Luận án tiến sĩ tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận án là mô hình robot di động hai chân cùng với các bài toán động học, động lực học và điều khiển.. - Bài toán khảo sát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

L UẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

1 PGS.TS Phan Bùi Khôi

2 PGS.TS Trần Đức Trung

Hà Nội – 2022

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

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

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

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

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

I 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

AE 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

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

MF Member Function

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

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

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

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

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

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

hai chân Từ những phân tích trên luận án lấy tên đề tài là “Tích hợp đại số gia tử,

điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động” làm đề tài nghiên

cứu

Luận án nghiên cứu phương pháp xây dựng các hệ luật mờ, phương pháp giải mờ, lựa chọn mạng noron và phương pháp huấn luyện cũng như áp dụng lý thuyết đại số gia tử vào điều khiển robot di động hai chân

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng được các bộ điều khiển và mô phỏng các bộ điều khiển bằng các phần mềm

- Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của robot để tăng thêm tính trực quan để kiểm nghiệm kết quả

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận án là mô hình robot di động hai chân cùng với các bài toán động học, động lực học và điều khiển

Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Mô hình robot di động hai chân gồm thân và hai chân

- Bài toán khảo sát động học, động lực học để nhận được quỹ đạo chuyển động cũng như các kết quả của bài toán động học, động lực học làm cơ sở để nghiên cứu bài toán điều khiển robot

- Nghiên cứu chuyển động của robot trong điều kiện không trượt chân tự thỏa mãn

- Áp dụng các luật điều khiển dựa trên logic mờ, đại số gia tử và mạng noron và

có sự phối kết hợp với luật điều khiển rõ như điều khiển PID và động lực học ngược

3 H ướng tiếp cận của luận án

Thông qua việc quan sát bước đi của con người, các thống kê số liệu, tìm hiểu các công trình đã nghiên cứu, đã công bố, nghiên cứu cơ sở lý thuyết nền tảng, trên cơ sở

đó dự đoán những vấn đề có thể khảo sát, nghiên cứu và những kết quả có thể đạt được Từ đó, vạch ra các bài toán, các vấn đề khoa học để xem xét

4 Ph ương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với lập trình tính toán

mô phỏng số và mô phỏng hoạt động

Nghiên cứu lý thuyết kinh điển nói chung về các phương pháp điều khiển các hệ

cơ điện tử điển hình đặc biệt là các hệ thống di động nói chung và robot di động hai chân nói riêng Nghiên cứu lý thuyết cơ sở về các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, điều khiển dựa trên đại số gia tử và mạng noron

Về mặt tính toán mô phỏng sử dụng phần mềm, ngôn ngữ lập trình hiện đại để tính toán xây dựng chương trình qua đó quan sát, có cái nhìn trực quan, kiểm chứng các kết quả nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu làm phong phú thêm phương pháp điều khiển robot di động hai chân Luận án là tài liệu tham khảo để tiếp tục hoàn thiện nghiên cứu phát triển việc điều khiển robot di động hai chân

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu cho phép áp dụng thực nghiệm để triển khai ứng dụng vào việc điều khiển robot di động hai chân

6 Những đóng góp mới của luận án

Mô hình động học và động lực học phù hợp mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đặt

ra, đồng thời tạo cơ sở mở rộng thuận lợi các bài toán và hướng nghiên cứu tiếp theo Các giải thuật điều khiển thông minh dựa trên logic mờ, đại số gia tử, mạng noron

và sự kết hợp giữa các phương pháp với nhau và với phương pháp tuyến tính kinh điển là PID Đã xây dựng được các hệ luật mờ phù hợp cho bộ điều khiển logic mờ, đại số gia tử, mạng noron

Các chương trình tính toán, mô phỏng cho các kết quả mô phỏng số, mô phỏng hoạt động của robot, và kiểm nghiệm phương pháp điều khiển bằng Simulink Các kết quả tính toán động học, động lực học, mô phỏng số, mô phỏng hoạt động và kết quả Simulink các bộ điều khiển là phù hợp và tin cậy

7 Cấu trúc của luận án

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Trình bày nghiên cứu tổng quan về robot di động hai chân, các khái niệm, quá trình phát triển và ứng dụng của robot di động hai chân Phần tiếp theo trình bày về các cấu trúc, các vấn đề khoa học liên quan và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến robot di động hai chân Qua đó xác định các nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: Động học robot di động hai chân

Chương 2 trình bày khảo sát động học cho mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian và chuyển động phẳng, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình, gắn các

hệ tọa độ theo phương pháp khảo sát động học, xây dựng phương trình động học đến việc phân tích các bài toán động học thuận, động học ngược, các bài toán về vận tốc

và gia tốc Trong chương này cũng trình bày việc mô tả về bước đi của robot trong khi di chuyển, trình bày việc xây dựng và thiết lập quỹ đạo chuyển động cho thân, các bàn chân của robot và quỹ đạo chuyển động của robot di động Phần cuối chương trình bày giải thuật giải các bài toán động học của robot di động hai chân

Chương 3: Động lực học robot di động hai chân

Chương 3 trình bày khảo sát động lực học cho robot di động hai chân, từ việc xây dựng mô hình động lực, lựa chọn hệ tọa độ tính toán, thiết lập phương trình vi phân chuyển động, xác định và tính toán các đại lượng động lực, phần cuối là trình bày các bài toán động lực học thuận và ngược, xây dựng các thuật toán giải các bài toán động lực học thuận và động lực học ngược

Chương 4: Điều khiển robot di động hai chân

Chương 4 trình bày các phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển robot

di động hai chân trong luận án bao gồm phương pháp điều khiển kinh điển, phương pháp điều khiển mờ, phương pháp điều khiển dựa vào lý thuyết đại số gia tử, phương pháp điều khiển sử dụng mạng noron Với mỗi phương pháp điều khiển trình bày cơ

sở lý thuyết mà phương pháp đó sử dụng, xây dựng bộ điều khiển và ứng dụng bộ điều khiển của từng phương pháp vào bài toán điều khiển robot di động hai chân thực hiện chuyển động

Chương 5: Kết quả mô phỏng số

Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng các bài toán điều khiển robot di động hai chân bao gồm bài toán điều khiển kinh điển PID kết hợp động lực học ngược, bài toán điều khiển sự dụng logic mờ, bài toán sử dụng lý thuyết đại số gia tử, bài toán sử dụng mạng noron Phần cuối mô tả phần mềm mô phỏng chuyển động của robot di động hai chân

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án

Danh mục các công trình đã công bố của luận án

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Nội dung chương trình bày tổng quan về robot di động nói chung và robot di động hai chân, các phương pháp nghiên cứu về bài toán động học, động lực học và điều khiển nhằm đảm bảo robot di chuyển theo một quy luật phù hợp với yêu cầu ứng dụng cũng như gần với dáng đi tự nhiên Một loạt các phương pháp điều khiển sẽ được giới thiệu trong chương từ phương pháp đơn giản thông dụng cho đến một số phương pháp hiện đại Trong chương cũng trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về robot di động hai chân trong và ngoài nước Từ đó, các nội dung nghiên cứu chính của luận

án được đề xuất, các bài toán cơ bản của luận án được đưa ra để giải quyết trong các chương tiếp theo

1.1 Tổng quan về robot di động hai chân

1.1.1 Giới thiệu về robot di động hai chân

Robot di động là robot có thể di chuyển trong không gian như trên mặt đất, dưới nước hay trên không Trong các loại robot di động có robot di động bằng chân, robot

di động bằng bánh xe, bánh xích hay kết hợp giữa chân với bánh xe

Robot di động bằng chân có đặc điểm là tiếp xúc không liên tục với mặt đất do

đó nó có thể tránh được chướng ngại vật, bước qua các mương, rãnh, đi trên mặt đất không bằng phẳng, và lên xuống cầu thang một cách dễ dàng

Trong các loại robot di động bằng chân, robot di động hai chân hay robot hai chân (biped robot) thực hiện chuyển động có bước đi giống với bước đi của con người Vì thế robot có thể hoạt động trong môi trường con người với hiệu quả cao hơn các robot khác Robot có thể thực hiện các hoạt động thao tác phục vụ con người, thay thế con người trong một số công việc hoặc tương tác, làm việc trực tiếp cùng với con người Qua quá trình nghiên cứu của con người thì người ta đã tạo ra nhiều mô hình cấu trúc robot di động hai chân khác nhau, đa dạng về kiểu dáng, phong phú về số lượng bậc tự do Với những nghiên cứu ban đầu thì mô hình robot có cấu trúc đơn giản, về sau mô hình robot được nghiên cứu đầy đủ, phức tạp hơn Tuy nhiên dựa vào từng bài toán nghiên cứu cụ thể mà mô hình cấu trúc robot được lựa chọn một cách phù hợp, có thể sử dụng các cấu trúc đơn giản mà vẫn đảm bảo các vấn đề nghiên cứu

1.1.2 Sự phát triển của robot di động hai chân

Robot di động hai chân đã được nghiên cứu, phát triển từ rất sớm Ichiro Kato là một trong những người tiên phong về robot di động ở Nhật Trong các năm 1966-

1967 ông và các cộng sự ở trường đại hoc Waseda đã phát triển robot hai chân đầu tiên mang tên là WL-1 (Waseda Leg - 1) [1], dựa trên cơ chế hoạt động của chân người Các chức năng cơ bản về vận động hai chân đã được nghiên cứu Vào năm

1968, robot WL-3 được phát triển, robot hoạt động bằng bộ truyền động servo thủy lực và được điều khiển bằng phương pháp master-slaver Robot có chuyển động giống như con người có thể đứng lên và ngồi xuống Robot WL-5 được chế tạo vào năm 1971, gồm có tổng cộng 11 bậc tự do, 5 bậc tự do ở mỗi chân và một bậc tự do

điện-ở thân Nó có thể thay đổi hướng bằng cách sử dụng một chương trình điều khiển

Hình 1.1 Các robot hai chân: WL-1, WL-3, WL-5 (nguồn [1])

Vào năm 1973, Kato và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một loạt các robot hai chân, trong số đó có robot WABOT-1 (the WAseda roBOT) [2] có hình dáng giống người Kích thước của nó tương đương với kích thước của một người Robot

có thể giữ trọng tâm của nó bên trong khu vực hỗ trợ của bàn chân

Hình 1.2 Các robot WABOT-1, WL-10R, WL-12RIII (nguồn [2 - 4])

Takanishi đã giới thiệu robot WL-10R (Waseda Leg - 10 Refined) [3] vào năm

1982 Đây là một cột mốc quan trọng trong ngành chế tạo robot hai chân, được đánh dấu bằng sự chuyển đổi từ trạng thái đi bộ với bước đi tĩnh sang đi với bước đi động Robot WL-12RIII [4] được Takanishi phát triển vào năm 1990, robot có 9 bậc tự do

Nó có thể bước đi trên mặt nghiêng Phần thân có 2 bậc tự do có thể di chuyển trong mặt phẳng phía trước như một con lắc ngược Robot nặng 100 kg và cao 170 cm Hệ thống điều khiển có thể thay đổi điểm ZMP (Zero Moment Point) (điểm cân bằng momen) để đạt được khả năng đi bộ linh hoạt trên địa hình bằng phẳng hoặc không bằng phẳng

Tại đại học bang Ohio, Mỹ, Zheng và các cộng sự trong các năm từ 1988 đến 1990

đã nghiên cứu chuyển động động lực học bằng cách sử dụng robot hai chân SD-2 với

9 khâu, 8 bậc tự do Khối lượng của robot SD-2 là 9 kg và cao 0,9 m Nó có thể di chuyển ở mức 0,13 m/s [5]

Vào năm 1993, Gruver và các cộng sự đã phát triển robot hai chân có 12 bậc tự

do [6], có thể đi lại linh hoạt, bao gồm một xương chậu và hai chân Robot có 5 khâu

và 4 bậc tự do ở mặt phẳng trán và 7 khâu và 6 bậc tự do ở mặt phẳng nghiêng Nó

có thể thay đổi hướng do có 2 bậc tự do trục thẳng đứng của hông nó Robot cao 92

cm Nó thể hiện vận tốc 0,71 m/s trên sàn đường thẳng

Hình 1.3 Các robot của Zheng, Gruver, Miller (nguồn [5, 6, 7])

Năm 1994, Miller đã sửa đổi robot SD-2 của Zheng với việc bổ sung thêm đầu gối Kết quả là robot hai chân đã có thể nhận ra bước đi tĩnh và có 5 khớp xoay cho mỗi chân, tổng cộng là 10 bậc tự do Nó được thực hiện thông qua các chiến lược điều khiển dựa trên mạng noron nhân tạo kiểu CMAC (Cerebellar Model Arithmetic

to Computer), mà không sử dụng mô hình chi tiết của động học và động lực học Robot mới nặng 6,8 kg và cao 104 cm [7]

Công ty Honda Motor ở Nhật Bản đã phát triển một số robot hai chân kể từ năm

1986, bắt đầu với mẫu E0 lên đến mẫu E6 vào năm 1993 [8] Với E0 robot đi bộ bằng cách đặt một chân trước chân kia, phải mất gần 5 giây giữa các bước và chỉ có thể đi chậm trên một đường thẳng Với E1 thì robot đi bộ với tốc độ tĩnh 0,25km/h trong khi đó E2 có thể đi bộ nhanh và đạt tốc độ 1,2 km/h Với E3 có hai chân dạng đùi bước đi với vận tốc bình thường của con người là 3km/h Các mẫu từ E4 đến E6 được Honda phát triển từ năm 1991 đến 1993 Robot E4 có thể mô phỏng tốc độ bước nhanh của con người đạt 4,7km/h Với E6 robot có thể tự điều khiển thăng bằng khi lên xuống cầu thang, đổ dốc hoặc bước qua chướng ngại vật

Hình 1.4 Các mẫu robot của Honda từ E0 đến E6 (nguồn [8])

Từ năm 1993 đến 1997, Honda nâng cấp các mẫu robot của hãng với sự kết hợp của các chân với phần thân trên trong các mẫu từ P1 đến P3 Robot P1 là mô hình đầu tiên giống người với hai tay và thân, nó có chiều cao 1915 mm và trọng lượng 175

kg P2 là robot hình người đầu tiên với chuyển động thực tế, robot có chiều cao là

182 cm và khối lượng 210 kg Nó có thể di chuyển với tốc độ 0,83 m/s trên các bề mặt bằng phẳng, đi lên và đi xuống cầu thang, sàn nhà ở bề mặt nghiêng lên đến 10% Hơn nữa, nó có thể đi qua một bên, rẽ và đi lùi lại phía sau Trong khi P3 có sự nâng cấp về kích thước và trọng lượng, robot đứng 1600 mm và nặng 130 kg [9]

Hình 1.5 Các mẫu robot giống người của Honda P1 đến P3 (nguồn [8, 9])

Robot hai chân Johnnie được phát triển vào năm 1998 tại Đức [10] Robot có tổng cộng 17 khớp nối, nặng khoảng 40 kg và cao 1,80 m Mỗi chân kết hợp sáu khớp dẫn động Ba trong số chúng nằm ở hông, một tác động lên đầu gối và hai động tác khác điều khiển khớp mắt cá chân Phần thân trên được trang bị bậc tự do quay theo trục dọc của cơ thể Hai cánh tay với 2 bậc tự do mỗi tay Các khớp được điều khiển bởi động cơ DC với các encoder đo các góc khớp và vận tốc khớp Johnnie có các cảm biến lực ở bàn chân để đo phản lực trên mặt đất

Yamaguchi và các cộng sự trong năm 1999 đã phát triển một robot hình người với

41 bậc tự do được gọi là WABIAN-R Robot đã đạt được bước đi ổn định bằng cách

sử dụng con lắc ngược ở phần trên cơ thể của mình [11] Năm 2000, Lim và Takanishi

đã giới thiệu robot có hai chân giống người WABIAN-RII Robot có 6 bậc tự do ở chân, 2 ở tay, ở cổ có 4 bậc tự do, mắt cũng có 4 bậc tự do và thân với eo có 3 bậc tự

do Chiều cao khoảng 1,84 m và tổng trọng lượng là 127 kg

Hình 1.6 Các robot Johnnie, WABIAN R, WABIAN RII (nguồn [10,11])

Honda cho ra mắt robot mang tên ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) [12] vào năm 2000 với chiều cao 1,20 m, trọng lượng 43 kg Robot này được chế tạo cho mục đích giải trí, một công nghệ đi bộ mới (i-WALK) cho phép ASIMO đi bộ liên tục trong khi thay đổi hướng và mang lại cho robot độ ổn định cao

Hình 1.7 Robot ASIMO, SDR-3X và QRIO của Sony (nguồn [12, 13])

Từ 1997 đến 2002, ở Nhật đã khởi động một dự án robot hình người – HRP (Human Robot Project) [14] Các robot hình người HRP-1 và HRP-2 đã được phát triển Robot hai chân HRP-2 có thể đi trên địa hình gồ ghề, đứng vững sau khi ngã và làm việc với con người Robot cao 154 cm và nặng 58 kg Các phiên bản của HRP được tiếp tục phát triển về sau HRP-3P năm 2005

Robot KHR-2 được phát triển ở Hàn quốc [15], mỗi cánh tay của robot có 11 bậc

tự do, mỗi chân có 6 bậc tự do, phần đầu có 6 bậc tự do, thân có 1 bậc tự do tổng cộng robot có 41 bậc tự do Robot cao 1.2 m và nặng 56 kg

Hình 1.8 Các robot HRP-1, HRP-2 Promet, HRP-3P, KHR-2 (nguồn [14-15])

Trong những năm gần đây, robot di động hai chân được nghiên cứu, chế tạo với tốc độ rất nhanh, đa dạng về mẫu mã và kích thước, mỗi robot có đặc điểm độc đáo riêng

Năm 2005 robot Mahru được giới thiệu tại Hàn Quốc [16], là một robot hình người với kích thước lớn có khả năng đi lại và thực hiện các công việc gia đình khác nhau Năm 2008 robot Nao [17] được tổ chức SoftBank Robotics ở Pháp giới thiệu, Nao

là một robot hình người nhỏ được thiết kế để tương tác với con người Nó được gắn các cảm biến và nó có thể đi bộ, nhảy, nói và nhận dạng khuôn mặt và đồ vật Cũng trong năm 2008 robot Tulip [18] được Hà Lan giới thiệu, robot có kích thước bằng con người được thiết kế như một nền tảng để nghiên cứu sự vận động của hai chân

và điều khiển dáng đi Robot được sử dụng để chơi bóng đá trong các cuộc thi RoboCup Cũng trong năm đó tổ chức Pal Robotics ở Tây Ban Nha giới thiệu robot REEM-B [19], robot được thiết kế để làm việc với mọi người trong khả năng phục

vụ Nó có cánh tay khỏe với những ngón tay khéo léo và cảm biến điều hướng cho phép nó tìm đường xung quanh

Hình 1.9 Các robot Mahru, Nao, Tulip, REEM-B (nguồn [16, 17, 18, 19])

Vào năm 2010, robot Bruno [20] được giới thiệu ở Đức, Bruno là một robot chơi bóng đá nhỏ có thể chạy, đá và chuyền Kể từ năm 2008, nó đã giúp Darmstadt Dribblers trở thành một trong những đội nguy hiểm nhất trong giải bóng đá RoboCup Robot Darwin-OP được tổ chức Robotis Hàn Quốc giới thiệu cũng trong năm

2010 [21], robot là một robot hình người nhỏ có thể đi bộ, nhảy múa và nói Nó cũng

có thể chơi bóng đá, và nếu bị ngã, nó đứng dậy ngay và tiếp tục đi Nó được thiết kế như một nền tảng mở để nghiên cứu robot

Hình 1.10 Các robot Bruno, Darwin-OP, Charli, AR-600 (nguồn [20-23])

Năm 2011 Đại học California tại Los Angeless, Mỹ đã giới thiệu robot CHARLI

là một robot hình người có kích thước người trưởng thành được thiết kế như một nền

tảng để nghiên cứu khả năng di chuyển và tự động của robot Nó có thể đi bộ, đá bóng

và thay đổi tư thế để tránh bị ngã nếu bị vật gì đó hoặc ai đó đè lên [22]

Năm 2012, robot AR-600 ra đời ở Nga [23] Robot có thể đi bộ, nói và điều khiển các đối tượng và sẽ được sử dụng cho các ứng dụng trong công nghiệp và giải trí Viện Công nghệ Bắc Kinh, Trung Quốc giới thiệu robot BHR-5 năm 2012 [24], BHR-5 là một robot hình người có kích thước người trưởng thành, có thể đi bộ, leo cầu thang và cầm nắm đồ vật Nó có thể sử dụng hệ thống thị giác tốc độ cao để thực hiện các nhiệm vụ nhanh nhẹn, chẳng hạn như chơi bóng bàn với con người

Valkyrie được NASA cho ra mắt vào năm 2013 [25], Valkyrie là một robot hình người tiên tiến được thiết kế để hoạt động trong môi trường do con người tạo ra đã xuống cấp hoặc hư hỏng NASA hy vọng cuối cùng sẽ đưa Valkyrie vào không gian, lên mặt trăng và lên sao Hỏa

Robot Atlas được tổ chức Boston Dynamics, Mỹ nâng cấp từ phiên bản cũ vào năm 2016 [26], Atlas là robot hình người nhanh nhẹn nhất Nó sử dụng các kỹ năng toàn thân để di chuyển nhanh chóng và cân bằng linh hoạt Nó có thể nâng và mang các đồ vật như hộp và thùng, nhưng các thủ thuật yêu thích của nó là chạy, nhảy và lộn ngược

Tổ chức PAL Robotics, Tây Ban Nha giời thiệu robot TALOS năm 2017 [27], TALOS là một robot hình người tiên tiến được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong nghiên cứu và môi trường công nghiệp Nó sử dụng điều khiển mô-men xoắn để di chuyển chân tay và có thể đi trên địa hình không bằng phẳng, cảm nhận môi trường và vận hành các công cụ điện

Hình 1.11 Các robot BHR-5, Valkirie, Atlas, TALOS (nguồn [24-27])

Trên đây là sơ lược về quá trình phát triển, nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng robot

di động hai chân trên thế giới Vẫn có thể còn nhiều robot của các tổ chức khác đã và đang được đưa vào hoạt động

1.1.3 Các ứng dụng của robot di động hai chân

Robot di động hai chân được con người nghiên cứu, phát triển với mục đích phục

vụ con người, thay thế con người trong các hoạt động ở nhiều lĩnh vực của đời sống, ngoài ra robot di động hai chân còn được phát triển với mục đích tương tác, làm việc trực tiếp với con người

Với đặc điểm tiếp xúc không liên tục với nền nên robot di động hai chân thích hợp trong các hoạt động nông lâm nghiệp vì nó sẽ không làm hỏng cây trồng như các loại robot sử dụng bánh xe hay bánh xích Robot sẽ cũng được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng để thực hiện các công việc như thu dọn, kiểm tra và bảo dưỡng các tòa nhà Đây là yêu cầu thực tế vì môi trường xây dựng với ngổn ngang vật liệu không thể sử dụng robot di động chạy bằng bánh xe hay xích di chuyển được

Trong các hoạt động thám hiểm hay rà phá bom mìn thì địa hình thường phức tạp, mấp mô, gập ghềnh và có nhiều chướng ngại vật nên robot di động hai chân sẽ thích hợp để thay thế con người thực hiện các công việc vừa khó khăn vừa nguy hiểm này Lĩnh vực y tế, giáo dục, dịch vụ, thể thao là các lĩnh vực mà robot thường gần gũi với con người, làm việc và tương tác trực tiếp với con người, nên robot di động hai chân được ứng dụng rất nhiều Robot thường được bố trí làm các nhiệm vụ như đón chào khách, trò chuyện, dẫn khách tham gia tại các sự kiện Robot tham gia các công việc gia đình như chuẩn bị các bữa ăn nhanh, pha trà hay phục vụ đồ cho khách hàng Tham gia các trận đấu bóng đá ở các giải giành cho robot như RobotCup Trở thành các trợ lý cho các nhà giáo dục trong các lớp học

a Robot ASIMO đón khách [12] b Robot QRIO chào khách [28]

c Robot Mahru chuẩn bị bữa sáng [16] d Robot ASIMO phục vụ đồ [12]

e Robot CHARLI chơi bóng [22] f Robot Bruno đá bóng [20]

g Robot NAO trong lớp học [17] h Robot REEM-B đọc bản tin [19] Hình 1.12 Một số ứng dụng nổi bật của robot di động hai chân

Ngoài một số ứng dụng nổi bật kể trên thì robot di động hai chân còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa bởi tính linh hoạt, gẫn gũi với con người và xu thế của thời đại

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Cấu trúc robot di động hai chân

Dựa trên những robot đã được nghiên cứu chế tạo trong thực tiễn Qua việc giới thiệu ở phần trên về các loại robot và quá trình phát triển của nó từ những giai đoạn đầu cho đến ngày nay thì có thể nói cấu trúc khá đầy đủ robot di động hai chân gồm

có hai chân, thân, đầu và hai tay Ví dụ như robot KHR-2 [29] có các bộ phận giống với con người có tổng cộng 41 bậc tự do như trong Hình 1.13

Hình 1.13 Cấu trúc của robot KHR-2 (nguồn [29])

Robot ASIMO phiên bản năm 2011 của Honda [30] có hình thù của một đứa trẻ với đầy đủ các bộ phận chân, tay, đầu, thân có tổng cộng 57 bậc tự do

Hình 1.14 Cấu trúc khớp và bậc tự do của robot ASIMO (nguồn [30])

Mặc dù các mô hình cấu trúc robot di động hai chân như ở trên có nhiều bậc tự do như thế nhưng trong thực tế để chế tạo và ứng dụng robot thì trong những trường hợp thông thường thì người ta có thể làm đơn giản hơn bằng mô hình tương đối tổng quát, đơn giản hơn so với con người thực như trong Hình 1.15

Hình 1.15 Sơ đồ bố trí khâu và khớp của robot di động hai chân

Mô hình robot trong Hình 1.15 gồm có đầu, thân, hai tay và hai chân với tổng cộng 32 bậc tự do gồm 12 bậc tự do ở hai chân, 14 bậc tự do ở hai tay, 3 bậc tự do ở lưng và 3 bậc tự do ở cổ Robot vẫn đảm bảo có thể thực hiện các chuyển động không gian, chuyển động phẳng, lên xuống bậc cầu thang như trong Hình 1.16

a) Chuyền động không gian b) Chuyển động phẳng

Hình 1.16 Robot chuyển động không gian và chuyển động phẳng

Tuy nhiên, việc nghiên cứu về robot có rất nhiều công trình với các vấn đề khác nhau Với mục đích là nghiên cứu về phương pháp điều khiển robot 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 của robot và để không giảm tổng quát trong việc nghiên cứu giải thuật điều khiển thì mô hình robot cũng có thể được chọn với mô hình chuyển động phẳng trong mặt phẳng thẳng đứng dọc – mặt phẳng Sagittal (S) như trong Hình 1.16 b Trong đó phần đầu và hai tay tích hợp với thân robot thành một vật thể rắn có khối lượng đặt tại hông gọi là thân robot, còn lại hai chân với mỗi chân có 3 khớp quay, tổng là có 6 khớp quay như trong Hình 1.17 Mỗi chân robot bao gồm đùi, cẳng chân và bàn chân, khớp kết nối thân robot với đùi gọi là khớp hông, khớp kết nối đùi với cẳng chân là khớp đầu gối, khớp kết nối cẳng chân với bàn chân là khớp cổ chân hay khớp mắt cá chân

Hình 1.17 Mô hình cấu trúc robot phẳng

Như vậy cấu trúc robot di động hai chân từ giai đoạn đầu phát triển cho đến nay rất đa dạng, số lượng bậc tự do phong phú tùy vào từng mô hình robot ứng dụng với các mục đích khác nhau, có những nghiên cứu yêu cầu robot có số lượng bậc tự do lớn, có những nghiên cứu thì robot có số lượng bậc tự do vừa đủ

1.2.2 Những vấn đề khoa học liên quan đến robot di động hai chân

Robot di động hai chân như giới thiệu và trình bày ở trên có cấu trúc là hệ nhiều vật gồm các khâu nối với nhau bằng các khớp, tùy theo cấu trúc thì robot có cách tựa

trên nền khác nhau, nếu robot không có bàn chân thì nó tựa trên nền chỉ có hai điểm, còn nếu robot có bàn chân thì nó tiếp xúc với nền một phần hoặc cả diện tích bàn chân Nên robot có mức độ cân bằng so với nền nói chung là kém Như vậy một trong những vấn đề quan trọng là đảm bảo robot khi đứng yên cũng như khi di chuyển phải

Khớp hông

Khớp

cổ chân

Khớp đầu gối

Khớp

cổ chân

Khớp đầu gối

Khớp hông

Thân robot

giữ được trạng thái cân bằng Trong quá trình di chuyển để thực hiện hoạt động theo mong muốn của con người, di chuyển của robot cần phải đảm bảo thực hiện được các thao tác

Cùng với những yêu cầu trên, do con người trong quá trình hoạt động đã hình thành nên các dáng đi trong những trường hợp, tình huống khác nhau Ví dụ lúc hoạt động bình thường con người có dáng đi thông thường, khi chạy con người cũng có dáng đi tư thế chạy mà có thể quan sát được thì đều thể hiện sự tối ưu ở việc đảm bảo

sự cân bằng cũng như tối ưu về các yêu cầu khác Cho nên việc thiết kế quỹ đạo chuyển động sao cho robot có bước đi vừa phù hợp với yêu cầu thao tác mong muốn vừa có dáng đi giống người là một trong những bài toán cần thiết khi nghiên cứu về robot

Như vậy để điều khiển robot thực hiện được bước đi giống người với những tiêu chí đặt ra như trên thì có những bài toán cần được giải quyết đó là bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động, bài toán động học, bài toán động lực học và điều khiển Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot với mục đích là làm sao cho robot

có được các bước đi uyển chuyển nhịp nhàng giống như bước đi của con người Các quỹ đạo của bàn chân hay quỹ đạo cổ bàn chân và quỹ đạo của thân robot cần tham

số hóa hay tính toán thiết kế theo một quy luật cụ thể

Bài toán động học nhằm xác định mối quan hệ của các tham số động học như vị trí, vận tốc, gia tốc của các khâu với các thông số trạng thái chuyển động của robot như vị trí, vận tốc, gia tốc của thân và của các bàn chân

Bài toán động lực học xác định mối quan hệ của các đại lượng động lực của robot,

có thể căn cứ vào momen tác động ở các động cơ thì tìm được vị trị, vận tốc, gia tốc của các khâu và ngược lại dựa trên yêu cầu về quy luật chuyển động thì có thể tìm được lực hoặc momen dẫn động ở các động cơ

Bài toán quan trọng của robot di động hai chân là bài toán điều khiển, mục đích của bài toán điều khiển là làm sao điều khiển robot thực hiện được chuyển động theo quỹ đạo mong muốn Có rất nhiều phương pháp điều khiển như các phương pháp điều khiển kinh điển, các phương pháp điều khiển thông minh

Một trong các phương pháp điều khiển kinh điển phải kể đến là phương pháp điều khiển vi tích phân tỷ lệ - PID (Proportional Integral Derivative) phương pháp này sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đặt mong muốn, thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào, ưu điểm của phương pháp kinh điển là sẽ điều khiển chính xác khi biết được chính xác mô hình động lực của robot

Các phương pháp điều khiển thông minh bao gồm phương pháp điều khiển mờ, phương pháp điều khiển dựa trên đại số gia tử và phương pháp điều khiển sử dụng mạng noron Nói chung các phương pháp điều khiển này đều sử dụng các phương pháp tính toán trí tuệ nhân tạo khác nhau Phương pháp điều khiển mờ dựa trên luật nếu-thì hoạt động theo cách suy luận của con người, phương pháp điều khiển sử dụng đại số gia tử là một trường hợp phát triền của logic mờ Phương pháp điều khiển sử dụng mạng noron với mô hình tính toán song song bắt trước chức năng của hệ noron sinh học Những phương pháp điều khiển này đều có ưu điểm về tính linh hoạt, tính đơn giản trong thiết kế, cũng như sự ổn định và tính thích nghi trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp có các tham số bất định, phi tuyến

1.2.3 Những nghiên cứu liên quan đến robot di động hai chân

Robot di động hai chân đã được nghiên cứu chế tạo từ thập kỷ bảy mươi của thế

kỷ trước, tuy nhiên do tính đa dạng và phức tạp của robot, các công trình nghiên cứu

về robot di động hai chân vẫn liên tục được nghiên cứu

McGeer trong [31] đã nghiên cứu chuyển động thụ động ổn định trong bề mặt nghiêng bằng một robot hai chân với 1 bậc tự đo Robot này có thể tạo ra một tiêu chuẩn di chuyển thụ động mà không cần sử dụng bất kỳ loại điều khiển chủ động nào, chỉ hoạt động bằng trọng lực Nghiên cứu động lực học của một robot đi bộ bằng hai chân với bảy bậc tự do được trình bày trong [32]

Trong [33] đã mô tả phương pháp trong đó các robot đi bộ dựa trên điểm ZMP được tạo ra bằng thuật toán tìm kiếm đơn giản Phương pháp được đề xuất có thể tạo

ra các kiểu đi bộ năng động khác nhau như bước tiến, lùi và sang một bên hoặc quay đầu, và bước đi ổn định trên robot di động H5

Tổng hợp các mô hình đi bộ hiệu quả cho một robot hai chân thực tế khi lên và xuống cầu thang được giới thiệu trong [34] Robot hai chân được giới thiệu bao gồm chân có chiều dài thay đổi và trọng lượng cân bằng có thể dịch chuyển được trong cơ thể Bước đi của robot hai chân là sự kết hợp của cả hai chế độ ổn định tĩnh và ổn định động và dựa vào một số mức độ ổn định tĩnh do bàn chân lớn cung cấp và bằng cách điều khiển cẩn thận vị trí của trọng tâm

Hasegawa và các cộng sự trong [35] đã tạo ra chuyển động tự nhiên cho robot hai chân bằng cách đề xuất một thuật toán tiến hóa phân cấp để tạo ra sự chuyển động, xem xét việc tối ưu hóa năng lượng Họ đã áp dụng thuật toán này trong một robot hai chân nặng 24 kg, cao 1,20 m, với 13 khớp nối và 13 động cơ DC Robot hai chân này bước đi với bước chân 30 cm trong 5 giây và có khả năng đi theo một quỹ đạo tham chiếu vô hạn

Các tác giả trong [36] đã có nghiên cứu về điều khiển một robot hai chân phẳng mới bằng phương pháp điều khiển thích nghi Robot mới được thiết kế có thể di chuyển bằng gót chân như con người Đối với điều khiển chuyển động của robot, các thông số vật lý như khối lượng, chiều dài và hình dạng của khâu được xác định bằng các phương pháp điều khiển thích nghi

Trong [37] đã mô tả thuật toán điều khiển bước đi cho bước đi ổn định của robot hình người hai chân trên sàn không bằng phẳng và nghiêng Một hệ thống điều khiển mới dựa trên quan sát để đạt được sự chuyển động tích cực cho đi bộ hai chân động của robot được giới thiệu trong [38] Trong [39] đã trình bày một phương pháp để điều khiển vòng kín của một robot hai chân được hoạt động hoàn toàn để tận dụng động lực tự nhiên của nó khi đi bộ

Trong [40] đã đề xuất một kiến trúc mới cho robot hai chân với 7 bậc tự do trên mỗi chân và 1 bậc tự do tương ứng với khớp ngón chân và trình bày các phương trình động học thuận và nghịch bằng cách chia dáng đi thành mặt phẳng Sagittal và mặt phẳng Frontal Một phương pháp điều khiển sử dụng luật điều khiển PD có bù trọng lực để điều khiển quỹ đạo mong muốn và tìm mômen xoắn yêu cầu của các khớp Hanafiah Yussof trong [41] đã thiết kế quỹ đạo chuyển động bao gồm các giải pháp động học và công thức nội suy để tạo quỹ đạo cho robot hình người để có được chuyển động khi nắm vào bề mặt tường và điều chỉnh hướng chuyển động của nó, tránh chướng ngại vật cao và thấp và bò trên sàn

để đạt được sự ổn định của robot hai chân đi bộ Archie

Nghiên cứu trong [43] nhằm mục đích phát triển robot đi bộ hai chân có thể đi bộ trên mặt đất nằm ngang và cải thiện hiệu quả đi bộ bằng cách sử dụng lý thuyết về đi

bộ thụ động, cụ thể là nguyên lý con lắc Luật điều khiển tỷ lệ được sử dụng trong thí nghiệm đi bộ, robot có thể đi trên mặt đất nằm ngang

Trong [44] đã nghiên cứu các vấn đề về động học thuận và ngược cho robot hình người Aldebaran NAO và trình bày một giải pháp phân tích hoàn chỉnh, chính xác cho cả hai vấn đề Trong [45] đã trình bày các phương trình động lực học và mô phỏng các vị trí khớp trong Matlab

Một bộ điều khiển phản hồi lực đã được thiết kế trong [46], có tính đến lực tiếp xúc giữa chân và mặt đất trong khi robot đang chuyển động trên các địa hình khác nhau Trong [47] đã đề xuất một giải pháp cho điều khiển phản hồi song phương để điều khiển robot hai chân thực hiện các bước nhảy và đi bộ đồng bộ với người điều khiển Trong [48] đã trình bày và thảo luận về một cách tiếp cận chung để mô hình hóa và phân tích động của một robot đi bộ hai chân thụ động, đặc biệt tập trung vào tương tác tiếp xúc giữa chân và mặt đất Mục đích chính của nghiên cứu này là giải quyết sự trượt chân đỡ và lực tiếp xúc tiêu hao nhớt của mô hình robot đi bộ hai chân

và phát triển các phương trình động lực học của nó cho các pha đơn và pha kép Trong [49] các tác giả đã thiết kế bộ điều khiển PID gần tối ưu cho robot hai chân khi đi bộ trên địa hình không bằng phẳng, một nỗ lực được thực hiện để điều chỉnh

độ lợi của bộ điều khiển PID cho robot hai chân đi lên, đi xuống cầu thang và bề mặt dốc với sự trợ giúp của các thuật toán tối ưu Trong [50] các tác giả đã nghiên cứu tạo quỹ đạo bằng cách sử dụng điều khiển PID dự đoán cho robot hình người đi bộ ổn định Mục đích giúp việc đi lại trơn tru và hiệu quả hơn Thiết kế của điều khiển PID cho robot đi bộ 4 bậc tự do đã trình bày trong [51] để đảm bảo sự ổn định tối đa trong quá trình di chuyển của nó Hệ thống được phân tích với việc bổ sung các điều khiển

PI, PD và PID vào chức năng chuyển hệ thống và đã được xác minh tính hiệu quả của thiết kế bằng mô phỏng trên máy tính

Trong [52] đã đưa ra một cách tiếp cận mới để điều khiển thông minh một robot

đi bộ hai chân Bằng cách sử dụng logic mờ xác định điều khiển lực và vị trí để dẫn đến cải thiện hiệu suất của hệ thống Các triển khai và kết quả thử nghiệm được thực hiện đối với robot hai chân 12 bậc tự do Trong [53] trình bày một nghiên cứu về đi

bộ hai chân trên mặt phẳng nghiêng Định hướng của phần trên cơ thể được điều chỉnh trực tuyến bởi một hệ thống logic mờ để thích ứng với các độ dốc bề mặt đi bộ khác nhau Một phép đo mới được xác định về hành vi dao động của góc nghiêng cơ thể

và giá trị trung bình của góc nghiêng xương chậu được sử dụng làm đầu vào cho hệ thống thích ứng mờ Mô hình robot hai chân 12 DOF được sử dụng trong mô phỏng 3-D

Tác giả trong [54] đã trình bày điều khiển vận tốc logic mờ của robot hai chân để tạo ra dáng đi được nghiên cứu trên một robot có sáu bậc tự do với khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân Trong [55] đã giới thiệu bộ điều khiển mờ trên tiêu chí điểm

điểm ZMP được thực hiện để duy trì sự cân bằng của bước đi động Bộ điều khiển

mờ được cung cấp để điều khiển điểm ZMP bên trong vùng tham chiếu ZMP, bằng cách điều chỉnh một góc thích hợp cho mắt cá chân và khớp hông

Nghiên cứu trong [56] là để chứng minh cụ thể rằng có thể đạt được việc đi bộ bằng hai chân ổn định bằng cách kết hợp các đặc tính vật lý của robot đi bộ với một mạng noron nhỏ, dựa trên phản xạ, được điều khiển chủ yếu bởi các tín hiệu cảm biến cục bộ Trong [57] một sơ đồ điều khiển mạng noron tuần hoàn (RNN) được đề xuất cho hệ thống theo dõi quỹ đạo robot hai chân Một thuật toán training trực tuyến thích ứng được tối ưu hóa để cải thiện phản ứng nhất thời của mạng được phát triển trong miền thời gian rời rạc và được áp dụng cho mô hình robot 7 khâu

Các tác giả trong [58] đã phát triển một phương pháp tạo mô hình động cho robot hai chân năm khâu bảy bậc tự do Phương pháp dựa trên mạng noron, làm giảm đáng

kể sự phức tạp trong việc giải các phương trình mô hình động lực của robot hai chân Bảy mạng noron đã được tổng hợp để mô hình hóa bảy bậc tự do của robot Để tạo ra

dữ liệu cho việc training mạng noron, động lực học của robot khi đi trên bề mặt hai chiều không nhẵn đã được xem xét Bài báo trong [59] đã trình bày so sánh thiết kế

ba bộ điều khiển mạng noron nhân tạo để điều khiển mức độ đi bộ của robot hai chân

có hông, đầu gối và mắt cá chân Trong [60] các chiến lược điều khiển mạng noron được thiết kế cho robot hai chân, bao gồm điều khiển cân bằng và tư thế Mạng noron được sử dụng để xác định gần đúng mô hình chưa biết của robot Cả điều khiển phản hồi trạng thái đầy đủ và điều khiển phản hồi đầu ra đều được xem xét

Trong [61] đã đề xuất một cách tiếp cận mới để tạo mẫu dáng đi của robot hai chân Điều này nhằm mục đích cho phép robot đi lại tự nhiên hơn và ổn định hơn khi

di chuyển trên mặt đất bằng phẳng Phương pháp tối ưu hóa gần đúng dựa trên Mạng noron nhân tạo và thuật toán tiến hóa cho bài toán tạo dáng đi được đề cập Để đánh giá kết quả của phương pháp đề xuất, robot đã được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng động đa cơ thể, Adams Các tác giả trong [62] đã đề xuất một cơ chế điều khiển phân cấp mới cho vận động hai chân trong đó mạng CPG được tối ưu hóa được sử dụng để điều khiển chung và mạng noron hoạt động như một bộ điều khiển cấp cao

để điều chế mạng CPG Bộ điều khiển phân cấp được chứng minh thông qua các thí nghiệm mô phỏng bằng cách sử dụng robot NICO (Neuro-Inspired Companion)

Ở trong nước cũng đã có những công trình nghiên cứu về robot di động hai chân

đã được triển khai Các tác giả Trần Thiện Chí, Chu Bá Long, Nguyễn Tấn Tiến thuộc Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã có nghiên cứu về động học, động lực học và mô phỏng quỹ đạo đi của robot hai chân trong thời gian thực [63],

bộ điều khiển xem trước được sử dụng kết hợp với bộ quan sát để mô phỏng quỹ đạo

đi của robot trong thời gian thực được giới thiệu

Tác giả Trần Thiện Huân và các đồng nghiệp ở Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã có nhiều công trình nghiên cứu về dáng đi của robot di động Trong [64] đã thiết kế 1 bộ tạo dáng đi tối ưu mới cho robot di động hai chân, bài toán thiết kế dáng đi được nghiên cứu như một bài toán tối ưu có ràng buộc Còn trong [65] đã tao dáng đi thích ứng cho robot hình người sử dụng mô hình mạng noron tiến hóa được tối ưu với kỹ thuật tiến khóa khác biệt sửa đổi

Nhận xét đánh giá:

Như vậy ở trên đã giới thiệu một loạt các nghiên cứu về robot di động hai chân, trong đó phần lớn các công trình đã áp dụng điều khiển dựa trên mô hình động lực [40, 43, 49-51], một số công trình [52-55] đã áp dụng điều khiển logic mờ, và các công trình [56-62, 65] đã áp dụng điều khiển mạng noron

Tuy nhiên, như đã phân tích việc áp dụng điều khiển dựa trên mô hình động lực

có những thuận lợi nhưng cũng gặp những khó khăn Khó khăn ở đây chính là mô hình động lực khó có thể xác định một cách chính xác và đầy đủ được, ngoài ra thì thao tác của robot thay đổi liên tục do vậy các đại lượng động lực trong mô hình động lực cũng thay đổi liên tục

Để khắc phục những khó khăn của phương pháp điều khiển rõ dựa trên mô hình động lực thì phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ đã được áp dụng như trình bày ở các phần trên cũng như trong các công trình [52-55] Tuy nhiên, như đã trình bày vấn đề chính của điều khiển dựa trên logic mờ là xây dựng hệ luật và phương pháp giải mờ hợp lý, do vậy nó vẫn là bài toán mở Đối với một hệ động lực có những cách xây dựng hệ luật mờ tương ứng cho những kết quả điều khiển tốt Tương tự phương pháp điều khiển mạng noron cũng có nhiều công trình nghiên cứu áp dụng cho robot di động hai chân [56-62, 65] song với mỗi công trình thì đều có mô hình và tính toán cụ thể và giải quyết vấn đề đối với những trường hợp mà các công trình đó nghiên cứu

Điều khiển dựa trên đại số gia tử có ưu điểm sẽ trình bày trong các phần sau, chưa được áp dụng trong điều khiển robot di động hai chân Đặc biệt sự tích hợp của các phương pháp đó cùng với phương pháp điều khiển kinh điển tuyến tính PID

Nên trong luận án sẽ đi theo hướng ứng dụng logic mờ vừa để khắc phục khó khăn trong việc điều khiển dựa trên mô hình động lực vừa tìm cách xây dựng hệ luật phù hợp cho robot di động hai chân vừa tích hợp các phương pháp điều khiển đó để có bộ điều khiển hợp lý

1.3 Các nội dung nghiên cứu trong luận án

Các phần trên đã trình bày các vấn đề khoa học liên quan đến robot di động hai chân và tình hình nghiên cứu và ứng dụng của nó trong và ngoài nước Từ kết luận ở cuối mục những công trình nghiên cứu liên quan đến robot di động hai chân, hướng nghiên cứu cần phát triển cũng là nội dung chính của luận án, cụ thể nội dung nghiên cứu của luận án gồm các vấn đề sau

1.3.1 Mô hình robot di động hai chân

Mô hình robot di động hai chân thì phức tạp và gồm nhiều vấn đề như đã trình bày trong các mục ở trên, nhưng mà tuy theo mục đích nghiên cứu mà người ta sẽ giới hạn mô hình nghiên cứu lại cho phù hợp

Để nghiên cứu chuyển động bước đi của robot thì mô hình robot tương đối tổng quát trong Hình 1.15 được giới hạn lại Toàn bộ phần thân, đầu, hai tay được thu về

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

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

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

Từ 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

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 P hương 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