BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

ĐÀO MINH TUẤN

PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN
ĐỒNG THỜI QUỸ ĐẠO VÀ LỰC TƯƠNG TÁC CỦA TAY
MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:

9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ

ĐÀO MINH TUẤN

PHÁT TRIỂN THUẬT TỐN THÍCH NGHI ĐIỀU KHIỂN

ĐỒNG THỜI QUỸ ĐẠO VÀ LỰC TƯƠNG TÁC CỦA TAY
MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:

9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Trần Đức Thuận
2. TS Nguyễn Hữu Thung

HÀ NỘI - 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kì cơng trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo được
trích dẫn đầy đủ.
Tác giả luận án

Đào Minh Tuấn


ii


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tơi bày tỏ sự kính trọng và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể
giáo viên hướng dẫn, PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Nguyễn Hữu Thung đã
ln ln nhiệt tình chỉ bảo và ln động viên để tơi hồn thành bản luận án.
Tiếp theo, tơi gửi lời cảm ơn tới Phịng Đào tạo-Viện Khoa học và Cơng
nghệ qn sự, Viện Tự động hóa KTQS cùng các cán bộ công tác tại viện đã
giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu khoa học và có những ý kiến
đóng góp quý báu về nội dung, bố cục của luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy cô nơi tôi công tác tại khoa
Điện-Điện tử trường đại học SPKT Hưng Yên vì những động viên chân thành
và sự san sẻ công việc chuyên môn để tôi yên tâm thực hiện nội dung luận án.
Tôi xin cảm ơn các nhà nghiên cứu phịng Tối ưu và Điều khiển-Viện tốn
học-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tơi rất nhiều
trong q trình nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình tơi, bố mẹ, anh chị em và
đặc biệt là người vợ thân yêu cùng các con của tơi đã dành cho tơi tình u và
sự tin tưởng để tơi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án.

TÁC GIẢ


iii

MỤC LỤC
Nội dung ................................................................................................ Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT ..................................... 11


1.1. Động lực học tay máy Robot .............................................................. 11
1.1.1. Mơ hình tốn học của tay máy Robot .......................................... 11
1.1.2. Các đặc tính của các thành phần động lực học tay máy Robot .... 12
1.2. Tổng quan về điều khiển tay máy Robot............................................. 15
1.2.1. Điều khiển quỹ đạo tay máy Robot ............................................. 16
1.2.2. Điều khiển lực tay máy Robot..................................................... 25
1.3. Tổng quan về các bộ quan sát ............................................................. 30
1.3.1. Bộ quan sát Luenberger .............................................................. 31
1.3.2. Quan sát bằng bộ lọc Kalman ..................................................... 34
1.3.3. Bộ quan sát tốc độ cao ................................................................ 38
1.4. Kết luận chương 1 .............................................................................. 40
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC CHO TAY MÁY
ROBOT ................................................................................................................. 43

2.1. Cơ sở ước lượng trạng thái của hệ động học lực không xác định ........ 43
2.1.1. Ước lượng trạng thái cho hệ động lực học bậc n ........................ 45
2.1.2. Xây dựng bộ quan sát để ước lượng trạng thái cho hệ động lực học
có tác động của nhiễu đo lường ............................................................ 51
2.2. Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot ........................ 57
2.2.1. Ràng buộc chuyển động của tay máy Robot với môi trường ...... 58
2.2.2. Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot . ............... 62
2.2.3. Sự hội tụ của bộ quan sát vận tốc/lực. ......................................... 65
2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................. 69
CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ
VÀ LỰC CHO TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT ........................ 70

3.1. Cơ sở điều khiển thích nghi cho cánh tay robbot ................................ 71
3.1.1. Điều khiển thích nghi trong khơng gian khớp ............................. 71
3.1.2. Điều khiển thích nghi trong khơng gian Descartes ...................... 77

3.2. Tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan
sát vận tốc/lực ........................................................................................... 78
3.2.1. Tổng hợp thuật tốn điều khiển................................................... 79
3.2.2. Phân tích sự hội tụ của sai lệch vị trí và lực ................................ 91


iv

3.3. Kết luận chương 3 .............................................................................. 97
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ
VÀ LỰC SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC ....................................... 99

4.1. Xây dựng mơ hình tốn học và các tham số mơ phỏng ....................... 99
4.1.1. Mơ hình tốn học tay máy Robot A465 ...................................... 99
4.1.2. Các tham số mô phỏng.............................................................. 102
4.2. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................... 104
4.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét ......................................................... 106
4.3.1. Trường hợp khơng có sự thay đổi của các tham số động lực học và
khơng có sự tác động của nhiễu đo lường ........................................... 106
4.3.2. Trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường ........................ 110
4.3.3. Trường hợp có sự thay đổi của các tham số động lực học ......... 115
4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................ 121
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 123
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ .................... 125
PHỤ LỤC................................................................................................................ 1

Phụ lục 1: Động lực học tay máy Robot A465R .......................................... 1
Phụ lục 2: Các thành phần của mơ hình tốn học tay máy Robot A465R ..... 2
Phụ lục 3: Động học tay máy Robot khi sử dụng bộ quan sát ...................... 4
Phụ lục 4: Thiết kế quỹ đạo điểm tác động cuối tay máy Robot .................. 5

Phụ lục 5: Tham số bộ quan sát và bộ điều khiển thích nghi vị/lực.............. 6
Phụ lục 6: Code chương trình mơ phỏng ..................................................... 6


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
H q 

Ma trận quán tính
V  q, q  Véc tơ ly tâm và tương hỗ
g  q  Véc tơ thành phần trọng trường
D q 

Véc tơ ma sát

Dv

d
g


Hệ số ma sát nhớt
Véc tơ mô men đặt vào các khớp
Thành phần nhiễu
Gia tốc trọng trường,
Ma trận hướng của hệ tọa độ gắn lên khâu tác động cuối so với hệ tọa
độ gốc
Ma trận Jacobi của Robot


J q 
S
L
wk
vk
xˆ k
zk
Pk
 t

Ma trận chọn trong điều khiển lai vị trí/lực
Hệ số khuếch đại bộ quan sát
Nhiễu quá trình trong bộ lọc Kalmam
Nhiễu đo lường trong bộ lọc Kalmam
Ước lượng trạng thái hậu nghiệm tại bước k
Giá trị đo lường tại bước k
Hiệp phương sai của sai lệch hậu nghiệm trong bộ lọc Kalman
Sai lệch ước lượng trạng thái
Nhiễu đo lường

d t
p    Véc tơ tham số động lực học tay máy Robot
Véc tơ tham số ước lượng động lực học tay máy Robot
pˆ
 (x) Ràng buộc chuyển động điểm tác động cuối tay máy Robot
J  (q) Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian khớp

J x  q  Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian Descartes
I nn


Qq 

Ma trận đơn vị
Ma trận chiếu theo phương tiếp tuyến

P q 

Ma trận chiếu theo phương pháp tuyến


q r

Toán tử Lagrange tại điểm tương tác
Biến tham chiếu


vi


L

M0

i
Tj

Hệ số khuếch đại sai lệch lực
Hệ số khuếch đại sai lệch vị trí
Hệ số cập nhập tham số động lực học
Hệ số giảm chấn

Sai lệch đáp ứng lực
Ma trận biến đổi đồng nhất xác định vị trí và hướng của hệ tọa độ
 j trong hệ tọa độ i
x
Vị trí của khâu tác động cuối trong hệ trục tọa độ 0
Độ lớn lực ma sát tại điểm tác động cuối tay máy Robot
  x  x
với môi trường làm việc
Ma trận hồi quy
 q,
 q 
Y  q, q,

 i i  0  p  n Hệ số bộ quan sát

li i  1  3

mi i  1  3
I i i  1  3
AFE
APFC
APFC-VFO

DOF
FC
FMS
GPI Observer
HGO
IR
PC

PD Controller
RRR
NGPI Observer
slvtul
VFO
SPO

Chiều dài thanh nối thứ i  m 
Khối lượng thanh nối thứ i kg 
Mô men quán tính của thanh nối thứ i tại trọng tâm
Ci  kg.m 2  .
Bộ lước lượng lực thích nghi (Adaptive force estimator)
Bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực (Adaptive Position
and Force Controller)
Bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát
vận tốc/lực (Adaptive Position and Force Controller using
Velocity/Force Observer)
Bậc tự do (Degrees Of Freedom)
Bộ điều khiển lực (Force Controller)
Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing
System)
Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát (Generalized
Proportional Integral Observer)
Bộ quan sát hệ số cao (Hight Gain Observer)
Robot cơng nghiệp (Industrial Robot)
Bộ điều khiển vị trí (Position Controller)
Bộ điều khiển PD (Proportion Derivative Controller)
Rotation, Rotation, Rotation
Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát mới
(New Generalized Proportional Integral Observer)

Sai lệch vận tốc ước lượng
Bộ quan sát vận tốc lực (Velocity Force Observer)
Bộ quan sát nhiễu trượt (Sliding Perturbation Observer)


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1. Các tham số động lực học tay máy Robot A465R ......................... 101
Bảng 2. Giá trị thay đổi các tham số động lực học...................................... 114
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ các phương pháp điều khiển tay máy Robot........................ 15
Hình 1.2. Sơ đồ khối điều khiển PD bù trọng trường trong khơng gian khớp 18
Hình 1.3. Điều khiển PD bù trọng trường trong không gian làm việc ........... 19
Hình 1.4. Sơ đồ điều khiển PID cho tay máy Robot ..................................... 21
Hình 1.5. Sơ đồ khối điều khiển động lực học đảo tay máy Robot ............... 23
Hình 1.6. Sơ đồ điều khiển động lực học đảo trong khơng gian làm việc ..... 24
Hình 1.7. Điều khiển độ cứng tích cực ......................................................... 25
Hình 1.8. Sơ đồ phương pháp điều khiển trở kháng ...................................... 27
Hình 1.9. Sơ đồ phương pháp điều khiển lai vị trí/lực .................................. 29
Hình 1.10. Sơ đồ khối bộ quan sát Luenberger ............................................. 33
Hình 1.11. Chu trình bộ lọc Kalman ............................................................. 37
Hình 1.12. Sơ đồ tổng quan quá trình thực hiện của bộ lọc Kalman ............. 38
Hình 2.1. Sơ đồ bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot ......................... 57
Hình 2.2. Khơng gian trực giao của điểm tác động cuối ............................... 59
Hình 3.1.Sơ đồ bộ điều khiển thích nghi tay máy Robot............................... 76
Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát ....... 78
Hình 3.3. Ràng buộc điểm tác động cuối trong không gian Descartes .......... 79



viii

Hình 3.4. Phép chiếu của véc tơ q lên mặt phẳng vng góc vớt J T  q 
trong khơng gian khớp.................................................................................. 82
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển thích nghi sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực ........ 84
Hình 3.6. Lưu đồ thuật tốn điều khiển ........................................................ 86
Hình 3.7. Khơng gian hình học q và q d ....................................................... 92
Hình 4.1. Chuyển động các khớp tay máy Robot A465 ................................ 99
Hình 4.2. Hệ tọa độ gán trên tay máy Robot ............................................... 100
Hình 4.3. Mơ tả hình học tay máy Robot A465R ........................................ 100
Hình 4.4. Các tham số chuyển động tay máy Robot A465R ....................... 101
Hình 4.5. Mơ tả chuyển động của điểm tác động cuối ................................ 103
Hình 4.6. Sơ đồ khối mơ tả hệ thống điều khiển trong Simulink................. 104
Hình 4.7. Khối động lực học Robot và ràng buộc của môi trường .............. 104
Hình 4.8. Khối tạo nhiễu đo lường ............................................................. 105
Hình 4.9 Khối điều khiển ........................................................................... 105
Hình 4.10. Đáp ứng vị trí theo trục x ......................................................... 106
Hình 4.11. Đáp ứng vị trí theo trục y ......................................................... 106
Hình 4.12. Đáp ứng vị trí theo góc  ......................................................... 106
Hình 4.13. Sai lệch vị trí theo trục x .......................................................... 107
Hình 4.14. Sai lệch vị trí theo trục y .......................................................... 107
Hình 4.15. Sai lệch vị trí theo góc  .......................................................... 107
Hình 4.16. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực đặt ..................................... 108
Hình 4.17. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực ước lượng .......................... 108
Hình 4.18. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 1 ........................... 108


ix


Hình 4.19. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 2 ........................... 108
Hình 4.20. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 3 ........................... 109
Hình 4.21. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 1...................................... 109
Hình 4.22. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 2...................................... 109
Hình 4.23. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 3...................................... 109
Hình 4.24. Sơ đồ điều khiển với sự tác động của nhiễu đo lường ............... 110
Hình 4.25. Đáp ứng vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường . 110
Hình 4.26. Đáp ứng vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường . 110
Hình 4.27. Sai lệch vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường .. 111
Hình 4.28. Sai lệch vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường .. 111
Hình 4.29. Sai lệch vị trí theo góc  với sự tác động của nhiễu đo lường .. 111
Hình 4.30. Đáp ứng lực từ bộ điều khiển khi với nhiễu đo lường ............... 111
Hình 4.31. Sai lệch lực khi có tác động của nhiễu đo lường ....................... 112
Hình 4.32. Lực ước lượng khi có tác động của nhiễu đo lường .................. 112
Hình 4.33. Sai lệch lực ước lượng khi có nhiễu đo lường ........................... 112
Hình 4.34. Vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường ..................... 113
Hình 4.35. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường ..................... 113
Hình 4.36. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường ..................... 113
Hình 4.37. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường ......... 114
Hình 4.38. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường ......... 114
Hình 4.39. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường ......... 114
Hình 4.40. Đáp ứng lực khi có sự thay đổi tham số động lực học ............... 115
Hình 4.41. Sai lệch lực khi có thay đổi tham số động lực học..................... 115
Hình 4.42. Lực ước lượng khi có thay đổi tham số động lực học................ 116


x

Hình 4.43. Sai lệch lực ước lượng khi thay đổi tham số động lực học ........ 116

Hình 4.44. Đáp ứng vị trí theo trục x khi thay đổi tham số động lực học ... 117
Hình 4.45. Đáp ứng vị trí theo trục y khi thay đổi tham số động lực học ... 117
Hình 4.46. Đáp ứng vị trí theo góc  khi thay đổi tham số động lực học ... 117
Hình 4.47. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 1 khi thay đổi tham số ........... 117
Hình 4.48. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi thay đổi tham số ........................ 118
Hình 4.49. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi thay đổi tham số ........................ 118
Hình 4.50. Momen điều khiển khớp 1 khi có sự thay đổi tham số .............. 118
Hình 4.51. Momen điều khiển khớp 2 khi có sự thay đổi tham số .............. 119
Hình 4.52. Momen điều khiển khớp 3 khi có sự thay đổi tham số .............. 119
Hình 4.53. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục x giữa hai thuật tốn .. 120
Hình 4.54. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục y giữa hai thuật tốn .. 120
Hình 4.55. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục  giữa hai thuật tốn .. 120
Hình 4.56. So sánh đáp ứng sai lệch lực giữa hai thuật toán ....................... 121


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trong thời kỳ phát triển công nghiệp như hiện nay, việc ứng dụng khoa học
công nghệ trong quân sự, trong sản xuất công nghiệp cũng như trong sinh
hoạt đang được đặt lên hàng đầu. Trong đó, việc xây dựng và phát triển các
modul điều khiển, các thuật toán điều khiển mới trong các thiết bị quân sự,
dây truyền sản xuất và các hệ thống điều khiển tự động hóa ngày càng được
chú trọng và phát triển. Có thể nói Robot cơng nghiệp đóng vai trị nịng cốt
trong cách mạng cơng nghiệp lần thứ 4, Robot được yêu cầu ngày càng thông
minh hơn, thích nghi tốt với mơi trường biến đổi liên tục và chuyển đổi sản
xuất linh hoạt trong các hệ thống sản xuất FMS. Điều đó đã đặt ra những
thách thức cho các nhà nghiên cứu tập trung vào tăng khả năng ứng dụng và
tương tác giữa Robot với các quá trình sản xuất thực tế, đặc biệt là phát triển

các thuật tốn điều khiển thơng minh cho Robot.
Nghiên cứu động học và điều khiển tay máy Robot đã được phát triển rất
mạnh ở các nước và được xem như một nghành nghiên cứu là nghành Robot.
Vì vậy, đã có rất nhiều các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại được
nghiên cứu và ứng dụng để điều khiển tay máy Robot ví dụ như PID bù trọng
trường, điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, điều khiển Backsteping, điều
khiển bền vững, điều khiển sử dụng hệ Logic mờ, nơron…
Hầu hết các phương pháp điều khiển trên đều tập trung vào điều khiển
điểm tác động cuối tay máy Robot bám theo một quỹ đạo mong muốn hoặc
điều khiển lực tương tác giữa điểm tác động cuối của tay máy Robot với mơi
trường làm việc như điều khiển lai vị trí/lực. Với các phương pháp điều khiển
lai vị trí/lực đã được nghiên cứu và cơng bố thì các tín hiệu phản hồi vị trí,
vận tốc và lực tương tác giữa tay máy Robot và môi trường đều được lấy từ


2

các cảm biến. Tuy nhiên trong một số các yêu cầu thực tế, có những biến
trạng thái của hệ thống không thể thực hiện đo lường được hoặc việc sử dụng
các cảm biến lực và vận tốc có những hạn chế như vị trí lắp đặt cảm biến ảnh
hưởng đến trường công tác của tay máy Robot , do ảnh hưởng của nhiệt độ
cao của môi trường làm việc tác động đến độ chính xác của cảm biến hoặc do
giá thành tổng thể của tay máy Robot cao khi sử dụng một lượng lớn các cảm
biến. Để khắc phục các hạn chế đó, các hướng nghiên cứu tập trung vào sử
dụng các bộ quan sát để ước lượng các biến trạng thái thay thế cho việc sử
dụng các cảm biến. Trong nước, đã có các cơng trình nghiên cứu về các bộ
quan sát cho tay máy Robot như [6]. Trong nghiên cứu này, một bộ quan sát
trạng thái tốc độ cao được thiết kế và kết hợp với thuật toán điều khiển bền
vững để điều khiển quỹ đạo vị trí của tay máy Robot . Một bộ quan sát trượt
SMO giảm bậc được sử dụng để ước lượng các thành phần phần phi tuyến

qua các biến trạng thái như vị trí tải, tốc độ tải và được phản hồi về bộ điều
khiển phản hồi trạng thái LQR được công bố trong [4]. Trong [1], một bộ
quan sát trượt được sử dụng để ước lượng thành phần phi tuyến trong khớp
nối mềm và được kết hợp với một thuật toán điều khiển thích nghi để điều
khiển góc quay của khớp bám theo một quỹ đạo đặt. Hạn chế của các bộ quan
sát trên là không đều không thể thực hiện ước lượng đồng thời vận tốc và lực
tương tác của tay máy Robot với mơi trường). Các nghiên cứu ngồi nước về
ứng dụng bộ các bộ quan sát điều khiển tay máy Robot cũng được công bố
rộng rãi. Trong [10], một bộ lọc Kalman mở rộng được sử dụng để ước lượng
biến trạng thái là góc quay các khớp của tay máy Robot. Một bộ ước lượng
nhiễu sử dụng bộ quan sát trạng thái bằng bộ lọc Kalman mở rộng cho tay
máy Robot được công bố trong [11]. Một bộ quan sát lực/vận tốc đã được
nghiên cứu và công bố trong [12], [13] tuy nhiên bộ quan sát này khơng có
khả năng đáp ứng khi có sự tác động của nhiễu đo lường dẫn đến sai lệch lực


3

và vận tốc ước lượng rất lớn khi có sự tác động của nhiễu đo lường. Một bộ
quan sát nhiễu loạn trượt (SPO) được công bố trong [53]. Trong nghiên cứu
này, nhóm tác giả đã sử dụng bộ quan sát SPO để ước lượng lực tương tác
giữa điểm tác động cuối của tay máy robot với bề mặt môi trường mà không
cần đến bất kỳ một cảm biến lực nào. Tuy nhiên, các giá trị phản hồi của vận
tốc các khớp về bộ điều khiển vẫn phải dùng đến cảm biến vận tốc. Trong
nghiên cứu [58], một bộ quan sát nhiễu loạn được sử dụng để quan sát các
thành phần nhiễu trong hệ thống tay máy robot, đặc biệt là nhiễu thay đổi
nhanh theo thời gian. Nghiên cứu này chỉ thực hiện quan sát nhiễu phi tuyến
bên trong hệ thống tay máy robot và có thể được áp dụng đối với các tay máy
có mơ hình khơng xác định nhưng chưa đề cập đến quan sát vận tốc các khớp
của tay máy robot. Để có thể sử dụng được bộ quan sát vận tốc/lực trong thuật

tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực thì bộ quan sát phải được xây dựng cả
trong khơng gian Descartes và có khả năng đáp ứng tốt khi có sự tác động của
nhiễu đo lường. Từ những phân tích các bộ quan sát ứng dụng cho tay máy
Robot đã được công bố trong và ngoài nước ta thấy nhiệm vụ nghiên cứu và
xây dựng một bộ quan sát vận tốc/lực có khả năng kháng được nhiễu đo
lường để ứng dụng trong điều khiển vị trí và lực cho tay máy Robot chuyển
động với sự ràng buộc của môi trường là cần thiết và chưa được nghiên cứu.
Trong các nghiên cứu về điều khiển tay máy Robot đã được công bố, các
tham số động lực học của tay máy Robot đều được giả sử là được xác định
trước và không thay đổi trong khi làm việc. Tuy nhiên trong thực tế, có rất
nhiều mơ hình động lực học tay máy Robot không được xác định trước và các
tham số động lực học có sự thay đổi trong khi làm việc do mơ men qn tính
thay đổi hoặc do trọng lượng của vật mà tay máy Robot gắp thay đổi.
Phương pháp điều khiển thích nghi đã được nghiên cứu, phát triển và ứng
dụng rất rộng trong lĩnh vực điều khiển tay máy Robot công nghiệp. Các


4

nghiên cứu về điều khiển thích nghi đầu tiên được giới thiệu trong [14], [15].
Một thuật tốn điều khiển thích nghi đã được đề xuất trong [16]. Thuật toán
điều khiển này bao gồm phần phản hồi PD và phần phản hồi bù động lực.
Phương pháp này được áp dụng hiệu quả đối với trường hợp các tham số của
tay máy Robot và tải trọng không xác định. Một bộ điều khiển thích nghi bền
vững được tổng hợp dựa trên nguyên lý điều khiển trượt với các đặc tính bất
định được xấp xỉ bằng mạng nơ ron được công bố trong [5]. Một phương
pháp điều khiển thích nghi được cơng bố trong nghiên cứu [57] để đảm bảo
chính xác và ổn định vị trí của hệ thống robot có các tham số động lực học
không xác định và các vùng chết khi làm việc. Ưu điểm đặc biệt của phương
pháp này là các tham số động lực học và các tham số vùng chết được ước

lượng đồng thời trong các luật thích nghi và các giá trị ước lượng này được sử
dụng trong luật điều khiển. Các phương pháp điều khiển thích nghi đã phân
tích ở trên đều điều khiển quỹ đạo của các khớp (điều khiển trong không gian
khớp) hoặc quỹ đạo của điểm tác động cuối (điều khiển trong không gian
Descartes) bám theo một quỹ đạo mong muốn khi khơng có bất cứ một ràng
buộc nào của mơi trường cũng như không xét đến sự ảnh hưởng của lực tương
tác giữa điểm tác động cuối của tay máy Robot với môi trường. Như vậy, các
phương pháp điều khiển này không thực hiện được yêu cầu điều khiển trong
nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Trong các ứng dụng của tay máy Robot mà
có tính đến sự tương tác giữa điểm tác động của tay máy Robot với bề mặt
môi trường làm việc thì các phương pháp điều khiển vị trí và lực [8] (điều
khiển lai vị trí/lực) được sử dụng và mang lại hiệu quả cao. Các phương pháp
này lần lượt được sử dụng trong nghiên cứu [17], [18], [19], [20], [21]. Một
hướng nghiên cứu mới là điều khiển thích nghi vị trí và lực cho tay máy
Robot . Phương pháp điều khiển này rất hiệu quả trong các ứng dụng điều
khiển tay máy Robot có nhiễu tác động và có sự bất định của các tham số


5

trong khi làm việc. Các nghiên cứu được công bố trong [22], [23], [24] Tuy
nhiên, các nghiên cứu này được thực hiện cần có sự đo lường của vị trí, vận
tốc và lực tương tác. Các hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào xây dựng
các bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực kết hợp với các bộ quan sát nhằm
giảm các đo lường cần phải thực hiện. Một sự kết hợp của bộ lọc Kalman mở
rộng để ước lượng trạng thái với một luật thích nghi để điều khiển tay máy
Robot được công bố trong [25]. Trong nghiên cứu này, bộ lọc Kalman mở
rộng chỉ ước lượng được biến trạng thái là vị trí của tay máy Robot trong khi
tín hiệu phản hồi vận tốc và lực vẫn phải thực hiện bằng các đo lường của
cảm biến. Một phương pháp điều khiển thích nghi được đề xuất cho điều

khiển tay máy Robot thực hiện nhiệm vụ tương tác với bề mặt cứng [26].
Trong nghiên cứu này, các tham số của cả Robot và bề mặt ràng buộc đều
không được xác định trước và được ước lượng bằng bộ quan sát nhưng tín
hiệu phản hồi về bộ điều khiển là vị trí, vận tốc và lực tương tác vẫn phải thực
hiện đo bằng các cảm biến. Một nghiên cứu được thực hiện với thuật tốn
điều khiển thích nghi và không sử dụng cảm biến cho tay máy Robot mà dựa
vào bộ ước lượng lực thích nghi (AFE) [27]. Với giải pháp được đưa ra trong
nghiên cứu này, các tham số không xác định của Robot sẽ được ước lượng
cùng với điều khiển lực. Điểm nổi bật của phương pháp này là không cần sử
dụng cảm biến lực trong khi độ cứng của môi trường mà tay máy Robot tương
tác cũng không được xác định. Tuy nhiên, bộ điều khiển được xây dựng trong
nghiên cứu này vẫn cần sự đo lường vận tốc. Một mơ hình thích nghi kết hợp
với bộ quan sát được để điều khiển tay máy robot trong không gian làm việc
được công bố trong [59] Trong nghiên cứu này, tín hiệu vận tốc phản hồi về
bộ điều khiển được lấy từ bộ quan sát và sử dụng các chuỗi Fourier để bù các
thành phần bất định và phi tuyến trong bộ quan sát và bộ điều khiển.
Từ sự phân tích các phương pháp điều khiển trong các cơng trình nghiên


6

cứu đã được công bố cho thấy các phương pháp điều khiển này không thực
hiện được yêu cầu về điều khiển trong nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. Như
vậy, nhiệm vụ nghiên cứu tổng hợp một thuật toán điều khiển vị trí và lực cho
tay máy Robot có các tham số thay đổi với yêu cầu không sử dụng các sự đo
lường về lực và vận tốc là cần thiết và chưa từng được công bố.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án nghiên cứu với hai mục tiêu. Thứ nhất là xây dựng bộ quan sát vận
tốc/lực để ước lượng giá trị vận tốc và lực tương tác giữa tay máy Robot với
môi trường với tác động của nhiễu đo lường. Các tín hiệu phản hồi vận tốc và

lực về bộ điều khiển được ước lượng từ bộ quan sát. Thứ hai là tổng hợp một
thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực
để đáp ứng với sự thay đổi các tham số động lực học của tay máy Robot khi
làm việc.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là tay máy Robot chuyển động tương tác với môi
trường làm việc. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong nhiệm
vụ điều khiển điểm tác động cuối tay máy Robot ba bậc tự do chuyển động và
tương tác với môi trường là một mặt phẳng.
4. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu các vấn đề sau
- Nghiên cứu động lực học và các phương pháp điều khiển tay máy Robot .
- Nghiên cứu các bộ quan sát sử dụng trong điều khiển Robot.
- Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot bằng kỹ thuật NGPI
- Tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực cho tay máy Robot sử
dụng bộ quan sát vận tốc/lực.
- Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink để khảo sát và đánh
giá chất lượng của thuật toán trên đối tượng là tay máy Robot A465R .


7

5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được thực hiện theo các phương pháp như sau
- Phân tích và tổng hợp các nghiên cứu đã được công bố trong lĩnh vực
nghiên cứu và nội dung nghiên cứu của luận án.
- Phương pháp chuyên gia để nghiên cứu cơ sở toán học của bộ quan sát, đưa
ra cơ sở toán học mới cho kỹ thuật quan sát NGPI và ứng dụng để xây dựng
bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot .
- Kế thừa cơ sở dữ liệu từ thuật toán điều khiển thích nghi vị trí của Slotine-Li

để tổng hợp một thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực mới.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Các nghiên cứu của luận án đã đưa ra được hai đóng góp mới sau
* Ý nghĩa khoa học:
- Đưa ra được cơ sở toán học của kỹ thuật quan sát NGPI, xây dựng được
bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot bằng kỹ thuật NGPI. Đóng góp
được một phương pháp mới để ước lượng trạng thái và các đạo hàm bậc cao
của trạng thái của một hệ động lực học với sự tác động của nhiễu đo lường.
- Tổng hợp được một thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực mới trên
cơ sở thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí của Slotine-Li.
* Ý nghĩa thực tiễn
- Bộ quan sát vận tốc/lực giải quyết được vấn đề thực tế là giảm chi phí lắp
đặt vì sử dụng ít cảm biến hơn. Mặt khác, giảm được sự ảnh hưởng của các
tác động của môi trường đến độ chính xác của các cảm trên tay máy Robot
khi tay máy Robot làm việc trong môi trường khắc nhiệt.
- Việc ứng dụng thuật toán điều khiển đã được tổng hợp mang lại phạm vi
ứng dụng của tay máy Robot rộng hơn trong các điều kiện làm việc khi các
tham số động lực học khơng xác định hoặc có sự thay đổi của các tham số
động lực học khi làm việc.


8

7. Bố cục của luận án
Nội dung của luận án được trình bày có cấu trúc bao gồm phần mở đầu, 4
chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung như sau:
Mở đầu:
Trong phần mở đầu, các phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngồi
nước về xây dựng bộ quan sát cho tay máy Robot và thuật tốn điều khiển
thích nghi vị trí và lực được đưa ra để minh chứng cho tính cấp thiết, ý nghĩa

khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án.
Chương 1: Cơ sở điều khiển tay máy Robot
Chương 1 được trình bày với các nội dung sau: Nội dung 1 đưa ra các phân
tích tổng quát về động học của tay máy Robot và các đặc tính của các thành
phần trong phương trình động lực học của tay máy Robot . Nội dung 2 phân
tích các phương pháp điều khiển tay máy Robot với các thuật toán điều khiển
cơ bản và nâng cao được thực hiện điều khiển vị trí và lực cho tay máy Robot
trong cả khơng gian khớp và không gian Descartes. Nội dung 3 đưa ra các
phân tích tổng quan về các bộ quan sát được sử dụng để ước lượng trạng thái
của các hệ động học. Các nội dung được trình bày trong chương này đưa ra sự
đánh giá tổng quan về ưu nhược điểm của các bộ quan sát và các bộ điều
khiển đã được nghiên cứu và công bố để làm cơ sở cho việc lựa chọn nội
dung nghiên cứu chính của luận án là xây dựng bộ quan sát lực/vận tốc và
tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí /lực cho tay máy Robot.
Chương 2: Xây dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot
Chương hai được trình bày với hai nội dung chính như sau:
Nội dung 1: Phân tích cơ sở tốn học của bộ quan sát và các chứng minh sự
hội tụ của sai lệch ước lượng trong các trường hợp khơng và có sự tác động
của nhiễu đo lường.
Nội dung 2: Trình bày các phân tích sự ràng buộc chuyển động của điểm


9

tác động cuối của tay máy Robot với môi trường làm việc và các bước xây
dựng bộ quan sát vận tốc/lực cho tay máy Robot và đã được công bố trong
cơng trình [1], [2], [6].
Chương 3: Tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng
bộ quan sát vận tốc/lực
Chương ba của luận án bao gồm các nội dung chính như sau: Nội dung thứ

nhất đưa ra các phân tích cơ sở tốn học của thuật tốn điều khiển thích nghi
của Slotine-Li và các chứng minh sự hội tụ của sai lệch quỹ đạo vị trí của tay
máy Robot trong cả không gian khớp và không gian Descartes. Nội dung thứ
hai trình bày các phân tích và tổng hợp thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí
và lực cho tay máy Robot trong hai trường hợp không sử dụng và sử dụng bộ
quan sát vận tốc/lực đã được xây dựng trong chương hai. Hai trường hợp này
được cơng bố trong cơng trình [3]. Nội dung cuối cùng trình bày các chứng
minh sự hội tụ của sai lệch quỹ đạo vị trí và sai lệch lực trong thuật tốn điều
khiển và được cơng bố trong cơng trình [4].
Chương 4: Mơ phỏng thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng
bộ quan sát vận tốc/lực.
Nội dung chương 4 trình bày các q trình mơ phỏng thuật tốn điều khiển
thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực. Thuật toán thực hiện
điều khiển điểm tác động cuối của tay máy Robot A465R chuyển động trên
một đoạn thẳng và luôn tương tác với bề mặt môi trường một lực mong muốn.
Mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab Simulink với các tham số
động lực học của tay máy Robot A465R được lấy từ các tham số thực nghiệm
của tay máy Robot A465 trong nghiên cứu [28]. Kết quả mô phỏng được
thực hiện để khảo sát và đánh giá chất lượng của thuật tốn và bộ quan sát
trong các trường hợp có sự tác động của nhiễu và có sự thay đổi các tham số
động lực học của tay máy Robot trong khi làm việc. Các kết quả mô phỏng
được công bố trong các cơng trình nghiên cứu [5].


10

Kết luận:
Nội dung phần kết luận khảng định và nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã
đạt được trong luận án, chỉ ra những đóng góp khoa học mới của luận án và
đề xuất hướng ứng dụng và hướng phát triển của đề tài.



11

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT
1.1. Động lực học tay máy Robot
1.1.1. Mơ hình tốn học của tay máy Robot
Để điều khiển được các đối tượng trong cơng nghiệp thì một u cầu rất
quan trọng để thực thi các luật điều khiển đã được thiết kế là phải xây dựng
được mơ hình tốn học của đối tượng và có đầy đủ thơng tin của các tham số
của mơ hình tốn học của đối tượng. Mơ hình động lực học của tay máy
Robot được mô tả bởi hệ phương trình vi phân và được xây dựng bằng
phương pháp Euler-Lagrange. Trong phần này, tác giả tập trung vào mô tả chi
tiết cấu trúc và các đặc tính của phương trình động lực học tay máy Robot và
trên cơ sở đó thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc đồng thời thiết kế bộ điều khiển
thích nghi vị trí/lực sử dụng bộ quan sát lực/vận tốc trong các chương sau.
Phương trình động lực học tổng quát của một tay máy Robot n bậc tự do được
mơ tả bằng một phương trình vi phân [29] như sau:
H  q  q  V  q, q   g  q   D  q   d  

(1.1)

Trong đó, q   n là véc tơ biến khớp,    n là véc tơ mô men đặt vào các
khớp, H  q    nn là ma trận quán tính, V  q, q  là véc tơ momen/lực hướng
tâm và Coriolis, g  q    n là véc tơ momen/lực trọng trường, D  q    n là
véc tơ momen/lực ma sát. Dq  được xác định như sau:
D  q   D v q  D d  q 

(1.2)


Trong đó, D v là ma trận hệ số ma sát nhớt và Dd q  là véc tơ với các phần tử
là các hàm của q đặc trưng cho thành phần ma sát động lực học. d là thành
phần nhiễu. Phương trình động lực học Robot (1.1) được viết dưới dạng sau:
H  q  q  N  q, q   d  
N  q, q  được xác định như sau:

(1.3)


12

N  q, q   V  q, q   g  q   D  q 

(1.4)

Phương trình động lực học tay máy Robot trong (1.1) có thể được viết dưới
dạng khơng gian trạng thái như sau:
x1  q
x 1  x 2  q

(1.5)

x 2  H1  q     d  V  q, q   g  q   D  q 


Các đặc tính của các thành phần trong phương trình động lực học tay máy

Robot lần lượt được phân tích trong phần sau. Khi khơng xét đến sự tác động
của nhiễu, (1.1) được viết lại như sau:
H  q  q  C q, q  q  g  q   D v q  


(1.6)

1
Với, C q, q   H  q   S q, q  .
2
1.1.2. Các đặc tính của các thành phần động lực học tay máy Robot

Đặc tính của ma trận quán tính: H q là ma trận vuông cấp n , đối xứng,
xác định dương. Động năng của tay máy Robot được xác định như sau:
1
K  q T H  q  q
2
Ma trận quán tính H q bị chặn [30] như sau:

(1.7)



 1I  H  q    2 I


(1.8)




H
q



  2


 1
Như vậy, chuẩn bậc hai của ma trận quán tính bị chặn trên và chặn dưới bởi

hai đại lượng vô hướng là 1 và  2 . Khi 1I  H  q  tức là H  q  1I là xác
định dương nên ta suy ra với một véc tơ x   n bất kỳ, ta luôn có
x T H  q   1I x  0

(1.9)

Tương tự như vậy ma trận nghịch đảo của ma trận quán tính bị chặn như sau:
1
1
I  H 1  q   I
2
1

(1.10)


13

Nếu như khớp của tay máy Robot là khớp chuyển động quay thì 1 và  2 là
các hằng số, khi đó, q chỉ xuất hiện trong H  q  thông qua các hàm sin và cos
của biến q .
Đặc tính của thành phần hướng tâm và Coriolis:
Thành phần hướng tâm và Coriolis trong phương trình động lực học tay máy

Robot V q,q  [30] được xác định như sau:

1 
(1.11)
V  q, q   H  q  q    q T H  q  q
2  q

Dựa vào bổ đề được chứng minh trong [56], với hai ma trận bất kỳ là ma trận
A  q    nm , ma trận B q    pq và véc tơ q   n thì ta có:

 
B A
A  q  B q   I n  A

B



q
q q
Suy ra, phương trình (1.11) được viết lại như sau:
H  q 
1
V  q, q   H  q  q  I n  q T 
q
2
q

(1.12)


(1.13)

Nếu ta đặt:
U  q, q   In  q T 

H  q 
q

(1.14)

thì phương trình (1.13) được viết lại như sau:


1
V  q, q    H  q   U  q, q  q


2

(1.15)

Ta tiếp tục đặt:
1 
H  q   U T  q, q   U  q, q 
(1.16)

2
với H  q  q  U T q được chứng minh trong [32], suy ra phương trình (1.15) và
C q, q  


phương trình (1.16) được viết lại lần lượt như sau: