.
138
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA
LUẬN ÁN
1. Phan Bùi Khôi, Nguyễn Xuân Hồng.Xây dựng mô hình và mô phỏng hoạtđộng của robot hàn di động ống dẫn dầu khí. Tuyển tập công trình Hội nghị toàn quốc Máy và Cơ cấu, Tp. Hồ Chí Minh 2015, trang 1075-1086.
2. Phan Bùi Khôi, Nguyễn Xuân Hồng, Nguyễn Văn Toản. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển robottác hợp khi gia công mài. Tuyển tập công trình Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 7-8.10.2016, trang 484-488.
3. Nguyễn Xuân Hồng, Nguyễn Văn Toản, Nguyễn Mạnh Hà, Trần Đức Trung, Phan Bùi Khôi. Tích hợp ứng dụng logic mờ với bộ điều khiểncủa robot. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập 1. Động lực học và Điều khiển, Cơ học máy, Hà Nội, 8-9.12.2017, trang 722-733.
4. Phan Bùi Khôi, Nguyễn Xuân Hồng, Trần Đức Trung. Động lực học robot di
động hai chân. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập 1. Động lực học và Điều khiển, Cơ học máy, Hà Nội, 8-9.12.2017, trang 827-836.
5. Nguyễn Xuân Hồng, Phan Bùi Khôi. Điều khiển robot di động hai chân. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Tập 2. Động lực học và Điều khiển, Cơ học Máy, Cơ học Thủy khí, Hà Nội 9.4.2019, trang 228-239.
6. Nguyen Xuan Hong. Controlling Two-Legged Mobile Robot. International Journal of Scientific Research in Science, Engineering and Technology (IJSRSET), Vol. 8, Issue 2, March-April 2021, pp. 106–115. https://doi.org/10.32628/
IJSRSET218230.
7. Nguyễn Xuân Hồng. Mô phỏng robot di động hai chân. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 1+2 năm 2021, trang 151-159.
8. Khoi Bui Phan, Hong Nguyen Xuan. Fuzzy Logic‐Based Controller for Bipedal
Robot. Applied Sciences. 2021, Vol 11, No. 24, 11945. https://doi.org/10.3390/
139
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Biped Walking Robot. http://www.humanoid.waseda.ac.jp/booklet/ kato_4.html. Accessed 03.25.2021.
[2] WABOT-Waseda roBOT-. http://www.humanoid.waseda.ac.jp/booklet/ kato_2.html. Accessed 03.25.2021.
[3] Takanishi A., Naito G., Ishida M. and Kato I. (1982), “Realization of plane walking by the biped walking robot WL-10R”, Robotic and Manipulator Systems, pp. 283-393.
[4] Takanishi A., Lim H., Tsuda M. and Kato I. (1990), “Realization of dynamic biped walking stabilized by trunk motion on a sagittally uneven surface”, IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems, IROS, pp. 323- 330.
[5] Zheng Y.F. and Shen J. (1990), “Gait synthesis for the SD-2 biped robot to climb sloping surface”. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 6 (1), pp. 86-96.
[6] Shih C.L. and Gruver W. (1992), “Control of a biped robot in the double- support phase”. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. 22 (4), pp. 729-735.
[7] Miller-III W.T. (1994), “Real time neural network control of a biped walking robot”, IEEE Control Systems, pp. 41-48.
[8] Honda Robotics. Robot Development History. https://global.honda/ innovation/robotics/robot-development-history.html. Accessed 03.25.2021. [9] Hirai K., Hirose M., Haikawa Y. and Takenaka T. (1998), “The Development
of Honda Humanoid Robot”, In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, (Leuven, Belgium), pp. 1321-1326. [10] Biped Robot JOHNNIE. https://www.mw.tum.de/en/am/research/completed-
projects/humanoid-robotics/johnnie/. Accessed 03.25.2021.
[11] Yamaguchi J., Soga E., Inoue S. and Takanishi A. (1999) “Development of a bipedal humanoid robot – Control method of whole body cooperative dynamic biped walking”, Proceedings on IEEE International Conference of Robotics and Automatio, pp 368-374.
[12] Honda Robotics. History of ASIMO Development. https://global.honda/ innovation/robotics/ASIMO/history.html. Accessed 03.25.2021.
[13] Sony Develops Small Biped Entertainment Robot. https://www.sony.net/ SonyInfo/News/Press_Archive/200011/00-057E2/. Accessed 03.25.2021. [14] Noriyuki Kanehira I, Toshikazu Kawasaki I, Shigehiko Ohta I, Takakatsu
Isozumi, Tadahiro Kawada I, Fumio Kanehiro, Shuuji Kajita, and Kenji Kaneko (2002), “Design and Experiments of Advanced Leg Module (HRP-2L) for Humanoid Robot (HRP-2) Development”, Procceedings of the 2002 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and System, EPFL, Lausanne. Switzerland, pp. 2455-2460.
[15] Ill-Woo Park, Jung-Yup Kim, Seo-Wook Park and Jun-Ho Oh (2005), “DEVELOPMENT OF HUMANOID ROBOT PLATFORM KHR-2 (KAIST
140
HUMANOID ROBOT 2)”, International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 2, No. 4 (2005), pp. 519-536.
[16] Mahru. https://robots.ieee.org/robots/mahru/. Accessed 03.25.2021. [17] Nao. https://robots.ieee.org/robots/nao/. Accessed 03.25.2021. [18] Tulip. https://robots.ieee.org/robots/tulip/. Accessed 03.25.2021. [19] REEM-B. https://robots.ieee.org/robots/reemb/. Accessed 03.25.2021. [20] Bruno. https://robots.ieee.org/robots/dribbler/. Accessed 03.25.2021. [21] Darwin-OP. https://robots.ieee.org/robots/darwin/. Accessed 03.25.2021. [22] CHARLI. https://robots.ieee.org/robots/charli/. Accessed 03.25.2021. [23] AR-600. https://robots.ieee.org/robots/ar600/. Accessed 03.25.2021. [24] BHR-5. https://robots.ieee.org/robots/bhr/. Accessed 03.25.2021. [25] Valkyrie. https://robots.ieee.org/robots/valkyrie/. Accessed 03.25.2021. [26] Atlas. https://robots.ieee.org/robots/atlas2016/. Accessed 03.25.2021. [27] TALOS. https://robots.ieee.org/robots/talos/. Accessed 03.25.2021. [28] QRIO. https://robots.ieee.org/robots/qrio/. Accessed 03.25.2021.
[29] Jung-Yup Kim, Ill-Woo Park and Jun-Ho Oh (2006), “Experimental realization of dynamic walking of the biped humanoid robot KHR-2 using zero moment point feedback and inertial measurement”, Advanced Robotics, Vol. 20, No. 6, pp. 707-736.
[30] Goswami, Ambarish, Vadakkepat, Prahlad (2019), “ASIMO and Humanoid Robot Research at Honda”, Humanoid Robotics: A Reference II, pp. 55-90. [31] Tad McGeer (1990), “Passive Dynamic Walking”, The International Journal
of Robotics Research, 9, 2, pp. 62-82.
[32] Ching-Long Shih (1996), “Analysis of the Dynamics of a Biped Robot with Seven Degrees of Freedom”, Proceedings of the 1996 IEEE lntemational Conference on Robotics and Automation, Minneapolis, Minnesota - April 1996, pp. 3008-3013.
[33] Ken’ichiro Nagasaka, Hirochika Inoue, Masayuki Inaba (1999), “Dynamic Walking Pattern Generation for a Humanoid Robot Based on Optimal Gradient Method”, IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics - Tokyo, Japan (12-15 Oct. 1999), pp. 908-913.
[34] Ching-Long Shih (1999), “Ascending and Descending Stairs for a Biped Robot”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics – Part A: Systems and Humands, Vol. 29, No. 3, May 1999, pp. 255-268.
[35] Hasegawa Y., Arakawa T. and Fukuda F. (2000), “Trajectory generation for a biped locomotion robot”, Mechatronics, (10), pp. 67-89.
[36] Ahmad Bagheri, Farid Najafi, Reza Farrokhi, Rahman Yousefi Moghaddam, Mohammad Ebrahim Felezi (2006), “Design, Dynamic moification, and Adaptive control of a new biped walking robot”, International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 3, No. 1, pp. 105–126.
[37] Jung-Yup Kim, Ill-Woo Park and Jun-Ho Oh (2007), “Walking Control Algorithm of Biped Humanoid Robot on Uneven and Inclined Floor”, Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 48, Iss. 4, pp. 457-484.
141
[38] Stefan Czarnetzki, Sören Kerner, Oliver Urbann (2009), “Observer-based dynamic walking control for biped robots”, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 57, pp.839-845.
[39] David J. Braun and Michael Goldfarb (2009), “A Control Approach for Actuated Dynamic Walking in Biped Robots”, IEEE Transactions on Robotics, Vol. 25, No. 6, pp. 1292-1303.
[40] C. Hernández-Santos, E. Rodriguez-Leal, R. Soto and J.L. Gordillo (2012), “Kinematics and Dynamics of a New 16 DOF Humanoid Biped Robot with Active Toe Joint”, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 9, Iss. 5, pp. 1-12.
[41] Hanafiah Yussof (2012), “Biped Locomotion of a 21-DOF Humanoid Robot for Application in Real Environment”, International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors, Vol. 41, pp. 1566-1572.
[42] Xh. Bajrami, A. Dermaku, A. Shala and R. Likaj (2013), “Kinematics and dynamics modelling of the biped robot”, 15th Workshop on International Stability, Technology, and Culture, The International Federation of Automatic Control, June 6-8, 2013. Prishtina, Kosovo, pp. 69-73.
[43] Jae Hoon Lee, Shingo Okamoto, Hisashi Koike and Keiya Tani (2014), “Development and motion control of a biped walking robot based on passive walking theory”, Artificial Life and Robotics, Vol. 19, Iss. 1, pp. 68–75. [44] Nikolaos Kofinas, Emmanouil Orfanoudakis, Michail G and Lagoudakis
(2014) “Complete Analytical Forward and Inverse Kinematics for the NAO Humanoid Robot”, Journal of Intelligent & Robotic Systems, Vol. 77, Iss 2. [45] Muhammad Rameez and Dr. Liaquat Ali Khan (2015), “Modeling and
Dynamic Analysis of the Biped Robot”, 15th International Conference on Control, Automation and Systems, Oct. 13-16, 2015 Busan, Korea, pp. 1149- 1153.
[46] Chegu Viswanadh, Abhishek Sarkar and Pramod Sreedharan (2018), “Kinematic and dynamic simulation of biped robot locomotion on multi- terrain surfaces”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 577, pp. 1-10.
[47] Joao Ramos and Sangbae Kim (2019), “Dynamic locomotion synchronization of bipedal robot and human operator via bilateral feedback teleoperation”, Science Robotics, Vol. 4, Iss 35, pp. 1-12.
[48] Eduardo Corral, M.J. Gómez García, Cristina Castejon, Jesús Meneses and Raúl Gismeros (2020), “Dynamic Modeling of the Dissipative Contact and Friction Forces of a Passive Biped-Walking Robot”, Applied Sciences, Vol. 10, Iss. 7, pp. 1-16.
[49] Ravi Kumar Mandava and Pandu Ranga Vundavilli (2018), “Near Optimal PID Controllers for the Biped Robot While Walking on Uneven Terrains”, International Journal of Automation and Computing, 15, pp. 689–706.
[50] Safa Bouhajar, Elyes Maherzi, Nahla Khraief, Mongi Besbes, Safya Belghith (2015), “Trajectory Generation using Predictive PID Control for Stable Walking Humanoid Robot”, Procedia Computer Science, 72, pp. 86–93.
142
[51] Liaquat Ali Khan, Juwairiyah Naeem, Umar Khan, S. Zahid Hussain (2008), “PID control of a biped robot”, 8th Wseas International Conference on Robotics, Control and Manufacturing Technology, Hangzhou, China, April 6- 8, 2008, pp. 156-160.
[52] Ching-Long Shih, William A. Gruver and Yun Zhu (1991), “Fuzzy Logic Force Control for a Biped Robot”, Proceedings of the 1991 IEEE lntematiaul Sympos on lntelligent Control, 13 - 15 August 1991. Arlington. Virginia. U.S.A, pp. 269-274.
[53] Metin Yılmaz, Utku Seven and Kemalettin Erbatur (2010), “Biped Robot Walking Control on Inclined Planes with Fuzzy Parameter Adaptation”, Adaptation and Learning in Control and Signal Processing, Antalya, Turkey, August 26-28, 2010, pp. 1-6.
[54] Arif Ankarali (2012), “Fuzzy Logic Velocity Control of a Biped Robot Locomotion and Simulation”, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 9, pp. 1-10.
[55] Tran Huu Luat and Yong-Tae Kim (2017), “Fuzzy Control for Walking Balance of the Biped Robot Using ZMP Criterion”, International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 4, No. 2, pp. 1-12.
[56] Tao Geng, Bernd Porr and Florentin Wörgötter (2006), “A Reflexive Neural Network for Dynamic Biped Walking Control”, Neural Computation, Vol. 18, pp. 1156-1196.
[57] Wu Yilei, Song Qing and Yang Xulei (2007), “Robust Recurrent Neural Network Control of Biped Robot”, Journal Intelligent Robot System, Vol. 49, pp. 151–169.
[58] N. Bigdeli, K. Afshar, B.I. Lame and A. Zohrabi (2008), “Modelling of a Five- Link Biped Robot Dynamics Using Neural Networks”, Journal of Applied Sciences, Vol. 8, No. 20, pp. 3612-3620.
[59] J. K. Rai, V. P. Singh, R. P. Tewari, and D. Chandra (2012), “Artificial Neural Network Controllers for Biped Robot”, 2012 2nd International Conference on Power, Control and Embedded Systems, pp. 625-630.
[60] Changyin Sun, Wei He, Weiliang Ge and Cheng Chang (2016), “Adaptive Neural Network Control of Biped Robots”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems, pp. 1-12.
[61] Van-Tinh Nguyen, Tam Bui, and Hiroshi Hasegawa (2016), “A Gait Generation for Biped Robot Based on Artificial Neural Network and Improved Self-Adaptive Differential Evolution Algorithm”, International Journal of Machine Learning and Computing, Vol. 6, No. 6, pp. 260-266.
[62] Sayantan Auddy, Sven Magg and Stefan Wermter (2019), “Hierarchical Control for Bipedal Locomotion using Central Pattern Generators and Neural Networks”, Proceedings of the Joint IEEE International Conference on Development and Learning and on Epigenetic Robotics, Oslo, Norway, Aug. 19-22, 2019, pp. 13-18.
[63] Trần Thiện Chí, Chu Bá Long, Nguyễn Tấn Tiến (2015), “Nghiên cứu động hoc, động lực học và mô phỏng quỹ đạo đi của biped robot trong thời gian thực”, Kỷ yếu hội nghị, Hội nghị toàn quốc Máy và Cơ cấu 2015, pp. 111-130.
143
[64] Tran Thien Huan, Ho Pham Huy Anh (2019). “Optimal Stable Gait for Nonlinear Uncertain Humanoid Robot Using Central Force Optimization Algorithm”, Journal of Engineering Computations, Vol. 36, Issue. 2, pp. 599- 621.
[65] Tran Thien Huan, Cao Van Kien, Ho Pham Huy Anh, Nguyen Thanh Nam (2019), “Adaptive Gait Generation for Biped Robot Using Evolutionary Neural Model Optimized with Modified Differential Evolution”, Neurocomputing, Volume 320, pp. 112-120.
[66] Nguyễn Văn Khang (2007), “Động lực học hệnhiều vật”. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[67] Nguyễn Thiện Phúc (2003), “Robot công nghiệp”, NXB Khoa học Kỹthuật, Hà nội.
[68] Nguyễn Mạnh Tiến (2007), “Điều khiển robot công nghiệp”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[69] Phan Bùi Khôi (2009), “Robotics”, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[70] J. J. Craig (2005), “Introduction to Robotics: Mechanics and Control”, Pearson Prentice Hall, New Jersey.
[71] R.J. Schilling (1990), “Fundamentals of robotics, Analysis and Control”, Prentice hall, Englewood Cliffs, New Jersey.
[72] L. Sciavicco, B. Siciliano (2000), “Modelling and Control of Robot Manipulators (2nd Edition)”, Springer-Verlag, London.
[73] Bruno Siciliano, Lorenzo Sciavicco (2009), Luigi Villani, Giuseppe Oriolo “Robotics Modelling, Planning and Control”, Springer-Verlag, London. [74] R. Zhang and P. Vadakkepat (2021), “Motion Planning of Biped Robot
Climbing Stairs”. Available online: http://ai.stanford.edu/~rxzhang/ Motion%20Planning%20of%20Biped%20Robot%20Climbing.pdf. Accessed 03.25.2021.
[75] V.H. Dau, C.M. Chew, A.N. Poo (2008), “Optimized Joint-Torques Trajectory Planning for Bipedal Walking Robots”, In Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics, Automation and Mechatronics, Chengdu, China, 21-24 September 2008.
[76] Q. Huang and H. Arai (2021), “Planning Walking Patterns for a Biped Robot”, IEEE Trans. Robot. Autom., Vol 17, pp. 280–289.
[77] K. Hashimoto, Y. Takezaki, Hu.Lim, A. Takanishi (2017), “Walking stabilization based on gait analysis for biped humanoid robot”, Adv. Robot, Vol. 27, pp. 541-551.