Cùng với sự phát triển của xã hội, các robot cũng càng ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng góp nhiều cho nền sản xuất. Cùng với đó, các chiến lược điều khiển robot cũng cần được cải tiến liên tục nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của thời đại mới. Trong chương này, thuật toán điều khiển trượt mờ cho robot song song đã được đề xuất áp dụng. Bộ điều khiển đã đem lại các ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển trượt đặc biệt là áp dụng cho các hệ phi tuyến như robot song song. Thuật toán điều khiển được thiết kế dựa trên mơ hình động lực của robot song song có bao gồm mơ tả động cơ dẫn động. Điều này giúp cho q trình mơ phỏng được chính xác hơn, sát với thực tế hơn. Các kết quả mơ phỏng số trên Matlab đã cho thấy tính hiệu quả của thuật toán đề xuất.
Các nội dung trình bày trong chương này đã được tác giả đã công bố trong các
105
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Nội dung chính của luận án
Động lực học và điều khiển robot song song luôn là một phần giữ vài trị quan trọng quyết định đến độ chính xác đáp ứng vị trí và hướng của bàn máy động trên robot song song. Đây là lĩnh vực đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm của các tác giả trên thế giới. Luận án đã sử dụng các lý thuyết cơ bản về động học, động lực học hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng để phát triển các nội dung nghiên cứu mới cho robot song song.
Quá trình nghiên cứu động lực học cho robot song song, các nhà nghiên cứu thường sử dụng các hệ chương trình tính tốn động lực học hệ nhiều vật như Adams hay Simpack tính tốn một số dạng bài tốn cụ thể của hệ. Hoặc cũng có thể sử dụng phương pháp tổng quát hơn đó là sử dụng các phần mềm số như Maple, Matlab để giải các phương trình vi phân chuyển động của hệ. Đây cũng chính là phương pháp được lựa chọn sử dụng cho các nội dung nghiên cứu của luận án.
Quá trình nghiên cứu điều khiển robot song song, các nhà nghiên cứu vẫn thường sử dụng phương pháp phân tích động lực học kết hợp với các thơng tin đo đạc trên hệ thực tế làm cơ sở ra quyết định điều khiển khâu thao tác. Ngoài ra, phương án sử dụng phân tích động học để đưa ra các biến trung gian hỗ trợ điều khiển cũng đã được trình bày.
Luận án gồm năm chương. Chương một trình bày một số vấn đề tổng quan chung và định hướng nghiên cứu. Chương hai trình bày về động học và phân tích kỳ dị robot song song. Trong chương này giải pháp vượt kỳ dị động học đã được đưa ra và kiểm chứng qua việc mô phỏng số. Chương ba động lực học robot song song có kể đến ảnh hưởng của động cơ dẫn động được trình bày, việc này đã đưa ra được mơ hình động lực học sát với thực tế hơn giúp cho việc điều khiển robot đạt được chất lượng tốt hơn. Chương bốn trình bày về giải pháp điều khiển trượt cho robot song song trong không gian thao tác. Chương năm trình bày về bộ điều khiển trượt mờ nhằm kết hợp các ưu điểm của cả hai dạng điều khiển thuật toán đề xuất. Các tham số của bộ điều khiển đã được tối ưu bằng thuật toán di truyền để đem lại chất lượng điều khiển tốt nhất. Các kết quả mơ phỏng số đã chứng minh tính ưu việt của thuật tốn đề xuất.
2. Các đóng góp mới của luận án
106
1. Luận án đã đưa ra cơ sở xây dựng mơ hình động lực học của robot song song có kể đến động cơ dẫn động. Các yếu tố động lực học của chúng có ảnh hưởng tới chuyển động chung của robot. Việc mơ tả này giúp cho mơ hình động lực học mơ tả sát thực với thực tế hơn, q trình thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hoạt động của robot chính xác hơn các mơ hình khơng mơ tả đầy đủ.
2. Phân tích kỳ dị và giải pháp vượt kỳ dị động học, động lực học cho robot song song được tác giả đề xuất và thực nghiệm số. Trong đó, định thức của ma trận Jacobi được tính tốn để nhận biết vùng lân cận điểm kỳ dị, sau đó thuật tốn đề xuất được áp dụng khi robot đi vào vùng này. Điều này giúp cho robot có thể di chuyển trong khơng gian làm việc một cách trơn tru.
3. Điều khiển robot song song trực tiếp từ không gian thao tác đã được giải quyết. Đây là dạng điều khiển với các tín hiệu phản hồi là thông tin từ không gian thao tác nên giúp cho việc điều khiển trở nên thuận tiện hơn cho người sử dụng. Nội dung nghiên cứu đã góp phần hồn thiện hơn nữa cơ sở lý thuyết cho các tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển robot song song.
4. Giải pháp ước lượng tham số động học trên robot song song đã được trình bày nhằm thu thập các thông tin về biến khớp bị động trên robot. Trong một số trường hợp, việc thu thập tất cả thông tin thực tế về tọa độ suy rộng dư khó đạt được vì một số vị trí khó lắp đặt cảm biến như encoder, hoặc từ các yêu cầu giảm giá sản phẩm. Giải pháp đem lại cho những nhà thiết kế robot song song thêm một sự lựa chọn hữu ích trong việc thu thập thơng tin điều khiển trên robot.
5. Một thuật tốn điều khiển trượt mờ cho rô bốt song song đã được trình bày. Sự kết hợp giữa điều khiển trượt và điều khiển mờ đã khắc phục được nhược điểm của điều khiển trượt đồng thời duy trì ưu điểm của chúng trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến phức tạp như rô bốt song song. Bộ điều khiển kết hợp trượt mờ có thể khắc phục sự bất định và nhiễu trên rô bốt, đồng thời duy trì chất lượng tốt cho hoạt động của rơ bốt song song.
Các thực nghiệm số trên robot song song phẳng 3RRR đã minh chứng cho các nội dung được đề cập tương ứng trong luận án.
3. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo
Những nghiên cứu trong luận án sẽ là tiền đề để tác giả có thể phát triển hơn nữa trong các nội dung bao gồm:
1. Nghiên cứu động lực học và điều khiển cho các loại robot song song có khớp mềm.
2. Điều khiển robot song song dựa trên thị giác máy.
3. Nghiên cứu động lực học và điều khiển robot song song có khâu đàn hồi. 4. Điều khiển robot song song không gian, dư đẫn động.
107
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyễn Quang Hoàng và Vũ Đức Vương (2015). Ứng dụng thuật giải di truyền
trong bài toán động học ngược robot chuỗi và song song. Hội nghị toàn quốc lần
thứ ba về Điều khiển và Tự động hóa, p.257-263.
2. Nguyễn Quang Hồng, Vũ Đức Vương và Nguyễn Văn Quyền (2016). Mơ hình hóa
và điều khiển robot song song dẫn động bằng động cơ điện một chiều trong không
gian thao tác. Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động
hóa, Hà Nội, 65–72.
3. N.Q. Hoang, V.D. Vuong, N.V. Quyen (2016). Modeling and Model-Based
Controller Design for 3RRR Planar Parallel Robots Driven by DC Motors in Joint
Space. The 4th International Conference on Engineering Mechanics and
Automation (ICEMA 4), 114–123.
4. Nguyễn Quang Hoàng, Vũ Đức Vương và Nguyễn Tùng Lâm (2017). Vượt kỳ dị
trong mô phỏng động lực học robot song song sử dụng không gian bù của ma trận Jacobi. Hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ X, 182–192.
5. N.Q. Hoang, V.D. Vuong (2017). Sliding mode control for a Planar parallel robot
driven by electric motors in a task space. Journal of Computer Science and
Cybernetics, 33(4), 325–337.
6. Nguyễn Quang Hoàng, Vũ Đức Vương và Nguyễn Tùng Lâm (2017). Phân tích động
học và kỳ dị các robot song song phẳng ba bậc tự do. Hội nghị cơ học toàn quốc lần
thứ X, 193–202.
7. Nguyễn Quang Hoàng, Vũ Đức Vương và Nguyễn Tùng Lâm (2018). Điều khiển robot
song song phẳng 3RRR dựa trên mơ hình động lực và bộ ước lượng động học. Hội
Nghị Khoa Học Và Cơng Nghệ Tồn Quốc Về Cơ Khí Lần Thứ V - VCME 2018, Hà
Nội, 1192–1202.
8. N.Q. Hoang, V.D. Vuong (2019). Controller design based on a kinematic estimator
for a 3rrr planar parallel robot driven by electric motors. Vietnam Journal of Science
and Technology, 57(4A), 95–106.
9. N.Q. Hoang, V.D. Vuong (2019). Differential Equations of Motion in Matrix Form
of a Multibody System Driven by Electric Motors. Vietnam Journal of Mechanics, 41(4).
10. V.D. Vuong, N.Q. Hoang, N.T. Duy (2019). Control Parallel Robots Driven by DC
Motors Using Fuzzy Sliding Mode Controller and Optimizing Parameters by Genetic Algorithm. Advances in Engineering Research and Application, 202–214.
11. Nguyễn Quang Hoàng, Nguyễn Tùng Lâm và Vũ Đức Vương (2019). Điều khiển
robot song song dẫn động bằng động cơ một chiều sử dụng bộ điều khiển trượt mờ.
108
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] J. E. Gwinnett (1931), “Amusement device, Patent 1789680.” Google Patents. [2] V. E. Gough (1957), “Contribution to discussion of papers on research in
automobile stability, control and tyre performance,” Proc. of Auto Div. Inst.
Mech. Eng., vol. 171, pp. 392–395.
[3] D. Stewart (1965), “A platform with six degrees of freedom,” Proceedings of the institution of mechanical engineers, vol. 180, no. 1, pp. 371–386.
[4] R. Clavel (1988), “A fast robot with parallel geometry,” in Proc. Int.
Symposium on Industrial Robots, 1988, pp. 91–100.
[5] Siciliano and Khatib (2008), Springer Handbook of Robotics. Springer, 2008. [6] S. Y. Nof (1999), Handbook of industrial robotics, vol. 1. John Wiley & Sons,
1999.
[7] Y. D. Patel and P. M. George (2012), “Parallel manipulators applications—a
survey,” Modern Mechanical Engineering, vol. 2, no. 03, p. 57.
[8] J.-P. Merlet (2006), Parallel Robots, vol. 208, no. 49. Springer Science &
Business Media, 2006. doi: 10.1007/1-4020-4133-0.
[9] J. Wang, C. Wu, and X.-J. Liu (2010), “Performance evaluation of parallel
manipulators: Motion/force transmissibility and its index,” Mechanism and
Machine Theory, vol. 45, no. 10, pp. 1462–1476.
[10] H. D. Taghirad (2013), Parallel robots: mechanics and control, vol. 208, no. 49. CRC press, 2013. doi: 10.1007/1-4020-4133-0.
[11] M. Wapler, V. Urban, T. Weisener, J. Stallkamp, M. Dürr, and A. Hiller (2003), “A Stewart platform for precision surgery,” Transactions of the Institute of Measurement and Control, vol. 25, no. 4, pp. 329–334.
[12] R. Kelly, V. Davila, and J. Perez (2006), Control of robot manipulators in joint
space. Springer, 2006. doi: 10.1007/b135572.
[13] S. Liu, Z. Qiu, and X. Zhang (2017), “Singularity and path-planning with the
working mode conversion of a 3-DOF 3-RRR planar parallel manipulator,”
Mechanism and Machine Theory, vol. 107, pp. 166–182, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.09.004.
[14] I. A. Bonev and C. M. Gosselin (2002), “Geometric analysis of parallel
109
[15] C. Gosselin and J. Angeles (1990), “Singularity analysis of closed-loop
kinematic chains,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 6, no.
3, pp. 281–290, doi: 10.1109/70.56660.
[16] O. Ma and J. Angeles (1991), “Architecture singularities of platform
manipulators,” in Proceedings. 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1991, pp. 1542–1547 vol.2. doi:
10.1109/ROBOT.1991.131835.
[17] D. Zlatanov, R. G. Fenton, and B. Benhabib (1994), “Analysis of the
instantaneous kinematics and singular configurations of hybrid-chain manipulators,” in 23rd ASME Biennial Mechanisms Conference, 1994, pp. 11–
14.
[18] D. Zlatanov, I. A. Bonev, and C. M. Gosselin (2002), “Constraint singularities
of parallel mechanisms,” in International Conference on Robotics and Automation , 2002, vol. 1, pp. 496–502 vol.1. doi: 10.1109/ROBOT.2002.1013408.
[19] D. Zlatanov, R. G. Fenton, and B. Benhabib (1994), “Singularity analysis of
mechanisms and robots via a velocity-equation model of the instantaneous kinematics,” in Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1994, pp. 986–991 vol.2. doi:
10.1109/ROBOT.1994.351325.
[20] M.-H. Perng and L. Hsiao (1999), “Inverse Kinematic Solutions for a Fully
Parallel Robot with Singularity Robustness,” The International Journal of
Robotics Research, vol. 18, no. 6, pp. 575–583, doi: 10.1177/02783649922066402.
[21] C. W. Wampler (1986), “Manipulator Inverse Kinematic Solutions Based on
Vector Formulations and Damped Least-Squares Methods,” IEEE
Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 16, no. 1, pp. 93–101, doi: 10.1109/TSMC.1986.289285.
[22] A. A. Maciejewski and C. A. Klein (1989), “The singular value decomposition:
Computation and applications to robotics,” The International journal of
robotics research, vol. 8, no. 6, pp. 63–79, doi: 10.1177/027836498900800605. [23] J.-P. Merlet (1989), “Singular configurations of parallel manipulators and
Grassmann geometry,” The international journal of robotics research, vol. 8,
110
[24] F. C. Park and J. W. Kim (1999), “Singularity analysis of closed kinematic
chains,” Transactions-American Society Of Mechanical Engineers Journal Of
Mechanical Design, vol. 121, pp. 32–38.
[25] O. Bohigas, M. Manubens, and L. Ros (2017), Singularities of Robot
Mechanisms: Numerical Computation and Avoidance Path Planning, vol. 41.
Springer, 2017. doi: 10.1007/978-3-319-32922-2.
[26] D. Van Phong and N. Q. Hoang (2012), “Singularity-free simulation of closed
loop multibody systems by using null space of Jacobian matrix,” Multibody
System Dynamics, vol. 27, no. 4, pp. 487–503, doi: 10.1007/s11044-011-9291-6.
[27] J. G. De Jalon and E. Bayo (2012), Kinematic and dynamic simulation of
multibody systems: the real-time challenge. Springer Science & Business
Media, 2012.
[28] L.-W. Tsai (1999), Robot analysis: the mechanics of serial and parallel manipulators. John Wiley & Sons, 1999.
[29] R. M. Murray, Z. Li, S. S. Sastry, and S. S. Sastry (1994), A mathematical
introduction to robotic manipulation. CRC press, 1994.
[30] T. R. Kane and D. A. Levinson (1985), Dynamics, theory and applications. McGraw Hill, 1985.
[31] Nguyễn Văn Khang (2007), Động lực học hệ nhiều vật. NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007.
[32] O. Castillo and P. Melin (2008), “Type-2 Fuzzy Logic: Theory and
Applications,” Springer-Verlag.
[33] H. C. Huang, C. M. Chu, and J. S. Pan (2009), “The optimized copyright
protection system with genetic watermarking,” Soft. Comput, pp. 333–343.
[34] O. Castillo and P. Melin (2003), “Soft Computing and Fractal Theory for
Intelligent Manufacturing,” Springer-Verlag.
[35] N. Van Khang and N. P. Dien (2007), “Balancing conditions of spatial
mechanisms,” Mechanism and Machine Theory, vol. 42, no. 9, pp. 1141–1152,
doi: https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2006.08.007.
[36] N. van Khang, N. P. Dien, and H. M. Cuong (2009), “Linearization and
parametric vibration analysis of some applied problems in multibody systems,”
Multibody System Dynamics, vol. 22, no. 2, pp. 163–180, doi: 10.1007/s11044-009-9156-4.
111
[37] N. Van Khang, N. Q. Hoang, N. D. Dung, and N. Van Quyen (2016), “Model-
based Control of a 3-PRS Spatial Parallel Robot in The Space of Redundant Coordinates,” Journal of Science & Technology, vol. 112, pp. 049–053.
[38] Đinh Văn Phong và Đỗ Trần Thắng (2009), “Vấn đề tương tác của Robot với
môi trường trong không gian làm việc làm việc,” Hội nghị cơ học toàn quốc.
[39] Nguyễn Quang Hồng (2009), “Về bài tốn nhận dạng động học và động lực
học rôbốt công nghiệp,” Tuyển tập Hội nghị khoa học cơng nghệ cơ khí chế
tạo tồn quốc lần thứ hai.
[40] N. P. Dien and N. Van Khang (2012), Dynamic force analysis of a six-link
planar mechanism under consideration of friction at the joints, vol. 26. 2012.
doi: 10.15625/0866-7136/26/2/5690.
[41] N. C. Ho and H. Nam (1999), “A theory of refinement structure of hedge
algebras and its applications to fuzzy logic,” Banach Center Publications, vol.
46, no. 1, pp. 63–91.
[42] N. C. Ho and W. Wechler (1992), “Extended hedge algebras and their
application to fuzzy logic,” Fuzzy Sets and Systems, vol. 52, no. 3, pp. 259–
281, doi: http://dx.doi.org/10.1016/0165-0114(92)90237-X.
[43] S. Algermissen and M. Sinapius (2010), “Robust gain scheduling for smart-
structures in parallel robots,” in Robotic Systems for Handling and Assembly,
Springer, 2010, pp. 159–174.
[44] S. Algermissen, R. Keimer, M. Rose, E. Breitbach, and H. P. Monner (2005), “Applied robust control for vibration suppression in parallel robots,” in
Proceedings of 22nd International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), 2005, pp. 1–8.
[45] Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Đình Dũng, Nguyễn Văn Quyền (2016), “Điều
khiển bám quỹ đạo robot song song Delta khơng gian 3-PRS dựa trên mơ hình hệ các phương trình vi phân đại số,” Hội nghị toàn quốc về Cơ điện tử 2016
(VCM2016).
[46] Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỳ (2011), Cơ sở Robot Công nghiệp. NXB Khoa học Kỹ thuật, 2011.
[47] N. Van Khang and N. P. Dien (2007), “Balancing conditions for spatial
mechanisms,” Mechanism and Machine Theory, vol. 22, no. 9, pp. 1141–1152,
112
[48] N. Van Khang (2011), “Kronecker product and a new matrix form of
Lagrangian equations with multipliers for constrained multibody systems,”
Mechanics Research Communications, vol. 38, no. 4, pp. 294–299, doi: https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2011.04.004.
[49] Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Thành Cơng “Về hai phương pháp giải bài tốn
động lực học ngược robot song song,” in Hội nghị toàn quốc lần 6 về cơ điện
tử VCM 2012, pp. 574–583.
[50] Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Văn Quyền (2015), “Nghiên cứu so sánh một vài
phương pháp giải hệ phương trình vi phân-đại số của hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vòng,” 2015.
[51] Đỗ Sanh, Đinh Văn Phong, Đỗ Đăng Khoa (2015), “Khảo sát động lực học của
cơ cấu Quick – Return,” Hội nghị Khoa học và Cơng nghệ tồn quốc về cơ khí
lần 4, pp. 803–811.
[52] D. Sanh (2015), “A method for solving the motion equations of constrained
systems,” 2015.
[53] C. A. My (2016), “Inverse kinematics of a serial-parallel robot used in hot
forging process,” Vietnam Journal of Mechanics, vol. 38, no. 2, pp. 81–88.
[54] C. A. My and M. Parnichkun (2015), “Kinematics performance and structural
analysis for the design of a serial-parallel manipulator transferring a billet for a hot extrusion forging process,” International Journal of Advanced Robotic
Systems, vol. 12, no. 12, p. 186.
[55] C. A. My and V. T. Trung (2016), “Design Analysis for a Special Serial-
Parallel Manipulator Transferring Billet for Hot Extrusion Forging Process,”
Vietnam Journal of Science and Technology, vol. 54, no. 4, p. 545.
[56] Lê Hoài Quốc, Nguyễn Minh Thạnh (2012), “Phân tích cấu hình đặc biệt của
cơ cấu song song dùng tọa độ Plucker,” Hội nghị toàn quốc lần 6 về cơ điện tử
VCM 2012, pp. 187–194.
[57] Lê Hoài Quốc, Nguyễn Minh Thạnh (2011), “Mơ hình hóa cơ hệ tay máy song
song và xây dựng trung tâm gia công trên máy phay CNC 5 trục ảo, Hội nghị toàn quốc lần 1 về Điều khiển và Tự động hóa VCCA-2011,” Hội nghị tồn
quốc lần 1 về Điều khiển và Tự động hóa VCCA-2011, pp. 200–206.