BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN KIM SUYÊN

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT RẮN
S

K

C

0

0

3
4

9
2

5
1

9

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60 52 50

S KC 0 0 4 2 2 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN KIM SUYÊN

ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/ 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN KIM SUYÊN


ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ ĐIỀU KHIỂN
ROBOT RẮN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN MINH TÂM

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/ 2014


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I.

LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ & tên: NGUYỄN KIM SUYÊN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/ 01/ 1988

Nơi sinh: Phú Yên

Quê quán: Phú Yên

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 24, Tân lập 1, P. Hiệp Phú, Quận 9, TP. HCM
Điện thoại cơ quan: 0837313513
Điện thoại nhà riêng: 0978145643

Fax:
E-mail: ;
II.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1. Trung học phổ thông:
Thời gian đào tạo từ: 09/ 2004 đến 09/ 2006.
Nơi học: Trường trung học phổ thông Lê Trung Kiên, tỉnh Phú Yên.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/ 2006 đến 03/ 2011

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Ngành học: Kỹ thuật Điện- Điện tử.
Tên đồ án tốt nghiệp: “XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VỚI SỰ HỖ TRỢ
CỦA MATLAB”
Ngày và nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 01/ 2011 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn: Th.s NGUYỄN VIỆT HÙNG

i


III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC


Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

03/ 2011 đến
nay

Khoa Điện- Điện tử, Trường Cao
đẳng Công thương Thành phố Hồ
Chí Minh.

Giảng viên

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 03 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN KIM SUYÊN

iii



LỜI CẢM TẠ

Tác giả chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Minh Tâm- Phó Khoa Điện- Điện
tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, là người thầy
đã định hướng và trực tiếp hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho tác giả một kiến thức nền tảng làm cơ sở
cho luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và Quý thầy cô Khoa Điện – Điện
Tử, Trường Cao đẳng Công thương Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để
tác giả học tập và hoàn thành luận văn này.
Tác giả chân thành cảm ơn NGƯT, TS. Nguyễn Thạc San- nguyên Phó hiệu
trưởng Trường Cao đẳng Công thương Thành phố Hồ Chí Minh đã có những
góp ý sâu sắc cho tác giả về phương pháp luận nghiên cứu.
Tác giả chân thành cảm ơn tất cả các bạn học viên đã động viên giúp tác giả
hoàn thành luận văn này.

Tp. HCM, ngày 03 tháng 03 năm 2014
Người thực hiện

NGUYỄN KIM SUYÊN

iv


TÓM TẮT
Robot là hướng nghiên cứu trọng tâm trong những thập niên gần đây, đã được
ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: nghiên cứu, sản xuất, giáo dục ... Đặc biệt,
đối với những đối tượng thích nghi với nhiều môi trường phức tạp đang được đẩy

mạnh nghiên cứu, trong đó robot rắn là một hướng nghiên cứu mới. Robot rắn là một
hệ thống phi tuyến, nhiều biến, phương trình toán phức tạp. Để điều khiển hệ thống
một cách ổn định thì đòi hỏi bộ điều khiển phải thích nghi theo đặc tính động của đối
trượng. Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài “Ứng dụng mạng Nơron để điều khiển robot
rắn”. Mục tiêu của đề tài là phải kết hợp được: (1)- đặc tính ổn định của bộ điều khiển
PID và (2)- khả năng đáp ứng tốt của mạng Nơron để tạo thành bộ điều khiển
RBFNN- PID thích nghi phù hợp với hệ thống robot rắn. Từ đó, thiết kế và thi công
mô hình thực để kiểm chứng hoạt động của robot rắn.
Bằng các phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tác giả đã lựa chọn mạng Nơron
RBF để ứng dụng vào điều khiển robot rắn vì mạng Nơron RBF là một mạng Nơron
hồi qui, các liên kết Nơron tạo thành chu trình, các thông tin ra của các Nơron được
truyền lại cho chính nó nên đã góp phần tác động vào chúng và tạo ra khả năng lưu
trữ trạng thái dưới dạng các ngưỡng kích hoạt ngoài các trọng số liên kết Nơron. Tính
chất của mạng là không chứa sai số tích lũy vì thế rất thích hợp với bài toán điều
khiển và công nghệ robot. Đặc biệt, mạng Nơron RBF có thời gian đáp ứng nhanh và
luôn đảm bảo hội tụ đến cực trị toàn cục của sai số trung bình phương. Về mặt thực
tiễn, ứng dụng thành công bộ điều khiển RBFNN- PID vào đối tượng robot rắn sẽ tạo
ra một hệ thống rất thiết thực để điều khiển, khảo sát, giám sát, đo lường và điều
khiển hệ thống trong các môi trường phức tạp.
Kết quả chính đạt được của đề tài, tác giả đã xây dựng thành công bộ điều
khiển RBFNN- PID. Thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab, có so sánh kết quả
giữa bộ điều khiển RBFNN- PID và bộ điều khiển PID thuần túy về thời gian đáp
ứng, độ vọt lố, độ bám của hướng và vận tốc trong các điều kiện: chuẩn (các thông

v


số ban đầu); thay đổi môi trường (hệ số ma sát); thay đổi thông số của robot (chiều
dài, khối lượng); thay đổi vận tốc thì bộ điều khiển RBFNN- PID thích nghi hơn bộ
điều khiển PID thuần túy. Từ kết quả mô phỏng, tác giả đã thiết kế và thi công thành

công robot rắn để kiểm chứng kết quả mô phỏng, hệ thống hoạt động tương đối thích
nghi và ổn định.
Với kết quả đạt được, đề tài sẽ đóng góp một hướng nghiên cứu mới về robot
rắn: kết hợp hai bộ điều khiển Nơron và PID tạo thành bộ điều khiển thích nghi với
đối tượng phi tuyến, với mô hình đề tài đã thiết kế thành công sẽ góp phần nâng cao
hiệu quả trong công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu.

vi


ABSTRACT
Robot is a central research direction in recent decades, has been largely used
in many fields such as: research, production, education ... Especially, for those who
adapt which many complex environments is being accelerated researching, in which
snake robot is a new research direction. Snake robot is a non-linear system, many
variables, complicated mathematical equations. To control the system steadily
requires that the controller must adapt according to the behaviors of system dynamics.
Therefore, author selected the topic "Neural Network Application to Control
Snake Robot". The aim of the research is to combine: (1) - steady feature of PID
controller and (2) - the ability for respond well to form RBFNN- PID controller
adapting in accordance with snake robot system. Since then, design and construct a
real model to verify the snake robot operation.
By the theoretical research methods, author has selected RBF-Neural Network
to apply on controlling snake robot due to RBF-Neural Network is a neural regression
network, the neural links forming cycle, the information of neurons are transmitted
to itself, so it have contributed to them and create the ability for storage status under
integral activation threshold except the weights link neurons. The network nature is
not contained accumulated error so that it’s very suit with control and robot
technology. In particular, RBF-Neural Network has fast response time and always
ensure converge to the global extreme values of the average square error. Regarding

to reality side, the successful application of RBFNN - PID controller on snake robot
object will create a very practical system to control, survey, monitor, measure and
control systems in the complex environment.
Main results achieved by the subject that author has successfully built
RBFNN-PID controller. Through simulation on Matlab software, which compares
results between RBFNN-PID controller and PID controller purely about response
times, overshooting, adhesion of direction and velocity in the following conditions:
vii


standard (initial parameters); environmental changing (friction coefficient);
parameters of the robot change (length, weight), velocity changing so the RBFNNPID controller will be more adapter than the pure one. From the simulation results,
author have designed and constructed successfully a snake robot to verify the
simulation results, the system operate relatively adaptive and stable.
With the result obtained, the research will contribute a new research direction
of snake robot: combining two controllers Neutral and PID forming to adaptive
controller for non-linear systems, with the designed successful model in the project
will significantly contribute to improve the effectiveness of teaching, learning and
research.

viii


MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................. iii
Lời cảm tạ ................................................................................................................... iv
Tóm tắt ........................................................................................................................ v

Mục lục ....................................................................................................................... ix
Danh sách các hình................................................................................................... xiv
Danh sách các bảng .................................................................................................. xix
Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................... xx
Chương 1 TỔNG QUAN .........................................................................................1
1.1 Tổng quan đề tài và các kết quả nghiên cứu đã công bố .............................1
1.1.1 Tổng quan về robot rắn. ............................................................................ 1
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố. ......................................................... 1
1.1.2.1 Các bài báo nước ngoài. ......................................................................1
1.1.2.2 Các bài báo trong nước. ......................................................................7
1.1.3 Định hướng nghiên cứu. ........................................................................... 9
1.1.3.1 Tên đề tài. .............................................................................................9
1.1.3.2 Lý do chọn đề tài. .................................................................................9
1.1.3.3 Giả thiết khoa học. ...............................................................................9
1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài. ............................9
1.2.1 Mục tiêu đề tài............................................................................................ 9
1.2.2 Khách thể nghiên cứu. ............................................................................ 10
ix


1.2.3 Đối tượng nghiên cứu. ............................................................................ 10
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài .........................................................10
1.3.1Nhiệm vụ đề tài ......................................................................................... 10
1.3.2 Giới hạn đề tài. ......................................................................................... 10
1.4 Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................10
1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết.................................................. 10
1.4.2 Các phương phá nghiên cứu thực tiễn. .................................................. 11
1.5 Kế hoạch thực hiện ........................................................................................11
Chương 2 NHỮNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ROBOT RẮN ............................................................................................12

2.1 Mô hình hóa robot rắn. .................................................................................12
2.1.1 Lực ma sát của robot rắn ........................................................................ 13
2.1.2 Phương trình chuyển động ..................................................................... 17
2.1.3 Phân ly động lực học ............................................................................... 24
2.2 Đường cong serpenoid ...................................................................................27
2.3 Sự di chuyển của Rắn theo đường cong Serpenoid. ...................................30
2.4 Mạng Nơron nhân tạo- những cơ sở lí thuyết liên quan............................36
2.4.1 Mô hình Nơron nhân tạo ........................................................................ 36
2.4.2 Những hàm tổng hợp............................................................................... 38
2.4.2.1 Hàm tổng hợp tuyến tính: ..................................................................38
2.4.2.2 Hàm tổng hợp phi tuyến bậc 2: ..........................................................38
2.4.2.3 Hàm hình cầu: ....................................................................................38
2.4.3 Những hàm hoạt hóa. .............................................................................. 38
2.4.3.1 Hàm bước: .........................................................................................38
x


2.4.3.2 Hàm dấu:............................................................................................39
2.4.3.3 Hàm dốc: ............................................................................................39
2.4.3.4 Hàm unipolar sigmoid: ......................................................................39
3.3.3.5 Hàm bipolar sigmoid: ........................................................................40
2.4.4 Mô hình mạng Nơron nhân tạo .............................................................. 40
2.4.5 Phân loại mạng Nơron ............................................................................ 41
2.4.5.1 Theo kiểu liên kết Nơron: ...................................................................41
2.4.5.2 Theo số lớp Nơron: ............................................................................42
2.4.6 Các kỹ thuật học của mạng Nơron ......................................................... 42
2.4.6.1 Học có giám sát (supervised learning): .............................................42
2.4.6.2 Học tăng cường (Reinforced learning):.............................................43
2.4.6 3 Học không có giám sát (Unsupervised learning): .............................43
2.4.7 Mạng Nơron RBF. ................................................................................... 44

2.4.7.1 Hàm cơ sở bán kính. ..........................................................................44
2.4.7.2 Mô hình mạng RBF. ...........................................................................45
2.4.7.3 Mô hình toán học ...............................................................................45
2.4.7.4 Mô hình mạng RBF Gaussian ............................................................47
2.4.7.5 Luật học..............................................................................................51
Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ..........................................52
3.1 Xây dựng chương trình toán học trên Matlab............................................53
3.2 Xây dựng bộ điều khiển dùng PID...............................................................55
3.2.1 Bộ điều khiển địa phương. ...................................................................... 55
3.2.2 Bộ điều khiển vòng ngoài. ....................................................................... 56
3.2.2.1 Bộ điều khiển hướng. .........................................................................57
xi


3.2.2.2 Bộ điều khiển vận tốc. ........................................................................57
3.2.3 Xây dựng bộ điều khiển trên Matlab. ..................................................... 58
3.2.4 Kết quả mô phỏng. ................................................................................... 58
3.3 Xây dựng bộ điều khiển dùng RBFNN- PID. .............................................65
3.3.1 Bộ điều khiển địa phương. ...................................................................... 65
3.3.2 Bộ điều khiển vòng ngoài. ....................................................................... 65
3.3.2.1 Bộ điều khiển hướng. .........................................................................65
3.3.2.2 Bộ điều khiển vận tốc. ........................................................................69
3.3.3 Xây dựng bộ điều khiển trên Matlab. ..................................................... 72
3.3.4 Kết quả mô phỏng .................................................................................... 73
3.4 So sánh kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID và
kết luận. ................................................................................................................76
3.4.1 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID theo các
thông số ban đầu. .............................................................................................. 76
3.4.2 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi môi trường. .................................................................................................. 79

3.4.3 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi thông số robot. ............................................................................................ 83
3.4.4 Kết quả mô phỏng giữa hai bộ điều khiển PID và RBFNN- PID khi thay
đổi vận tốc. ........................................................................................................ 89
3.4.5 Kết luận. ................................................................................................... 90
Chương 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH.............................................91
4.1 Card giao tiếp. ................................................................................................91
4.1.1 Thiết kế. .................................................................................................... 91
4.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý. .................................................................................91
xii


4.1.1.2 Nguyên tắc hoạt động. .......................................................................91
4.1.2 Thi công. ................................................................................................... 92
4.2 Robot rắn. .......................................................................................................93
4.2.1 Động cơ. ................................................................................................... 93
4.2.1.1 Lựa chọn động cơ...............................................................................93
4.2.1.2 Các thông số kĩ thuật của động cơ Dynamixel AX-12A. ...................94
4.2.2 Hệ thống cơ khí. ....................................................................................... 95
4.2.2.1 Thiết kế cơ khí. ...................................................................................95
4.2.2.2 Mô hình hệ thống. ..............................................................................97

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................98
5.1 Kết luận. .........................................................................................................98
5.1.1.Những kết quả đạt được. ......................................................................... 98
5.1.2 Những mặt còn hạn chế. ......................................................................... 99
5.2 Khuyến nghị. ................................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................101

xiii



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tốc độ và hướng di chuyển robot rắn của M. Saito, M. Fukaya
và T. Iwasaki .......................................................................................................... 2
Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển thích nghi PID- Nơron của Mitsue Kato,
Shoichiro Fujisawa ......................................................................................... 5
Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển thích nghi của F. Shahraki, A.R Arjomandzadeh,
M.A Fanaei điều khiển bình áp suất ...................................................................... 5
Hình 1.4 Sơ đồ robot 2 đoạn của nhóm tác giả Leila Fallah Araghi,
M. Habibnejad Korayem, Amin Nikoobin, Farbod Setoudeh ............................... 6
Hình 1.5 Sơ đồ điều khiển dùng BPNN- PID của nhóm tác giả Liu Luoren,
Luo Jinling ............................................................................................................. 6
Hình 1.6 Sơ đồ điều khiển dùng BPNN- PID của nhóm tác giả Ming- guang
Zhang, Ming- hui Qiang ......................................................................................... 7
Hình 1.7 Sơ đồ điều khiển PID- Nơron của nhóm tác giả Nguyễn Chí Ngôn
và Đặng Tín ............................................................................................................ 8
Hình 2.1 Robot rắn gồm n đoạn và n-1 khớp ....................................................... 12
Hình 2.2 Đoạn vi phân của khâu thứ i. ................................................................ 14
Hình 2.3 Phân tích lực tác động lên đoạn thứ i của robot rắn. ............................. 17
Hình 2.4a Đường cong serpenoid với và 
π

Hình 2.4b Đường cong serpenoid với a = và c = 0 ......................................... 28
2

π

Hình 2.4c Đường cong serpenoid với a = và b = 10π .................................... 28
2


Hình 2.5 Đường cong serpenoid được xấp xỉ bởi 1 đoạn thẳng .......................... 29

xiv


Hình 2.6a Chuyển động hình rắn (γ=0 deg) ......................................................... 32
Hình 2.6b Chuyển động hình rắn (γ=10 deg)....................................................... 32
Hình 2.7 Đồ thị của tốc độ trung bình ave (v) theo ω và γ .................................. 32
Hình 2.8 Đồ thị của tốc độ góc trung bình ave (ζ) theo ω và γ ............................ 33
Hình 2.9 Sự kết hợp tối ưu tốc độ và năng lượng ................................................ 34
Hình 2.10 Các thông số tối ưu (α, β, ω) ............................................................... 35
Hình 2.11 Quan hệ giữa và số đoạn n của Robot rắn ...................................... 35
Hình 2.12 Đồ thị  với tỉ số ct / cn ..................................................................... 36
Hình 2.13 Mô hình nơron nhân tạo thứ i.............................................................. 36
Hình 2.14 Hàm bước ............................................................................................ 38
Hình 2.15 Hàm dấu .............................................................................................. 38
Hình 2.16 Hàm dốc .............................................................................................. 39
Hình 2.17 Hàm unipolar sigmoid ......................................................................... 39
Hình 2.18 Hàm bipolar sigmoid ........................................................................... 40
Hình 2.19 Mô tả cách học có giám sát ................................................................. 43
Hình 2.20 Mô tả cách học tăng cường ................................................................ 43
Hình 2.21 Mô tả cách học không giám sát ........................................................... 44
Hình 2.22 Sơ đồ biểu diễn mạng RBF với vectơ đầu vào x є Rn và một
đầu ra y є R........................................................................................................... 45
Hình 2.23 Hàm cơ sở bán kính Gaussian ............................................................. 47
Hình 2.24 Biểu đồ phác họa của mạng nơron sử dụng hàm cơ sở bán kính
xv



Gaussian ............................................................................................................... 49
Hình 2.25 Biểu đồ khối biểu diễn RBFNN Gaussian .......................................... 50
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển ............................................................ 52
Hình 3.2 Sơ đồ khối tống quát của robot rắn ....................................................... 54
Hình 3.3 Sơ đồ chi tiết khối Snake Robot ............................................................ 54
Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển địa phương ....................................................... 55
Hình 3.5 Sơ đồ bộ điều khiển địa phương ........................................................... 56
Hình 3.6 Sơ đồ chi tiết bộ điều khiển C

............................................................. 56

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển hướng ( C ) của robot rắn ................... 57
Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc (Cv) của robot rắn ................... 57
Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng PID ..................................... 58
Hình 3.10 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  *  0 (rad) ........................... 60
Hình 3.11 Vị trí của robot .................................................................................... 60
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  * 


4

(rad) .......................... 62

Hình 3.13 Vị trí của robot .................................................................................... 62
Hình 3.14 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  * 


2

(rad) .......................... 64


Hình 3.15 Vị trí của robot .................................................................................... 64
Hình 3.16 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển hướng (

C

) của robot rắn ................. 65

Hình 3.17 Sơ đồ bên trong bộ điều khiển hướng ( C ) của robot rắn ................ 66
Hình 3. 18 Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển RBFNN- PID .................................. 67
Hình 3. 19 Các thông số của bộ RBFNN- PID điều khiển hướng ....................... 68
xvi


Hình 3. 20 Cập nhật giá trị tối ưu của bộ ba thông số Kptư, Kitư, Kdtư ................. 69
Hình 3. 21 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vận tốc (Cv) của robot rắn ................ 69
Hình 3. 22 Sơ đồ bên trong bộ điều khiển vận tốc (Cv) của robot rắn ................. 70
Hình 3. 23 Các thông số của bộ RBFNN- PID điều khiển hướng ....................... 71
Hình 3. 24 Cập nhật giá trị tối ưu của bộ ba thông số Kptư, Kitư, Kdtư ................. 71
Hình 3. 25 Sơ đồ hệ thống điều khiển robot rắn dùng RBFNN- PID .................. 72
Hình 3. 26 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  *  0 (rad). ......................... 73
Hình 3. 27 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  * 

Hình 3. 28 Kết quả mô phỏng với v*  1 (m/s) và  * 


4


2


(rad) ......................... 74

(rad) ......................... 75

Hình 3. 29 Kết quả mô phỏng so sánh giữa PID và RBFNN- PID với v*  1 (m/s) và

 *  0 (rad). ......................................................................................................... 76
Hình 3. 30 Kết quả mô phỏng so sánh giữa PID và RBFNN- PID với v*  1 (m/s) và

* 


4

(rad)......................................................................................................... 77

Hình 3. 31 Kết quả mô phỏng so sánh giữa PID và RBFNN- PID với v*  1 (m/s) và

* 


2

(rad)......................................................................................................... 78

Hình 3. 32 Kết quả mô phỏng so sánh khi Ct= 0.01 ............................................ 79
Hình 3. 33 Kết quả mô phỏng so sánh khi Ct= 1 ................................................. 80
Hình 3. 34 Kết quả mô phỏng so sánh khi CN= 5 ................................................ 81
Hình 3. 35 Kết quả mô phỏng so sánh khi CN= 15 .............................................. 82

Hình 3. 36 Kết quả mô phỏng so sánh khi l = 1.5 m ........................................... 84
Hình 3. 37 Kết quả mô phỏng so sánh khi l = 2 m............................................... 85
xvii


Hình 3. 38 Kết quả mô phỏng so sánh khi m = 0.8 ............................................. 86
Hình 3. 39 Kết quả mô phỏng so sánh khi m = 1.5 ............................................. 87
Hình 3. 40 Kết quả mô phỏng so sánh khi m = 2................................................. 88
Hình 4. 1 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp robot rắn ........................................... 91
Hình 4. 2 Sơ đồ mạch in Card giao tiếp .............................................................. 92
Hình 4. 3 Các loại động cơ (Robotics.com) ......................................................... 93
Hình 4. 4 Hình ảnh động cơ Dynamixel AX-12A ............................................... 94
Hình 4. 5 Khớp liên kết giữa hai đoạn. ................................................................ 95
Hình 4. 6 Sơ đồ lắp ráp hai đoạn .......................................................................... 96
Hình 4. 7 Khớp nối trên ....................................................................................... 96
Hình 4. 8 Khớp nối dưới ...................................................................................... 96
Hình 4. 9 Mô hình thực tế của hệ thống ............................................................... 97

xviii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 Khi thay đổi hệ số ma sát..................................................................... 84
Bảng 3. 2 Khi thay đổi chiều dài ......................................................................... 87
Bảng 3. 3 Khi thay đổi khối lượng của robot ....................................................... 90
Bảng 3. 4 Khi thay đổi giá trị vận tốc .................................................................. 91

xix



DANH MỤC CÁC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

tắt
1

PID

2

RBF

3

RBFNN

Proportional Integral

Bộ điều khiển Tỉ lệ - Tích

Derivative

phân- Vi phân


Radial Basic Function

Hàm cơ sở bán kính

Radial Basic Function Nơron Mạng nơron hàm cơ sở bán
Network

kính

4

ANN

Artificial nơron network

Mạng nơron nhân tạo

5

MLP

Multi- Layer Perceptrons

Mạng Perceptron nhiều tầng

6

RNN

Recurrent Nơron Network


Mạng nơron hồi qui

7

BP

Back Propagation

Lan truyền ngược

8

FFNN

Feed-Forward Nơron
Network

Mạng truyền tới

xx


Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan đề tài và các kết quả nghiên cứu đã công bố
1.1.1 Tổng quan về robot rắn.
Trên thế giới t ừ n h ữ n g t h ậ p n i ê n 9 0 trở lại đây, robot đã được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: nghiên cứu, sản xuất, giáo dục…
Vào những năm gần đây, hầu hết các cơ chế robot di động hiện nay có các
bánh xe được điều khiển bởi các động cơ. Những cơ cấu robot có bánh xe như vậy

tương đối hiệu quả, dễ dàng điều khiển và thích hợp với điều khiển tốc độ cao trên
những mặt bằng phẳng. Tuy nhiên, chúng lại không hiệu quả trong những môi
trường gồ ghề, những địa hình khó khăn về mặt vật lý khác. Những robot di chuyển
bằng chân đang được tích cực nghiên cứu. Chúng cho thấy tính thích nghi với địa
hình cao hơn những robot di chuyển bằng bánh xe. Tính thích nghi với địa hình thậm
chí còn cao hơn với những robot có nhiều đoạn có thể “bò” như rắn.
Ngoài tính thích nghi với môi trường, những robot hình rắn còn cho thấy
nhiều ưu điểm hơn những robot di chuyển bằng bánh xe và chân. Chúng có thể làm
việc như những tay máy (cánh tay robot) khi một phần của các khâu nối được cố
định trên một đế.
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố.
Theo các nghiên cứu từ năm 1990 đến 2012 trên các tạp chí IEEE và tạp chí
khoa học quốc tế, một số bài báo liên quan đến điều khiển robot rắn như sau:
1.1.2.1 Các bài báo nước ngoài.
a. Bài báo [6] năm 2002 của nhóm tác giả M. Saito, M. Fukaya và T. Iwasaki, đã
đưa ra mô hình toán học của robot rắn, phân tích sự chuyển động của robot
rắn dựa vào lực ma sát nhớt (ma sát trượt) và moment xoắn theo đường cong

1


Serpenoid. Xây dựng hệ thống điều khiển robot rắn, mô phỏng và kiểm nghiệm
kết quả.
Phương trình chuyển động tịnh tiến:
Mx  f x  DT g x
My  f y  DT g y

Phương trình chuyển động quay:
J    S LAT g x  C LAT g y  DT u


Kết quả thực nghiệm.

Hình 1.1 Tốc độ và hướng di chuyển robot rắn của M. Saito, M. Fukaya và T.
Iwasaki
b. Bài báo [7] năm 2000 của nhóm tác giả P. Prautsch, T. Mita, and T. Iwasaki,
đã mô phỏng và điều khiển hình dáng chuyển động của robot rắn thông qua
đường cong Serpenoid, với phương trình toán học:

2