BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Đức Vương PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Vũ Đức Vương
PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
Hà Nội – 2022
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Vũ Đức Vương
PHÂN TÍCH KỲ DỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG PHẲNG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG
Ngành: Cơ học
Mã số: 9440109
LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung, kết quả được trình bày trong luận
án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Người hướng dẫn
PGS TS Nguyễn Quang Hoàng
Hà Nội, ngày tháng năm …
Tác giả luận án
Vũ Đức Vương
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ của mình Luận án này được hoàn chỉnh nhờ sự giúp đỡ của quý thầy cô, quý cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: PGS TS Nguyễn Quang Hoàng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học Xin tỏ lòng cảm ơn tới PGS Nguyễn Phong Điền người thầy đã tư vấn định hướng tôi tiếp cận với lĩnh vực chuyên môn này
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình làm luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Cơ học ứng dụng đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại bộ môn Tác giả xin cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm luận án
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã luôn sát cánh, động viên và ủng hộ tác giả trong suốt quá trình làm luận án của mình
Vũ Đức Vương
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 3
1.1 Robot và robot song song 3
1.1.1 Phân loại robot song song 7
1.1.2 Ứng dụng của robot song song 8
1.2 Các phương pháp điều khiển robot 11
1.3 Vấn đề kỳ dị trong robot song song 13
1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16
1.4.1 Các nghiên cứu trong nước 17
1.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước 18
1.5 Hướng nghiên cứu của luận án 20
1.6 Kết luận chương 1 24
CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH KỲ DỊ ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG 26
2.1 Mở đầu 26
2.2 Hệ phương trình liên kết của robot song song 26
2.3 Phân tích động học thuận robot song song 27
2.4 Phân tích động học ngược robot song song 28
2.4.1 Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp ma trận Jacobi 28 2.4.2 Giải bài toán động học ngược cho robot song song 3RRR bằng phương pháp giải tích 32
2.4.3 Ước lượng động học cho robot song song 34
2.5 Phân tích kì dị động học robot song song 3RRR 36
2.5.1 Phương pháp xác định các cấu hình kỳ dị 36
2.5.2 Giải pháp vượt kỳ dị trong phân tích động học robot song song 38
Trang 62.5.3 Mô phỏng số vượt kỳ dị động học 40
2.6 Kết luận chương 2 45
CHƯƠNG 3 : ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 46
3.1 Mở đầu 46
3.2 Mô hình động lực học của robot song song có kể đến hệ dẫn động 46
3.2.1 Mô hình động lực học của hệ dẫn động 47
3.2.2 Mô hình động lực học robot song song có kể đến hệ dẫn động 49
3.2.3 Hệ phương trình vi phân chuyển động với tọa độ suy rộng tối thiểu 58
3.3 Khảo sát động lực học robot song song 60
3.3.1 Bài toán động lực học thuận 61
3.3.2 Bài toán động lực học ngược 62
3.3.3 So sánh kiểm chứng mô hình và chương trình tính 63
3.4 Vấn đề ổn định hóa liên kết 66
3.4.1 Phương pháp Baumgarte 66
3.4.2 Phương pháp chiếu hiệu chỉnh 67
3.5 Vượt kỳ dị trong phân tích động lực học robot song song 70
3.5.1 Cơ sở của phương pháp 70
3.5.2 Nội dung mô phỏng số 72
3.5.3 Kết quả mô phỏng 72
3.6 Kết luận chương 3 73
CHƯƠNG 4 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 75
4.1 Mở đầu 75
4.2 Một số bộ điều khiển truyền thống cho robot song song 76
4.2.1 Điều khiển vị trí - điều khiển PD+bù trọng lực 76
4.2.2 Điều khiển PID dựa trên mô men tính toán 76
4.3 Điều khiển trượt robot song song trong không gian khớp 78
4.3.1 Xây dựng luật điều khiển 78
4.3.2 Nội dung mô phỏng số 81
4.3.3 Kết quả mô phỏng số 81
Trang 74.4 Điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác 82
4.4.1 Biến đổi hệ phương trình động học về dạng tọa độ tối thiểu trong không gian thao tác 82
4.4.2 Xây dựng luật điều khiển trong không gian thao tác 83
4.4.3 Mô phỏng số 87
4.5 Kết luận chương 4 89
CHƯƠNG 5 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 90
5.1 Mở đầu 90
5.2 Cơ sở hoạt động của một bộ điều khiển mờ 90
5.2.1 Mờ hóa 91
5.2.2 Luật hợp thành 92
5.2.3 Giải mờ 93
5.3 Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ để bù các thành phần nhiễu và sự bất định của các thông số 96
5.3.1 Cơ sở của phương pháp 96
5.3.2 Nội dung mô phỏng 98
5.3.3 Kết quả mô phỏng 98
5.4 Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ điều khiển bám quỹ đạo 99
5.4.1 Cơ sở của phương pháp 99
5.4.2 Nội dung mô phỏng số 102
5.4.3 Kết quả mô phỏng số 102
5.5 Kết luận chương 5 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108
Trang 8DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1 M Ma trận khối lượng
2 C Ma trận ly tâm và Coriolis
3 J s Ma trận Jacobi
4 J T Ma trận Jacobi tịnh tiến
5 J R Ma trận Jacobi quay
6 IC Ma trận mô men quán tính khối
7 I m Ma trận mô men quán tính khối của rô to động cơ
8 g Véc tơ gia tốc trọng trường
9 n Số bậc tự do của cơ hệ
10 m Số tọa độ suy rộng của không gian thao tác
11 r Số tọa độ suy rộng dư hay số nhân tử Lagrange
12 q Véc tơ tọa độ khớp
13 q Véc tơ vận tốc khớp
14 Véc tơ gia tốc khớp
15 q a Véc tơ tọa độ suy rộng khớp chủ động
16 qa Véc tơ vận tốc suy rộng khớp chủ động
17 a Véc tơ gia tốc suy rộng khớp chủ động
18 q i Véc tơ tọa độ suy rộng độc lập
19 q d Véc tơ tọa độ suy rộng phụ thuộc
20 x Véc tơ tọa độ bàn máy động
21 x Véc tơ vận tốc bàn máy động
22 x Véc tơ gia tốc bàn máy động
23 z Véc tơ tọa độ dư
24 f Véc tơ các phương trình liên kết
25 a Véc tơ mô men/ lực dẫn động
26 Véc tơ nhân tử Lagrange
27 u Véc tơ lực điều khiển
Trang 928 e Véc tơ sai số
29 r g Tỉ số truyền hộp giảm tốc
30 l1 Chiều dài khâu chủ động của chân robot
31 l2 Chiều dài khâu bị động của chân robot
32 Véc tơ vận tốc góc khâu
33 T Biểu thức động năng
34 Biểu thức thế năng
35 V Hàm Lyapunov
36 N Ma trận bù của ma trận Jacobi
TT Chữ viết
1 3RRR Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp
một chân là Revolute – Revolute - Revolute
2 3RPR Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp
một chân là Revolute – Prismatic - Revolute
3 PD Bộ điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (Proportional –
Derivate)
4 PID Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm
(Proportional - Integral – Derivate)
5 GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm)
6 DLS Phương pháp bình phương tối thiểu (Damped Least
Squares)
7 SVD Phương pháp phân rã giá trị kỳ dị (Singular Value
Decomposition)
8 DC Motor Động cơ điện một chiều
9 SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control)
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song 6
Bảng 1.2: Bảng thông số của robot song song 3RRR 24
Bảng 3.1: Các tọa độ suy rộng và ký hiệu 47
Bảng 5.1: Bảng suy diễn mờ cho hệ số v 97
Bảng 5.2: Bảng luật của bộ điều khiển FSMC 100
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Bệ đỡ rạp chiếu phim do Gwinnet thiết kế 3
Hình 1.2: Mô hình hệ thống có cấu trúc vòng kín của Gough 4
Hình 1.3: Mô hình nguyên lý hệ thống tập lái máy bay đầu tiên 4
Hình 1.4: Mô hình robot song song delta không gian 5
Hình 1.5: Robot song song phẳng 3RPR 5
Hình 1.6: Sơ đồ phân loại robot song song 7
Hình 1.7: Một dạng robot song song đối xứng 7
Hình 1.8: Robot song song có bàn máy động chuyển động cầu 8
Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc động học của một dạng robot song song không gian 8
Hình 1.10: Mẫu robot delta trong đóng hộp sản phẩm 9
Hình 1.11: Robot song song CMW380 9
Hình 1.12: Hệ thống Rendezvous sử đụng đào tạo các phi hành gia 10
Hình 1.13: Robot cáp sử dụng tạo chuyển động phối hợp với công nghệ thực tế ảo 10
Hình 1.14: Robot song song kiểu stewart ứng dụng làm robot phẫu thuật chính xác [11] 11
Hình 1.15: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp 11
Hình 1.16: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác 12
Hình 1.17: Một cấu hình kỳ dị loại một (kỳ dị động học ngược) 15
Hình 1.18: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau đồng quy (kỳ dị động học thuận) 15
Hình 1.19: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau song song (kỳ dị động học thuận) 15
Hình 1.20: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau song song +) một chân duỗi thẳng 16
Hình 1.21: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau đồng quy +) một chân duỗi thẳng 16
Hình 1.22: Robot song song Isoglide3 trong phòng nghiên cứu [62] 19
Hình 1.23: Động cơ điện một chiều với hộp giảm tốc 22
Hình 1.24: Sơ đồ robot song song 3RRR đẫn động bằng động cơ điện một chiều 22
Hình 1.25: Sơ đồ góc nghiêng của bàn máy động 23
Hình 2.1: Cấu trúc robot song song 26
Hình 2.2: Sơ đồ giải bài toán động học ngược cấp độ vận tốc 29
Hình 2.3: Sơ đồ khối thuật toán GA 31
Trang 12Hình 2.4: Sơ đồ một chân tổng quát của robot 3RRR 34
Hình 2.5: Sơ đồ các cấu hình của robot 3RRR Cấu hình thể hiện 8 1, 1, 1 34 Hình 2.6: Sơ đồ bộ ước lượng động học 35
Hình 2.7: Bản đồ kỳ dị động học ngược tương ứng với cấu hình 1( 1, 1, 1) 38
Hình 2.8: Bản đồ kỳ dị động học thuận tương ứng với cấu hình 1( 1, 1, 1) 38
Hình 2.9: Mô tả các phân vùng khảo sát kỳ dị 39
Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện liên hệ tham số phụ thuộc vào d 40
Hình 2.11: Mô tả phương trình quỹ đạo chuyển động 41
Hình 2.12: Quỹ đạo chuyển động đi qua điểm kỳ dị 41
Hình 2.13: Chương trình mô phỏng dừng khoạt động khi vào vùng kỳ dị 42
Hình 2.14: Đồ thị biến khớp chủ động 42
Hình 2.15: Đồ thị vận tốc góc biến khớp chủ động 43
Hình 2.16: Đồ thị tham số trong không gian thao tác 44
Hình 2.17: Đồ thị vận tốc trong không gian thao tác 44
Hình 2.18: Đồ thị sai lệch bám quỹ đạo 44
Hình 3.1: Mô hình dẫn động một khớp của robot 47
Hình 3.2: Mô hình dẫn động của động cơ điện một chiều 47
Hình 3.3: Sơ đồ mạch điện tổng quát của động cơ điện một chiều 48
Hình 3.4: Sơ đồ bài toán động lực học thuận 61
Hình 3.5: Sơ đồ bài toán động lực học ngược 62
Hình 3.6: Đồ thị biến khớp chủ động 63
Hình 3.7: Đồ thị biến khớp bị động 63
Hình 3.8: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động 63
Hình 3.9: Đồ thị điện áp điều khiển 63
Hình 3.10: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động 64
Hình 3.11: Đồ thị biến khớp chủ động 64
Hình 3.12: Đồ thị biến khớp bị động 64
Hình 3.13: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động 64
Hình 3.14: Đồ thị điện áp điều khiển 64
Hình 3.15: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động 64
Hình 3.16: Đồ thị biến thiên mô men khớp chủ động mô phỏng sử dụng bộ tham số của T.Geike và J McPhee [100] 66
Hình 3.17: Kết quả của bài toán động lực học thuận 72
Hình 3.18: Kết quả của điều khiển PD 72
Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn giá trị định thức và giá trị đáp ứng của phương trình liên kết 73
Trang 13Hình 4.1: Mô hình điều khiển trượt 75
Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển vị trí - PD + bù trọng lực 76
Hình 4.3: Sơ đồ luật điều khiển PID dựa trên mô men tính toán 78
Hình 4.4: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp 80
Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp với bộ ước lượng động học 81
Hình 4.6: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo tham chiếu với bộ điều khiển trượt 81
Hình 4.7: Đồ thị biến khớp chủ động 82
Hình 4.8: Sai lệch biến khớp chủ động 82
Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác 86
Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác có bộ ước lượng động học 86 Hình 4.11: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (SMC) 88
Hình 4.12: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (PD) 88
Hình 4.13: Đồ thị biến khớp chủ động (SMC) 88
Hình 4.14: Đồ thị biến khớp chủ động (PD) 88
Hình 4.15: Sai lệch bám quỹ đạo theo x,y (SMC) 88
Hình 4.16: Sai lệch bám quỹ đạo theo x, (PD) 88
Hình 4.17: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động (SMC) 88
Hình 4.18: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động (PD) 88
Hình 4.19: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (SMC) 89
Hình 4.20: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (PD) 89 Hình 5.1: Quy trình hoạt động của một bộ điều khiển mờ 91
Hình 5.2: Một số mô hình mờ hóa thông dụng 92
Hình 5.3: Mô tả bộ điều khiển mờ với luật hợp thành Max-Min 93
Hình 5.4: Mô tả phương pháp giải mờ cực đại 94
Hình 5.5: Mô tả nguyên lý trung bình 94
Hình 5.6: Mô tả nguyên lý cận trái 95
Hình 5.7: Mô tả nguyên lý cận phải 95
Hình 5.8: Mô tả phương pháp điểm trọng tâm 96
Hình 5.9: Hàm thuộc biến ngôn ngữ s s, 97
Hình 5.10: Hàm thuộc biến ngôn ngữ v 97
Hình 5.11: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ, bù nhiễu và bất định tham số 98
Hình 5.12: Tọa độ bàn máy động theo trục x 98
Hình 5.13: Tọa độ bàn máy động theo trục y 98
Hình 5.14: Góc nghiêng bàn máy động 98
Trang 14Hình 5.15: Quỹ đạo chuyển động bàn máy động 98
Hình 5.16: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác 99
Hình 5.17: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác 99
Hình 5.18: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác 99
Hình 5.19: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác 99
Hình 5.20: Mờ hóa thành phần sign(s) 100
Hình 5.21: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ bám quỹ đạo 102
Hình 5.22: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu tương ứng với các thế hệ 102
Hình 5.23: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển SMC 103
Hình 5.24: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển FSMC 103
Hình 5.25: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC 103
Hình 5.26: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC với GA 103
Hình 5.27: Quỹ đạo đáp ứng với quỹ đạo mong muốn trong điều khiển bằng FSMC 103
