Điều khiển thích nghi cho robot song song Adaptive control for parallel robots

Điều khiển thích nghi cho robot song song Adaptive control for parallel robots Điều khiển thích nghi cho robot song song Adaptive control for parallel robots Điều khiển thích nghi cho robot song song Adaptive control for parallel robots luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: TS Mạc Thị Thoa

Chữ ký của GVHD

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Cao Cường

Đề tài luận văn: Điều khiển thích nghi cho Robot song song

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số SV: CA190057

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/11/2020 với các nội dung sau:

Đề nghị học viên chỉnh sửa một số lỗi chế bản, lỗi trích dẫn; chuẩn hóa thuật ngữ; bổ sung/giải thích cụ thể hơn các hình vẽ theo các góp ý của hội đồng

Ngày tháng năm 2020

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Đề tài: Điều khiển thích nghi cho robot song song

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên tôi, giúp tôi có quyết tâm hoàn thành luận án này

Tóm tắt nội dung luận văn

Đề tài “Điều khiển thích nghi cho robot song song” tập trung nghiên cứu việc sử dụng bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở thích nghi nơ ron áp dụng cho đối tượng cánh tay robot song song Mục đích nhằm đảm bảo hệ cánh tay robot song song bám được quỹ đạo đặt trước Lý do chọn bộ điều khiển trượt là do bộ điều khiển này có tính bền vững, khả năng chống nhiễu tốt với hệ phi tuyến Tĩnh

ổn định của hệ thông được chứng minh từ việc xác định hàm Lyapunov Trong quá trình thiết kế bộ điều khiển, tôi nhận thấy tham số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng đầu ra của bộ điều khiển, nên luận văn đề xuất sử dụng mạng

nơ ron nhân tạo RBF để chỉnh định tham số điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Luận văn tiến hành mô phỏng kiểm chứng kết quả trên Matlab Simulink Các kết quả cho thấy bộ điều khiển có khả năng kháng nhiễu cao Phướng phát triển trong thời gian tới là xấy dựng bộ điều khiển và cài xuống thiết

bị thực, thiết kế giao diện trên máy tính để điều khiển bám quỹ đạo cho trước đối với cánh tay robot song song

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1

1.1 Giới thiệu chung về robot 1

1.2 Robot có cấu trúc song song 4

1.3 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của robot song song 4

1.3.1 Tổng quan 4

1.3.2 Vận hành Robot song song 6

1.3.3 Yêu cầu điều khiển 6

1.3.4 Phương pháp điều khiển 7

1.4 Ứng dụng của robot song song 8

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NORON NHÂN TẠO CHO ROBOT SONG SONG 13

2.1 Mô hình toán học của robot song song 13

2.1.1 Mô hình cánh tay song song 13

2.1.2 Mô hình Euler-Lagrange 16

2.1.3 Động học ngược của robot song song 19

2.1.4 Mô hình hóa đối tượng robot song song 20

2.2 Một số bộ điều khiển cho robot song song 22

2.2.1 Bộ điều khiển PID 22

2.2.2 Bộ điều khiển trượt 22

2.2.3 Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơron nhân tạo 22

2.2.4 So sánh các bộ điều khiển đã nêu 23

2.3 Nền tảng cơ sở giải thuật điều khiển 23

2.3.1 Điều khiển trượt 24

2.3.2 Mạng nơron nhân tạo RBF 31

2.4 Tổng hợp bộ điều khiển trượt trên cơ sở mạng nơron nhân tạo 33

2.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển trượt 33

2.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi dựa trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 53 PHỤ LỤC 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Mặt Trăng Lunokohod 1 2

Hình 1.2 Robot Shakey 3

Hình 1.3 Mô hình cánh tay robot song song 5

Hình 1.4 Cấu tạo khớp quay R (revolute joint) 6

Hình 1.5 Mô tả chuyển động của cánh tay robot song song 7

Hình 1.6 Robot song song hai cánh tay trong phòng thí nghiệm 9

Hình 1.7 Robot song song hai cánh tay ứng dụng trong công nghiệp 9

Hình 1.8 Buồng lái mô phỏng máy bay của CAE sử dụng cơ cấu chấp hành là robot song song 10

Hình 1.9 Bàn gá 6 chân dùng robot song song 10

Hình 1.10 Mô hình cánh tay giả sử dụng cơ cấu chấp hành song song gồm 3 cơ cấu chấp hành song song 11

Hình 1.11 Robot song song của ABB dùng trong gia công cơ khí 11

Hình 1.12 Bệ đỡ ổn định anten sử dụng cơ cấu robot song song 12

Hình 2.1 Mô hình của cánh tay robot song song 13

Hình 2.2 Các lực tác dụng lên vật m 14

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng luật điều khiển trượt 29

Hình 2.4 Sơ đồ mạng nơ ron nhân tạo 32

Hình 3.1 Tín hiệu đặt (đường màu đen) và góc quay tai các khớp thực tế khi chưa có nhiễu tác động 41

Hình 3.2 So sánh quỹ đạo trạng thái của tải trọng m giữa quỹ đạo mong muốn và thực tế khi chưa có nhiễu tác động 42

Hình 3.3 Nhiễu tác động lên các khớp quay quay của cánh tay robot (Nm) 43

Hình 3.4 Tín hiệu đặt (đường màu đen) và góc quay tai các khớp thực tế khi có nhiễu tác động 43

Hình 3.5 So sánh quỹ đạo trạng thái của tải trọng m giữa quỹ đạo mong muốn và thực tế khi có nhiễu tác động 44

Hình 3.6 Tín hiệu đặt (đường màu xanh) và góc quay tai các khớp thực tế 45

Hình 3.7 So sánh quỹ đại đặt và vị trí thực tế của tải trọng m 46

Hình 3.8 Góc quay tại các khớp và tín hiệu đặt 47

Hình 3.9 So sánh quỹ đại đặt và vị trí thực tế của tải trọng m 48

TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1 Giới thiệu chung về robot

Robot có lịch sử phát triển lâu đời, từ trước khi máy tính điện tử xuất hiện Khái niệm “robot” xuất hiện lần đầu tiên năm 1922, trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch Tiệp Khắc Karen Kapek, trong đó từ “robot” dùng để chỉ một thiết bị tự làm việc do một nhân vật trong vở kịch tạo ra

Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động

là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất

Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo và các hệđiện toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ

xa được hình thành và triển khai nghiên cứu Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay máy chấp hành cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chấp hành thủy lực và điện từ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C.Devo đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng

để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ sư công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên

Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.3) Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng

Hình 1.1 Xe tự hành thám hiểm Mặt Trăng Lunokohod 1

Những cuối thể kỉ 20 - đầu thế kỉ 21, Robot đang dần chuyển sang thế hệ mới Sự ra đời của máy tính điện tử có tốc độ tính toán ngày càng nhanh, có thể thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc, có khả năng lưu trữ lớn là một cuộc cách mạng lên toàn thế giới Máy tính điện tử dần được ứng dụng trong việc điều khiển robot Thông qua các chương trình máy tính, robot có thể thực hiện các hành động phức tạp, khéo léo mà các thế hệ robot trước khó thực hiện được Các thuật toán điều khiển cũng được nghiên cứu và cải tiến liên tục, làm tăng độ chính xác của robot lên

Hiện nay, các thành tựu mới của khoa học – kĩ thuật đã mở ra những hướng nghiên cứu mới như: Trí tuệ nhân tạo, Interner of Things (IoT), Deep Learning,… Trong công nghiệp, sự ra đời của thiết bị điều khiển logic lập trình (PLC) tạo ra cuộc cách mạng, thay đổi cách thiết kế, vận hành các hệ thống tự động Chúng

Hình 1.2 Robot Shakey

thế con người làm việc trong các môi trường độc hại ngày càng được quan tâm Robot ngày nay ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực: sản xuất, chế tạo, khai khoáng, y tế, thậm chí cả dịch vụ Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, Robot đang thể hiện những ưu điểm vượt trội: tốc độ xử lí nhanh, tính chính xác, đảm nhiệm ngày càng nhiều nhiệm vụ phức tạp trong cuộc sống Chúng

ta không thể phủ nhận, Robot là một phần tất yếu trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Chính vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển Robot cũng như các phương pháp điều khiển chúng đang nhận được rất nhiều sự quan tâm của các công ty, trường học, viện nghiên cứu Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, điển hình như trí tuệ nhân tạo, các robot ngày nay ngày càng thông minh hơn và có kết cấu phù hợp, thao tác giống con người, đáp ứng ngày càng cao các nhu cầu trong xã hội

1.2 Robot có cấu trúc song song

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962

và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965 Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

1.3 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của robot song song

1.3.1 Tổng quan

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các

Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Cũng giống như các loại robot thông thường, robot song song là loại robot

có cấu trúc dạng kín, trong đó các khâu (thanh) được nối với nhau bằng các khớp động, hình 1.1 biểu diễn cấu tạo cơ bản của robot song song hai cánh tay

Cấu trúc cơ bản của tay máy thông thường là các chuỗi nối tiếp của các khâu,

từ khâu trực tiếp thao tác công nghệ cho tới khâu cuối (gắn với giá cố định) Tuy nhiên với robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động lực học, tức là nối một cách song song với nhau, tạo ra các hệ hoạt động song song độc lập với nhau Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học

Và trong đồ án này, đối tượng robot được nghiên cứu là hệ robot hai cánh tay, bốn bậc tự do Các khớp của robot là các khớp quay dạng R (revolute joint) (hình 1.2), tức là có trục quay vuông góc với trục của hai thanh nối

Hình 1.3 Mô hình cánh tay robot song song

Hình 1.4 Cấu tạo khớp quay R (revolute joint)

1.3.2 Vận hành Robot song song

Để vận hành robot song song hai cánh tay, ta phải tiến hành điều khiển độc lập hai cánh tay Mỗi cánh tay được điều khiển bẳng hai động cơ ở hai khớp nối, mỗi động cơ sẽ điều khiển một khâu (thanh), sao cho các thanh chuyển động độc lập với nhau trong không gian

Như vậy, ta có bốn cơ cấu chấp hành lần lượt là động cơ ở các khớp tay, khi tác động mô men vào từng khớp sẽ khiến cánh tay robot di chuyển, để di chuyển vật thì chỉ cần điều khiển các khớp của cánh tay sao cho chúng đến được đúng vị trí mong muốn Vậy để vận hành robot, thực chất là ta phải vận hành và điều khiển bốn động cơ gắn tại bốn khớp quay của robot

1.3.3 Yêu cầu điều khiển

Như đã trình bày ta phải điều khiển các khớp để sao cho cánh tay có thể mang vật từ vị trí này đến vị trí kia theo một quỹ đạo xác định, và đồng thời có thể hoạt động khi các tải có khối lượng và kích thước khác nhau, và momen của ngoại lực tác động Như vậy yêu cầu cầu của bài toán có thể tóm tắt như sau:

- Xác định quỹ đạo cho từng cánh tay, từ đó tính toán ra các giá trị góc quay của động cơ

- Điều khiển các động cơ của các khớp sao cho quỹ đạo của cánh tay đi theo quỹ đạo đã được định sẵn

- Thuật toán điều khiển phải đáp ứng được yêu cầu là vẫn điều khiển được

hệ khi tải của hệ thay đổi và hệ chịu tác động của ngoại lực

1.3.4 Phương pháp điều khiển

Có thể thấy việc điều khiển có thể chia ra như sau:

 Bài toán động học ngược: Từ quỹ đạo ban đầu được đặt vào hệ, chúng ta phải tính toán ra được góc quay của từng khớp tự do

 Bài toán điều khiển cho từng khớp: với mỗi khớp quay chúng ta phải điều khiển sao cho giá trị góc của mỗi khớp đúng bằng giá trị góc tính toán được từ bài toán động học ngược

Với mỗi bài toán thì có cách tính toán và điều khiển khác nhau, cụ thể bài toán có thể được giải quyết như sau Với bài toán động học ngược, từ quỹ đạo ban đầu ta tính được quỹ đạo cho từng cánh tay, với quỹ đạo của từng cánh tay, ta có thể tính toán động học ngược để tính ra góc của từng khớp quay Tiếp theo là bài toán điều khiển góc quay của cánh tay sao cho cánh tay có thể đến được giá trị tính toàn từ bài toán động học ngược Và cuối cùng là bài toán điều khiển momen cho từng khớp quay, tuy nhiên trong bài này chỉ dừng lại ở việc mô phỏng và tính toán giá trị điều khiển là momen cho từng khớp quay Việc áp dụng thuật toán vào đối tượng thật có thể sẽ được thực hiện trong tương lại

Chuyển động của cánh tay có thể được mô tả đơn giản như hình 1.5:

Hình 1.5 Mô tả chuyển động của cánh tay robot song song

1.4 Ứng dụng của robot song song

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực:

+ Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác

+ Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ

+ Ngành Bưu chính viễn thông: Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh

+ Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô

+ Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu ngầm

Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị

đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tầu chiến Nhìn chung , Robot song song hai cánh tay được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ việc phục vụ nghiên cứu trong các học viện hoặc trường đại học (hình 1.3) cho đến ứng dụng trong công nghiệp sản xuất (hình 1.4) Do có hai cánh tay làm việc song song độc lập với nhau, từ đó có tính linh hoạt cao hơn nhiều so với robot chỉ có một cánh tay, việc này thể hiện ở việc vận chuyển các vật có kích thước lớn, rõ ràng chúng ta có thể thấy với robot chỉ có một cánh tay thì việc này rất khó khăn, do rất khó có thể giữ được vật Tuy nhiên với robot hai cánh tay, thì vấn đề này đã được giải quyết

Hình 1.6 Robot song song hai cánh tay trong phòng thí nghiệm

Hình 1.7 Robot song song hai cánh tay ứng dụng trong công nghiệp

Hình 1.9 Bàn gá 6 chân dùng robot song song Hình 1.8 Buồng lái mô phỏng máy bay của CAE sử dụng cơ cấu chấp hành là robot

song song

Hình 1.10 Mô hình cánh tay giả sử dụng cơ cấu chấp hành song song gồm 3 cơ cấu chấp hành song song

Hình 1.12 Bệ đỡ ổn định anten sử dụng cơ cấu robot song song

Một số ưu điểm của robot song song có thể liệt kê như sau:

- Khả năng chịu tải cao: khối lượng tải chia ra mỗi phần nên với cùng kích thước thành phần tay thì sẽ chịu được tải cao hơn

- Độ cứng vững chắc hơn do cấu trúc hình học của chúng

- Các tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các tay, do đó tác động lên một tay sẽ giảm đi

- Có thể thực hiện được những thao tác phức tạp với độ chính xách cao

- Khả năng di động linh hoạt trong quá trình làm việc

- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi

tiết nhỏ đến những chuyển động phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao như hàn, phay,

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, robot song song có một số nhược điểm cần khắc phục như sau:

- Khó thiết kế trong khoảng không gian làm việc nhỏ

- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp

- Có nhiều điểm suy biến trong không gian làm việc

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NORON NHÂN TẠO CHO ROBOT

SONG SONG 2.1 Mô hình toán học của robot song song

Phần xây dựng mô hình toán học được tham khảo từ tài liệu [1]

2.1.1 Mô hình cánh tay song song

Hình 2.1 Mô hình của cánh tay robot song song

Hệ robot song song hai cánh tay có thể được mô tả đơn giản như hình 2.1, trong đó hai cánh tay được gắn cố định với sàn, mỗi cánh tay gồm hai khớp có thể quay linh hoạt 360độ

Các kí hiệu đại lượng của hệ:

- b b b b1, 2, 3, 4: lần lượt là hệ số ma sát các trục 1,2,3,4 của hệ

-    1, 2, ,3 4 : lần lượt là góc quay của bốn khớp

- m m m m : lần lượt là khối lượng của bốn trục 1, 2, 3, 4

- L L L L1, 2, 3, 4 : lần lượt là chiều dài của bốn trục

- I I I I, , , : lần lượt là momen quán tính của có bốn trục

Từ các dữ liệu trên, ta tính được tọa độ trọng tâm của tải trọng

Trong đó (x m t( ), y m t( ) ) là vị trí trung tâm của tải trọng

Từ đó ta tính được quỹ đạo cho từng cánh tay như sau:

Từ đó ta có thể xác định phương trình động học của tải như sau:

 x m t( ) 0

( ) 1

Từ (2.21), (2.22), (2.23), (2.24) ta xác định được phương trình mô tả hệ thống như sau:

2.1.3 Động học ngược của robot song song

Động học ngược của robot sẽ được miêu tả bằng các phương trình sau:

3 4

0.5 0.5cos

đề tiếp theo cần được giải quyết đó là xây dựng bộ điều khiển

2.1.4 Mô hình hóa đối tượng robot song song

Để dễ dàng hơn cho việc tính toán và xây dựng thuật toán điều khiển, ta có thể viết lại các phương trình toán mô tả đối tượng ở phần trên dưới dạng ma trận,

từ đó sẽ giúp việc xác định các tham số điều khiển dễ dàng hơn

Phương trình (1.25), (1.26), (1.27), (1.28) sẽ được viết được viết về dạng ma trận như sau:

[M( )]  C( , )    G u [ ]J T F W  PT 2.33

Trong đó:

[ M ( )]  là ma trận quán tính 4x4, C( , )  là vector 4x1 biểu diễn lực

Coriolis và lực li tâm, u là vector đầu vào 4x1 biểu diễn momen xoắn điều khiển,

F là vector 4x1 bao gồm các lực tương tác, J là ma trận Jacobi 4x4, W là vector

4x1 biểu diễn nhiễu tác động lên cánh tay robot,  là lực ma sát nhớt trên các khớp

3 2 2 1 2 1 1 2

3 1 2 2 2

2

6 4 4 3 4 3 3 2

6 3 4 2 4

sin( , )

T

T

x x

2.2 Một số bộ điều khiển cho robot song song

2.2.1 Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID - Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển theo tỷ lệ-tích phân-đạo hàm) Chúng có từ năm 1939, khi Taylor Instrument và Foxboro giới thiệu hai bộ điều khiển PID đầu tiên Tất cả các bộ điều khiển ngày nay đều dựa trên các chế độ tỷ lệ, tích phân và đạo hàm ban đầu

Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện, điện tử, dùng PID tự động điều chỉnh, điều khiển để động cơ tự động và giúp đạt được giá trị chuẩn mong muốn, có độ lỗi nhỏ nhất

2.2.2 Bộ điều khiển trượt

Bộ điều khiển trượt là bộ điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến đơn giản hiệu quả Để thiết kế thành phần điều khiển trượt cần phải biết rõ các thông số của mô hình đối tượng cũng như các chặn trên của các thành phần bất định của mô hình Bộ điều khiển trượt kinh điển được biết đến với nhiều những ứng dụng trong điều khiển tác động nhanh Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển

sẽ nhận giá trị Umax hoặc – Umax Chính vì vậy mà xảy ra hiện tượng trượt (sliding)

và kèm theo hiện tượng rung (chattering - là hiện tượng mà quỹ đạo trạng thái

“trượt” zich-zắc theo mặt trượt về gốc toạ độ) Hiện tượng này có thể gây hại cho các cơ cấu cơ khí

2.2.3 Bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơron nhân tạo

Điều khiển thích nghi sử dụng mạng noron nhân tạo có một đặc điểm đó là không đòi hỏi phải biết về mô hình toán học cụ thể của đối tượng và cho phép tiếp cận một cách trực quan hơn để thiết kế so với các bộ điều khiển kinh điển

Các yếu tố bất định của mô hình và các nhiễu tác động tác động lên hệ robot song song sẽ được xấp xỉ bằng mạng noron nhân tạo hướng tâm RBF

2.2.4 So sánh các bộ điều khiển đã nêu

Với kỹ thuật điều khiển PID [2] cho chất lượng điều khiển thu được tương đối tốt, bám khá gần quỹ đạo đặt Tuy nhiên khi xuất hiện các trường hợp phát sinh trong thực tế như việc robot hoạt động trong môi trường chịu ảnh hưởng của các yếu tố tác động không mong muốn của môi trường, hay những yếu tố bất định của bản thân robot phát sinh do nhiều thông số của robot khó đo đạc trong thực tế hoặc những yếu tố khó kiểm soát trong quá trình thiết kế cơ khí, bộ điều khiển PID đáp ứng kém với điều này

Để giải quyết khó khăn này, người ta đã sử dụng bộ điều khiển trượt Về cơ bản bộ điều khiển trượt đã đáp ứng được những vấn đề tồn đọng trên, tuy nhiên bộ điều khiển trượt thường kèm theo hiện tượng rung (chattering - là hiện tượng mà quỹ đạo trạng thái “trượt” zich-zắc theo mặt trượt về gốc toạ độ) Hiện tượng này

có thể gây hại cho các cơ cấu cơ khí Thêm vào đó, trong quá trình thiết kế luật điều khiển trượt yêu cầu cần biết chính xác và đầy đủ các thông số của hệ thống, trong trường hợp này là cánh tay robot song song Tuy nhiên, trong thực tế điều này là rất khó khăn, các thông số này khó xác định chính xác do các thông số có thể khó đo đạc được hoặc có thể thay đổi theo thời gian

Do vậy để khắc phục được hiện tượng rung (chattering) và thiết kế luật điều khiển cho hệ thống với các thông số mô hình bất định, luận án này nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển trượt thích nghi bằng mạng nơ ron nhân tạo RBF Trong chương này, ta sẽ nghiên cứu tổng quan cách xây dựng và mô phỏng bộ điều khiển trượt, sau đó kết hợp với việc xấp xỉ hàm bất định bằng mạng nơ ron thành bộ điều khiển trượt thích nghi noron để điều khiển robot song song Các kết quả được kiểm chứng trên phần mềm Matlab Simulink

2.3 Nền tảng cơ sở giải thuật điều khiển

Trong thực tế của các bài toán kĩ thuật điều khiển thì việc phải điều khiển hệ bất định là không thể tránh khỏi Một trong các phương pháp giải quyết bài toán điều khiển hệ bất định như vậy là điều khiển trượt Đây là phương pháp điều khiển được biết đến như một giải pháp điều khiển đơn giản, song lại mang đến một chất lượng bền vững rất cao Điều khiển trượt ra đời khoảng đầu những năm 1960 Khi đó nền móng đầu tiên của điều khiển trượt được xây dựng bởi Emelyanov, một nhà điều