(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động(Luận án tiến sĩ) Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động
Trang 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 PGS.TS Phan Bùi Khôi
2 PGS.TS Trần Đức Trung
Hà Nội – 2022
Trang 3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động” do tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và PGS.TS Trần Đức Trung Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào
Hà Nội, ngày tháng năm Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh
PGS.TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Trần Đức Trung Nguyễn Xuân Hồng
Trang 4
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên cho phép nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS Phan Bùi Khôi, PGS.TS Trần Đức Trung đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình không biết mệt mỏi của các thầy đã giúp nghiên cứu sinh vượt qua những khó khăn, hạn chế để có thể hoàn thành luận án này
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô, cán bộ và lãnh đạo
Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí, Phòng đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ, hướng dẫn nghiên cứu sinh trong thời gian nghiên cứu thực hiện luận án
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp
đã giúp đỡ chỉ bảo, đóng góp ý kiến giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH Phần mềm HICAS đã tạo điều kiện giúp nghiên cứu sinh có thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án này Cuối cùng nghiên cứu sinh xin dành sự biết ơn tới vợ, các con, bố, mẹ, anh, chị
em, những người thân trong gia đình, dòng tộc luôn luôn quan tâm, động viện, ủng
hộ, hy sinh, tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này
Hà Nội, ngày tháng năm
NGHIÊN CỨU SINH
Nguyễn Xuân Hồng
Trang 5
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5
1.1 Tổng quan về robot di động hai chân 5
1.1.1 Giới thiệu về robot di động hai chân 5
1.1.2 Sự phát triển của robot di động hai chân 5
1.1.3 Các ứng dụng của robot di động hai chân 11
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 13
1.2.1 Cấu trúc robot di động hai chân 13
1.2.2 Những vấn đề khoa học liên quan đến robot di động hai chân 16
1.2.3 Những nghiên cứu liên quan đến robot di động hai chân 18
1.3 Các nội dung nghiên cứu trong luận án 21
1.3.1 Mô hình robot di động hai chân 21
1.3.2 Các bài toán động học, động lực học và thiết kế quỹ đạo 24
1.3.3 Các bài toán áp dụng các phương pháp điều khiển 24
Kết luận Chương 1 25
CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN 26
2.1 Khảo sát động học robot di động hai chân 26
2.1.1 Phương trình động học robot di động hai chân 26
2.1.2 Phương trình động học robot di động hai chân chuyển động phẳng 31 2.1.3 Khảo sát các bài toán động học 33
2.1.4 Khảo sát các bài toán vận tốc 34
2.1.5 Khảo sát các bài toán gia tốc 35
2.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot di động hai chân 36
2.2.1 Mô tả chuyển động bước đi của robot di động hai chân 36
2.2.2 Các phương pháp xây dựng quỹ đạo bước đi cho robot 39
2.2.3 Tính toán quỹ đạo chuyển động của robot 44
2.3 Phương pháp giải bài toán động học 47
2.3.1 Thuật giải bài toán động học thuận 47
2.3.2 Thuật giải bài toán động học ngược 47
2.3.3 Kết quả mô phỏng số bài toán động học ngược 50
Kết luận Chương 2 55
CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN 56
3.1 Xây dựng mô hình động lực học robot 56
3.1.1 Các mô hình động lực học của robot di đông hai chân 56
3.1.2 Hệ tọa độ khảo sát động lực học 58
3.2 Thiết lập phương trình động lực học 60
Trang 6
3.2.1 Phương trình động lực học dạng ma trận 60
3.2.2 Các đại lượng động lực học 61
3.3 Các bài toán động lực học và thuật giải 67
3.3.1 Bài toán động lực học thuận 67
3.3.2 Bài toán động lực học ngược 67
3.3.3 Thuật giải các bài toán động lực học 67
3.3.4 Kết quả mô phỏng số động lực học ngược robot di động hai chân 69
Kết luận Chương 3 72
CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN 73
4.1 Điều khiển robot bằng phương pháp kinh điển 73
4.1.1 Cơ sở điều khiển robot 73
4.1.2 Áp dụng điều khiển PID+ĐLH ngược cho robot di động hai chân 75
4.2 Điều khiển robot dựa trên lý thuyết mờ 77
4.2.1 Giới thiệu về logic mờ 78
4.2.2 Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ 80
4.2.3 Áp dụng điều khiển mờ cho robot di động hai chân 81
4.3 Điều khiển robot sử dụng đại số gia tử 85
4.3.1 Giới thiệu về đại số gia tử 85
4.3.2 Xây dựng bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 89
4.3.3 Áp dụng bộ điều khiển đại số gia tử cho robot di động hai chân 90
4.4 Điều khiển robot dựa trên mạng noron 93
4.4.1 Giới thiệu mạng noron 93
4.4.2 Thiết kế bộ điều khiển noron cho robot di động 99
4.5 Điều khiển tích hợp 101
Kết luận Chương 4 102
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ 103
5.1 Mô tả thông số và chuyển động mô phỏng của robot 103
5.2 Kết quả mô phỏng điều khiển robot di động hai chân 105
5.2.1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược 105
5.2.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ 118
5.2.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển đại số gia tử 127
5.2.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển noron 130
5.2.5 Đánh giá kết quả của các bộ điều khiển 133
5.3 Xây dựng chương trình mô phỏng robot di động 134
5.3.1 Cấu trúc chương trình mô phỏng 134
5.3.2 Chương trình mô phỏng robot di động 135
Kết luận Chương 5 136
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 139
Trang 7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải
( , )
f p q Hệ phương trình động học dạng ma trận
f Vector các phương trình động học
q Vector tham số động học robot
p Vector thông số trạng thái robot
J Đạo hàm ma trận Jacobian J p theo thời gian t
T Thời gian robot đi hết một chu kỳ bước đi
s Khoảng cách giữa hai tâm bàn chân
G q Vector lực suy rộng của các lực có thế
Q Vector lực suy rộng của các lực không thế
U Vector lực suy rộng của các lực/momen dẫn động
Trang 8I Mô men quán tính của khâu i đối với các trục z và x
(k l j , ; ) Ký hiệu Christofel 3 chỉ số loại 1
kl
m Phần tử thứ k, l của ma trận khối lượng M(q)
j
G Lực suy rộng của các lực có thế của khâu j
Thế năng của robot
Lực dẫn động hoặc momen dẫn động tại các khớp
e Vector sai lệch tọa độ
Trang 9AE Đại số gia tử của sai số tọa độ
ADE Đại số gia tử của sai số vận tốc
AU Đại số gia tử của lượng điều chỉnh momen
ANN Artificial Neural Networks
ASIMO Advanced Step in Innovative Mobility
BARt-UH Bipedal Autonomous Robot - Universität Hannover BIPMAN BIPedal walking MAchiNe
Trang 10
FRBCs Fuzzy rule based classifiers
GD Gradient Descent
HA Hedge Algebras
HAC Hedge Algebras Control
HRP Human Robot Project
MCIWO modified chaotic invasive weed optimization METI The Ministry of Economy, Trade and Industry
PD Proportional Derivative
PID Proportional Integral Derivative
PSO particle swarm optimization
QRIO Quest for Curiosity
SAM Semantic Associative Memory
SDR Sony Dream Robot
SQM Semantically Quantifying Mapping
WL-1 Waseda Leg - 1
WL-3 Waseda Leg - 3
WL-5 Waseda Leg - 5
WL-12 Waseda Leg - 12
WL-12RIII Waseda Leg 12 Refined III
ZMP Zero Moment Point
Trang 11
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tham số động học của chân trái robot 28
Bảng 2.2 Tham số động học của chân phải robot 28
Bảng 2.3 Thông số bước đi của robot 42
Bảng 2.4 Kích thước động học của robot chuyển động phẳng 53
Bảng 3.1 Thông số động học của robot chuyển động phẳng 69
Bảng 3.2 Thông số động lực học của robot di động hai chân 69
Bảng 3.3 Tenxơ quán tính của các khâu robot di động hai chân 70
Bảng 4.1 Miền vật lý, tập mờ, giá trị ngôn ngữ của tín hiệu vào ra 82
Bảng 4.2 Hệ luật mờ cho bộ điều khiển mờ - Bảng FAM 83
Bảng 4.3 Cơ sở luật đại số gia tử - Bảng SAM 92
Bảng 4.4 Bộ trọng số khởi tạo của mạng noron 100
Bảng 5.1 Thông số kích thước của robot di động hai chân 103
Bảng 5.2 Tham số động lực học của robot di động hai chân 104
Bảng 5.3 Tenxơ quán tính của các khâu robot di động hai chân 104
Bảng 5.4 Miền giá trị vật lý của tín hiệu vào ra 104
Trang 12
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các robot hai chân: WL-1, WL-3, WL-5 (nguồn [1]) 6
Hình 1.2 Các robot WABOT-1, WL-10R, WL-12RIII (nguồn [2 - 4]) 6
Hình 1.3 Các robot của Zheng, Gruver, Miller (nguồn [5, 6, 7]) 7
Hình 1.4 Các mẫu robot của Honda từ E0 đến E6 (nguồn [8]) 7
Hình 1.5 Các mẫu robot giống người của Honda P1 đến P3 (nguồn [8, 9]) 8
Hình 1.6 Các robot Johnnie, WABIAN R, WABIAN RII (nguồn [10,11]) 8
Hình 1.7 Robot ASIMO, SDR-3X và QRIO của Sony (nguồn [12, 13]) 9
Hình 1.8 Các robot HRP-1, HRP-2 Promet, HRP-3P, KHR-2 (nguồn [14-15]) 9
Hình 1.9 Các robot Mahru, Nao, Tulip, REEM-B (nguồn [16, 17, 18, 19]) 10
Hình 1.10 Các robot Bruno, Darwin-OP, Charli, AR-600 (nguồn [20-23]) 10
Hình 1.11 Các robot BHR-5, Valkirie, Atlas, TALOS (nguồn [24-27]) 11
Hình 1.12 Một số ứng dụng nổi bật của robot di động hai chân 13
Hình 1.13 Cấu trúc của robot KHR-2 (nguồn [29]) 14
Hình 1.14 Cấu trúc khớp và bậc tự do của robot ASIMO (nguồn [30]) 14
Hình 1.15 Sơ đồ bố trí khâu và khớp của robot di động hai chân 15
Hình 1.16 Robot chuyển động không gian và chuyển động phẳng 15
Hình 1.17 Mô hình cấu trúc robot phẳng 16
Hình 1.18 Mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian 22
Hình 1.19 Mô hình robot di động hai chân chuyển động phẳng 23
Hình 1.20 Mô hình robot di động hai chân phẳng trong mặt phẳng Sagittal 23
Hình 2.1 Sơ đồ động học của robot di động hai chân 27
Hình 2.2 Sơ đồ động học của robot trong mô hình phẳng 32
Hình 2.3 Bước đi chỉ có pha đơn 37
Hình 2.4 Bước đi có pha kép xảy ra trong thời gian ngắn 37
Hình 2.5 Các loại bước đi của robot di động hai chân 38
Hình 2.6 Dáng của bàn chân trụ khi rời mặt đất 38
Hình 2.7 Dáng của bàn chân bước khi chạm đất 38
Hình 2.8 Các dáng đi của robot có các góc chân trụ khác nhau 39
Hình 2.9 Hình ảnh gắn chip vào các khớp (nguồn [87]) 40
Hình 2.10 Trạng thái của robot trong 5 thời điểm của một chu kỳ 41
Hình 2.11 Quỹ đạo chuyển động của robot trong một chu kỳ 42
Hình 2.12 Bàn chân khi bắt đầu chạm và rời khỏi mặt đất 42
Hình 2.13 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân ở bước khởi động 1 51
Hình 2.14 Quy luật chuyển động của mắt cá chân ở bước khởi động 1 51
Hình 2.15 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân trong bước khởi động 2 52
Hình 2.16 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân trong bước đi đều 52
Hình 2.17 Quỹ đạo hông và mắt cá chân trong bước kết thúc 52
Hình 2.18 Quỹ đạo hông và mắt cá chân ở bước khởi động 2 theo thời gian 53
Hình 2.19 Quỹ đạo hông và mắt cá chân ở bước đi đều theo thời gian 53
Hình 2.20 Quỹ đạo hông và mắt cá ở bước kết thúc theo thời gian 53
Hình 2.21 Tọa độ và vận tốc các khớp trong bước khởi động 1 54
Hình 2.22 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước khởi động 2 54
Trang 13
Hình 2.23 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước đi đều 54
Hình 2.24 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước kết thúc 55
Hình 3.1 Các mô hình động lực học của robot di động hai chân 57
Hình 3.2 Sơ đồ gắn hệ tọa độ mới 58
Hình 3.3 Tọa độ khối tâm của bàn chân trái 63
Hình 3.4 Tọa độ khối tâm cẳng chân trái 64
Hình 3.5 Sơ đồ thuật giải các bài toán động lực học 68
Hình 3.6 Quỹ đạo của khớp hông và khớp mắt cá chân 70
Hình 3.7 Quỹ đạo chuyển động theo thời gian 71
Hình 3.8 Momen do nền tác dụng lên chân và các momen dẫn động các khớp 71 Hình 4.1 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển robot 73
Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp 75
Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác 75
Hình 4.4 Mô hình điều khiển PID+Động lực học ngược 77
Hình 4.5 Đồ thị hàm thuộc của tập mờ (nguồn [105]) 78
Hình 4.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 81
Hình 4.7 Hàm thuộc của sai số tọa độ, vận tốc và lượng điều chỉnh momen 83
Hình 4.8 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 84
Hình 4.9 Mô hình điều khiển mờ cho robot di động hai chân 84
Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc của điều khiển đại số gia tử 89
Hình 4.11 Ngữ nghĩa hóa đầu vào ei và dei 92
Hình 4.12 Ngữ nghĩa hóa đầu ra ui 92
Hình 4.13 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng 93
Hình 4.14 Mạng noron đơn giản gồm hai noron 94
Hình 4.15 Mô hình tính toán của mạng noron 95
Hình 4.16 Cấu trúc mạng noron truyền thẳng 95
Hình 4.17 Cấu trúc mạng noron có hồi tiếp 96
Hình 4.18 Mô hình chi tiết mạng noron 97
Hình 4.19 Sơ đồ mạng noron 5 lớp 100
Hình 4.20 Mô hình của hệ thống điều khiển tích hợp 101
Hình 4.21 Khối Control của bộ điều khiển tích hợp 102
Hình 5.1 Mô hình điều khiển trong SIMULINK 106
Hình 5.2 Khối điều khiển – PID Control+Động lực học ngược 106
Hình 5.3 Khối chương trình con – Control PID 107
Hình 5.4 Khối chương trình con – Tính động lực học ngược 107
Hình 5.5 Khối cơ cấu chấp hành – Robot 107
Hình 5.6 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước khởi động 1 109
Hình 5.7 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước khởi động 2 110
Hình 5.8 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước đi đều 111
Hình 5.9 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước kết thúc 112
Hình 5.10 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước khởi động 1 113
Hình 5.11 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước khởi động 2 114
Hình 5.12 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước đi đều 115
Hình 5.13 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước kết thúc 116
Hình 5.14 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 3 ở bước khởi động 1 118
Trang 14
Hình 5.15 Mô hình điều khiển mờ trong SIMULINK 119
Hình 5.16 Khối Fuzzy Control tích hợp PID+Động lực học ngược 119
Hình 5.17 Kết quả điều khiển mờ tích hợp PID+ĐLH ngược TH1 121
Hình 5.18 Khối Fuzzy Control tích hợp PID 121
Hình 5.19 Kết quả điều khiển mờ+PID bước khởi động 1 122
Hình 5.20 Khối Fuzzy Control thuần túy 123
Hình 5.21 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước khởi động 1 124
Hình 5.22 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước khởi động 2 125
Hình 5.23 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước đi đều 126
Hình 5.24 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước kết thúc 127
Hình 5.25 Sơ đồ SIMULINK bộ điều khiển đại số gia tử 128
Hình 5.26 Kết quả điều khiển ĐSGT tích hợp PID ở bước khởi động 1 129
Hình 5.27 Kết quả điều khiển ĐSGT thuần túy ở bước khởi động 1 130
Hình 5.28 Mô hình điều khiển noron trong SIMULINK 131
Hình 5.29 Kết quả điều khiển noron+PID ở bước khởi động 1 132
Hình 5.30 Kết quả bộ điều khiển noron thuần túy ở bước khởi động 1 133
Hình 5.31 Cấu trúc chung chương trình mô phỏng robot 134
Hình 5.32 Mô phỏng robot di động tại một số vị trí di chuyển 136
Trang 15
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Robot di động nói chung đặc biệt robot di động hai chân có hình dạng giống người vừa có khả năng thực hiện các thao tác độc lập vừa có thể thay thế, hỗ trợ, phục vụ
và tương tác trực tiếp với con người
Để robot thực hiện được các thao tác hay phục vụ, thay thế, tương tác với con người thì cần phải điều khiển robot thực hiện thao tác phù hợp với mục đích ứng dụng
Có nhiều phương pháp điều khiển robot khác nhau chẳng hạn như nhóm các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực Trong đó có phương pháp điều khiển phổ biến thông thường tương đối dễ thực hiện và được áp dụng phổ biến trong công nghiệp là phương pháp điều khiển tuyến tính hóa PID tích hợp với động lực học ngược Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này đòi hỏi tính chính xác và đầy đủ của
mô hình động lực Trên thực tế thì mô hình động lực robot khó có thể xác định được một cách chính xác và đầy đủ, mặt khác khi robot thực hiện thao tác thì yếu tố động lực cũng thường xuyên thay đổi, ví dụ khi robot di chuyển rồi thực hiện thao tác, trong đó lúc nó di chuyển không mang đối tượng và có mang đối tượng nên mô hình động lực luôn thay đổi Cho nên điều khiển dựa trên mô hình động lực thì gặp khó khăn trong việc đảm bảo sự điều chỉnh mô hình động lực một cách liên tục theo sự thay đổi của thao tác của robot
Để khắc phục những nhược điểm trên thì nhóm phương pháp điều khiển thông minh mà trong đó gồm phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết logic mờ, đại số gia tử, mạng noron và sự tích hợp của các phương pháp đó với nhau và với phương pháp điều khiển tuyến tính PID có thể khắc phục được những nhược điểm, khó khăn
ở trên
Logic mờ đã được ứng dụng trong các bài toán điều khiển nói chung và trong robot di động hai chân nói riêng Một trong những vấn đề chính của điều khiển dựa trên logic mờ là việc xây dựng hệ luật mờ và phương pháp giải mờ phù hợp và vấn
đề này đối với robot di động hai chân hiện vẫn là bài toán mở Với mỗi một bài toán
cụ thể tìm được các hệ luật mờ và phương pháp giải mờ hợp lý sẽ khắc phục được những khó khăn trong điều khiển rõ như nói ở trên và cho những kết quả điều khiển tốt có thể ứng dụng vào thực tiễn
Bên cạnh điều khiển dựa trên logic mờ thì có các phương pháp điều khiển khác trong kỹ thuật của giải thuật điều khiển thông minh đó là điều khiển dựa trên đại số gia tử, điều khiển dựa trên mạng noron hoặc dựa trên ứng dụng trí tuệ nhân tạo Đã
có những kết quả nghiên cứu về điều khiển sử dụng mạng noron nhưng đối với mỗi bài toán cụ thể nếu áp dụng phương pháp của lý thuyết điều khiển dựa trên mạng noron thì vẫn là bài toán mở Để tìm được những giải pháp phù hợp trong những trường hợp cụ thể thì sẽ cho những kết quả tốt
Bài toán điều khiển dựa trên đại số gia tử thì đã được áp dụng trong các bài toán điều khiển nói chung nhưng vẫn chưa được áp dụng trong điều khiển robot di động
Trang 36
một khối lượng đặt tại hông mô hình robot còn lại hai chân với 12 khớp quay, mỗi chân có 6 khớp như trong Hình 1.18 dưới đây Với mô hình này robot có thể thực hiện được các chuyển động trong mặt phẳng cũng như trong không gian Trong luận
án sẽ xây dựng phương trình động học tổng quát cho mô hình robot chuyển động không gian này với mục đích là làm cơ sở cho việc xây dựng phương trình động học cho các mô hình đơn giản hơn cũng làm cơ sở cho các nghiên cứu về sau
Hình 1.18 Mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian
Với mục đích nghiên cứu của luận án như đã giới thiệu trong phần mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận án là áp dụng một số phương pháp điều khiển thông minh cho nên để nghiên cứu các thuật toán điều khiển nhằm khắc phục những yếu tố bất định của mô hình động lực cũng như là nhằm khắc phục sự biến đổi liên tục của các trạng thái, các tham số liên quan đến chuyển động và cũng để thuận lợi cho việc tính toán cũng như để tiện cho việc kiểm nghiệm bằng các phương pháp khác được một cách thuận lợi, mô hình robot chính được sử dụng trong luận án sẽ là mô hình phẳng như trong Hình 1.17 và được thể hiện như trong Hình 1.19
Trang 37
Hình 1.19 Mô hình robot di động hai chân chuyển động phẳng
Mô hình trong Hình 1.19 gồm 6 khớp quay với mỗi chân 3 khớp chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng – măt phẳng Sagittal Trên Hình 1.20 là hình ảnh các chuyển động của robot phẳng trong mặt phẳng Sagittal
Hình 1.20 Mô hình robot di động hai chân phẳng trong mặt phẳng Sagittal
Như vậy phần động học luận án sẽ thực hiện khảo sát trên mô hình không gian kết quả sẽ áp dụng cho mô hình chuyển động phẳng và mô hình phẳng sẽ được áp dụng cho các bài toán còn lại Các phần sau sẽ giới thiệu chi tiết các bài toán trong luận án
Khớp hông
Khớp
cổ chân
Khớp đầu gối
Khớp
cổ chân
Khớp đầu gối
Khớp hông
Thân robot
Trang 38
1.3.2 Các bài toán động học, động lực học và thiết kế quỹ đạo
Bài toán động học của robot di động hai chân bao gồm xây dựng mô hình động học, gắn các hệ tọa độ xác định hướng và vị trí của từng khâu, xác định các chuỗi động học, thiết lập phương trình động học, và giải các bài toán động học, bài toán vận tốc, bài toán gia tốc
Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot di động hai chân bao gồm phân tích chuyển động của chân robot xuất phát từ chuyển động bước đi của con người, đưa ra quy luật đường dịch chuyển của thân, của bàn chân robot, từ đó xây dựng thuật toán xây dựng quỹ đạo động học bao gồm chuyển vị, vận tốc, gia tốc của thân và của các bàn chân robot Xây dựng phương pháp thiết kế quỹ đạo hình học, quỹ đạo động học của cả bàn chân
Bài toán động lực học của robot di động hai chân bao gồm xây dựng mô hình động lực học, thiết lập phương trình vi phân động lực học, tính toán các đại lượng động lực học Đưa ra các thuật toán cho phép lập trình trên máy tính để tự động thiết lập phương trình chuyển động, tự động tính toán các đại lượng động lực và giải các bài toán động lực học thuận và động lực học ngược
Mặc dù các phương pháp điều khiển thông minh có thể không dùng đến mô hình động lực nhưng trong luận án vẫn xây dựng mô hình động lực để áp dụng cho điều khiển rõ làm cơ sở để so sánh với điều khiển thông minh ngoài ra vẫn có thể tích hợp
mô hình động lực không cần đầy đủ với điều khiển thông minh để điều khiển robot
1.3.3 Các bài toán áp dụng các phương pháp điều khiển
Nghiên cứu bài toán điều khiển để điều khiển robot di động hai chân thực hiện chuyển động theo quỹ đạo mong muốn ở đây sẽ bao gồm các bài toán sau
Đầu tiên là sử dụng điều khiển rõ PID+Động lực học ngược để làm cơ sở so sánh Điều khiển rõ trong thực tế không thể xác định đầy đủ và chính xác mô hình động lực, nhưng trong luận án giả thiết xây dựng được đầy đủ và chính xác làm cơ sở để
so sánh với điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử, điều khiển mang noron
Tiếp theo là các bài toán xây dựng các bộ điều khiển và tích hợp các bộ điều khiển
áp dụng cho robot di động hai chân
Bài toán áp dụng logic mờ để xây dựng bộ điều khiển mờ
Bài toán phát triển logic mờ bằng lý thuyết đại số gia tử để thiết kế bộ điều khiển đại số gia tử
Bài toán thiết kế bộ điều khiển noron sử dụng dữ liệu của bộ điều khiển đại số gia
tử làm dữ liệu huấn luyện mạng
Các bài toán ứng dụng bộ điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử, điều khiển noron thuần túy điều khiển robot di động hai chân
Các bài toán tích hợp điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử và điều khiển noron với điều khiển PID+Động lực học ngược và điều khiển PID thuần túy để điều khiển robot di động hai chân nhằm mục đích khắc phục những khó khăn về tính bất định hay không chính xác của mô hình động lực
Bài toán tích hợp tất cả các bộ điều khiển mờ, điều khiển đại số gia tử, điều khiển noron, điều khiển PID, Động lực học ngược thành bộ điều khiển tích hợp điều khiển
Trang 39Từ các phân tích Chương 1 đã đặt ra được các bài toán nghiên cứu đó là bài toán xây dựng mô hình, khảo sát động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo chuyển động làm cơ sở Đặt bài toán tìm giải thuật điều khiển dựa trên logic mờ, mạng noron, đại
số gia tử và tích hợp các phương pháp điều khiển đó và đặt ra được mục đích khi thực hiện các bài toán đó là tìm được các giải thuật, các hệ luật điều khiển phù hợp cũng như là xây dựng được các thuật toán và chương trình để thực hiện
Trang 40
CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN
Nội dung chương khảo sát động học cho robot di động hai chân, thiết lập phương trình động học cho mô hình robot chuyển động không gian gồm gắn các hệ trục tọa
độ, xác định các chuỗi động học, xây dựng phương trình động học Tiếp theo là thiết lập phương trình động học cho mô hình robot phẳng và khảo sát các bài toán động học, vận tốc, gia tốc Phần tiếp theo là trình bày nghiên cứu về bước đi của robot, phương pháp xây dựng và thuật toán thiết kế quỹ đạo chuyển động Phần cuối chương trình bày phương pháp giải các bài toán động học và kết quả giải bài toán động học ngược
2.1 Khảo sát động học robot di động hai chân
Động học robot giúp xác định quan hệ giữa các tham số động học của robot với các thông số trạng thái chuyển động của nó thông qua các phương trình động học Từ phương trình động học có thể rút ra các bài toán để xác định giá trị các tham số động học như vị trí, vận tốc, gia tốc của các khớp hay các thông số trạng thái chuyển động của robot như chuyển động của thân, của các bàn chân robot
2.1.1 Phương trình động học robot di động hai chân
Trong phần này sẽ trình bày việc thiết lập phương trình động học cho robot di động hai chân có chuyển động không gian, từ hệ phương trình tổng quát đó sẽ giới hạn một số bậc tự do chuyển động để nhận được phương trình động học cho mô hình chuyển động phẳng làm cơ sở để nghiên cứu các bài toán khác trong luận án
Mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian được sử dụng trong mục này là mô hình đã được đưa ra ở Chương 1 trong Hình 1.18 Mô hình robot gồm hai chân và toàn bộ đầu, hai tay thu về một khối cùng chuyển động với thân Với tổng cộng 12 khớp quay trong đó mỗi chân có 6 khớp quay bao gồm 3 khớp ở hông, 1 khớp ở đầu gối và 2 khớp ở mắt cá chân
Để thiết lập phương trình động học của robot thì cần lựa chọn một phương pháp phân tích động học, tiếp theo là xác định các hệ tọa độ, các tham số động học, các chuỗi động học Từ đó tính toán các ma trận biến đổi giữa các hệ trục tọa độ, cuối cùng từ các chuỗi động học xác định được các phương trình động học tương ứng Phương pháp chung phổ biến mà hầu hết các công trình nghiên cứu về robot đều
sử dụng phổ biến để phân tích động học là phương pháp Denavit – Hartenberg Phương pháp này đã được nhiều tác giả giới thiệu, trình bày trong các tài liệu [66-73] Trong luận án cũng sử dụng phương pháp phổ biến này và áp dụng vào việc phân tích động học cho mô hình robot di động hai chân của luận án Phần tiếp theo sẽ tiến hành các bước trình tự để thu được phương trình động học
Đầu tiên gắn các hệ trục tọa độ vào các khớp của robot như trong Hình 2.1 Trong
đó hệ tọa độ Oxyz0 là hệ tọa độ cơ sở được gắn cố định trên mặt đất
