Luận án Phát triển thuật toán thích nghi điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực tương tác của tay máy robot sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực

Nội dung tài liệu: Luận án Phát triển thuật toán thích nghi điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực tương tác của tay máy robot sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐÀO MINH TUẤN PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN 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
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐÀO MINH TUẤN PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN 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
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công 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 công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Đào Minh Tuấn
4. ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi 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 luôn luôn nhiệt tình chỉ bảo và luôn động viên để tôi hoàn thành bản luận án. Tiếp theo, tôi gửi lời cảm ơn tới Phòng Đào tạo-Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS cùng các cán bộ công tác tại viện đã giúp đỡ tôi trong quá 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 phòng Tối ưu và Điều khiển-Viện toán học-Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, bố mẹ, anh chị em và đặc biệt là người vợ thân yêu cùng các con của tôi đã dành cho tôi tình yêu và sự tin tưởng để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án. TÁC GIẢ
5. 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. Mô hình toán 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 ............................................................... 31 1.3.1. Bộ quan sát Luenberger ................................................................ 32 1.3.2. Quan sát bằng bộ lọc Kalman ....................................................... 34 1.3.3. Bộ quan sát tốc độ cao .................................................................. 39 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 ......................... 56 2.2.1. Ràng buộc chuyển động của tay máy Robot với môi trường ...... 57 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 TOÁN 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 không gian khớp .............................. 71 3.1.2. Điều khiển thích nghi trong không gian Descartes ....................... 77 3.2. Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực .............................................................................................. 78 3.2.1. Tổng hợp thuật toán điều khiển .................................................... 79 3.2.2. Phân tích sự hội tụ của sai lệch vị trí và lực ................................. 90
6. iv 3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................. 96 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VỊ TRÍ VÀ LỰC SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT VẬN TỐC/LỰC ......................................... 98 4.1. Xây dựng mô hình toán học và các tham số mô phỏng ........................ 98 4.1.1. Mô hình toán học tay máy Robot A465 ........................................ 98 4.1.2. Các tham số mô phỏng ................................................................ 101 4.2. Sơ đồ mô phỏng .................................................................................. 103 4.3. Kết quả mô phỏng và nhận xét ........................................................... 105 4.3.1. Trường hợp không có sự thay đổi của các tham số động lực học và không có sự tác động của nhiễu đo lường ............................................. 105 4.3.2. Trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường ......................... 109 4.3.3. Trường hợp có sự thay đổi của các tham số động lực học ......... 114 4.4. Kết luận chương 4 ............................................................................... 120 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 122 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ..................... 124 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 1 Phụ lục 1: Động lực học tay máy Robot A465R ........................................... 1 Phụ lục 2: Các thành phần của mô hình toán 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 mô phỏng ....................................................... 6
7. 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 Hệ số ma sát nhớt  Véc tơ mô men đặt vào các khớp d Thành phần nhiễu g Gia tốc trọng trường,  Ma trận hướng của hệ tọa độ gắn lên khâu tác động cuối so với hệ tọa độ gốc J q Ma trận Jacobi của Robot S Ma trận chọn trong điều khiển lai vị trí/lực L Hệ số khuếch đại bộ quan sát w k Nhiễu quá trình trong bộ lọc Kalmam vk Nhiễu đo lường trong bộ lọc Kalmam xˆ k Ước lượng trạng thái hậu nghiệm tại bước k zk Giá trị đo lường tại bước k Pk Hiệp phương sai của sai lệch hậu nghiệm trong bộ lọc Kalman  t Sai lệch ước lượng trạng thái d t Nhiễu đo lường p  Véc tơ tham số động lực học tay máy Robot pˆ Véc tơ tham số ước lượng động lực học tay máy Robot (x) Ràng buộc chuyển động điểm tác động cuối tay máy Robot J (q) Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian khớp Gradian của ràng buộc chuyển động trong không gian Descartes J x q I n n Ma trận đơn vị Q q Ma trận chiếu theo phương tiếp tuyến P q Ma trận chiếu theo phương pháp tuyến  Toán tử Lagrange tại điểm tương tác  qr Biến tham chiếu
8. vi  Hệ số khuếch đại sai lệch lực L Hệ số khuếch đại sai lệch vị trí  Hệ số cập nhập tham số động lực học M0 Hệ số giảm chấn  Sai lệch đáp ứng lực i Tj 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  x x  Độ lớn lực ma sát tại điểm tác động cuối tay máy Robot với môi trường làm việc Y q,q,q,q   Ma trận hồi quy i i 0  p n Hệ số bộ quan sát li i 1  3 Chiều dài thanh nối thứ im mi i 1  3 Khối lượng thanh nối thứ ikg Ii i 1  3 Mô men quán tính của thanh nối thứ i tại trọng tâm 2 Ci kg.m . AFE Bộ lước lượng lực thích nghi (Adaptive force estimator) APFC Bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực (Adaptive Position and Force Controller) APFC-VFO 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) DOF Bậc tự do (Degrees Of Freedom) FC Bộ điều khiển lực (Force Controller) FMS Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System) GPI Observer Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát (Generalized Proportional Integral Observer) HGO Bộ quan sát hệ số cao (Hight Gain Observer) IR Robot công nghiệp (Industrial Robot) PC Bộ điều khiển vị trí (Position Controller) PD Controller Bộ điều khiển PD (Proportion Derivative Controller) RRR Rotation, Rotation, Rotation NGPI Observer Bộ quan sát tích phân tỷ lệ tổng quát mới (New Generalized Proportional Integral Observer) slvtul Sai lệch vận tốc ước lượng VFO Bộ quan sát vận tốc lực (Velocity Force Observer) SPO Bộ quan sát nhiễu trượt (Sliding Perturbation Observer)
9. 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 không gian khớp 18 Hình 1.3. Điều khiển PD bù trọng trường trong không gian làm việc ........... 20 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 không gian làm việc ...... 24 Hình 1.7. Điều khiển độ cứng tích cực ........................................................... 26 Hình 1.8. Sơ đồ phương pháp điều khiển trở kháng ....................................... 28 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. Không 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
10. viii T Hình 3.4. Phép chiếu của véc tơ q lên mặt phẳng vuông góc vớt J q trong không 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 toán điều khiển .......................................................... 85 Hình 3.7. Không gian hình học q và qd ......................................................... 91 Hình 4.1. Chuyển động các khớp tay máy Robot A465 ................................. 98 Hình 4.2. Hệ tọa độ gán trên tay máy Robot................................................... 99 Hình 4.3. Mô tả hình học tay máy Robot A465R ........................................... 99 Hình 4.4. Các tham số chuyển động tay máy Robot A465R ........................ 100 Hình 4.5. Mô tả chuyển động của điểm tác động cuối ................................. 102 Hình 4.6. Sơ đồ khối mô tả hệ thống điều khiển trong Simulink ................. 103 Hình 4.7. Khối động lực học Robot và ràng buộc của môi trường ............... 103 Hình 4.8. Khối tạo nhiễu đo lường ............................................................... 104 Hình 4.9 Khối điều khiển .............................................................................. 104 Hình 4.10. Đáp ứng vị trí theo trục x ........................................................... 105 Hình 4.11. Đáp ứng vị trí theo trục y ........................................................... 105 Hình 4.12. Đáp ứng vị trí theo góc  ........................................................... 105 Hình 4.13. Sai lệch vị trí theo trục x ............................................................ 106 Hình 4.14. Sai lệch vị trí theo trục y ............................................................ 106 Hình 4.15. Sai lệch vị trí theo góc  ............................................................ 106 Hình 4.16. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực đặt ....................................... 107 Hình 4.17. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực ước lượng ........................... 107 Hình 4.18. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 1............................. 107