Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động" trình bày các nội dung chính sau: Động học robot di động hai chân; Động lực học robot di động hai chân; Điều khiển robot di động hai chân.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Xuân Hồng TÍCH HỢP ĐẠI SỐ GIA TỬ, ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MẠNG NORON TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Xuân Hồng TÍCH HỢP ĐẠI SỐ GIA TỬ, ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MẠNG NORON TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phan Bùi Khôi 2. PGS.TS. Trần Đức Trung Hà Nội – 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phan Bùi Khôi và PGS.TS. Trần Đức Trung. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm ........ Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh khoa học 1 khoa học 2 PGS.TS. Phan Bùi Khôi PGS.TS. Trần Đức Trung Nguyễn Xuân Hồng i
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên cho phép nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS.TS. Phan Bùi Khôi, PGS.TS. Trần Đức Trung đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu. Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình không biết mệt mỏi của các thầy đã giúp nghiên cứu sinh vượt qua những khó khăn, hạn chế để có thể hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô, cán bộ và lãnh đạo Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí, Phòng đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ, hướng dẫn nghiên cứu sinh trong thời gian nghiên cứu thực hiện luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ chỉ bảo, đóng góp ý kiến giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Công ty TNHH Phần mềm HICAS đã tạo điều kiện giúp nghiên cứu sinh có thời gian nghiên cứu hoàn thành luận án này. Cuối cùng nghiên cứu sinh xin dành sự biết ơn tới vợ, các con, bố, mẹ, anh, chị em, những người thân trong gia đình, dòng tộc luôn luôn quan tâm, động viện, ủng hộ, hy sinh, tạo mọi điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày ..... tháng ..... năm ......... NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Xuân Hồng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................v DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..........................................................x MỞ ĐẦU................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..............................5 1.1 Tổng quan về robot di động hai chân...........................................................5 1.1.1 Giới thiệu về robot di động hai chân.....................................................5 1.1.2 Sự phát triển của robot di động hai chân ..............................................5 1.1.3 Các ứng dụng của robot di động hai chân.......................................... 11 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................... 13 1.2.1 Cấu trúc robot di động hai chân ......................................................... 13 1.2.2 Những vấn đề khoa học liên quan đến robot di động hai chân .......... 16 1.2.3 Những nghiên cứu liên quan đến robot di động hai chân .................. 18 1.3 Các nội dung nghiên cứu trong luận án .................................................... 21 1.3.1 Mô hình robot di động hai chân ......................................................... 21 1.3.2 Các bài toán động học, động lực học và thiết kế quỹ đạo ................. 24 1.3.3 Các bài toán áp dụng các phương pháp điều khiển............................ 24 Kết luận Chương 1 .......................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN ............................ 26 2.1 Khảo sát động học robot di động hai chân................................................ 26 2.1.1 Phương trình động học robot di động hai chân .................................. 26 2.1.2 Phương trình động học robot di động hai chân chuyển động phẳng . 31 2.1.3 Khảo sát các bài toán động học.......................................................... 33 2.1.4 Khảo sát các bài toán vận tốc ............................................................. 34 2.1.5 Khảo sát các bài toán gia tốc.............................................................. 35 2.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot di động hai chân ...................... 36 2.2.1 Mô tả chuyển động bước đi của robot di động hai chân .................... 36 2.2.2 Các phương pháp xây dựng quỹ đạo bước đi cho robot .................... 39 2.2.3 Tính toán quỹ đạo chuyển động của robot ......................................... 44 2.3 Phương pháp giải bài toán động học ......................................................... 47 2.3.1 Thuật giải bài toán động học thuận .................................................... 47 2.3.2 Thuật giải bài toán động học ngược................................................... 47 2.3.3 Kết quả mô phỏng số bài toán động học ngược................................. 50 Kết luận Chương 2 .......................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN ................... 56 3.1 Xây dựng mô hình động lực học robot ..................................................... 56 3.1.1 Các mô hình động lực học của robot di đông hai chân...................... 56 3.1.2 Hệ tọa độ khảo sát động lực học ........................................................ 58 3.2 Thiết lập phương trình động lực học......................................................... 60 iii
3.2.1 Phương trình động lực học dạng ma trận ........................................... 60 3.2.2 Các đại lượng động lực học ............................................................... 61 3.3 Các bài toán động lực học và thuật giải .................................................... 67 3.3.1 Bài toán động lực học thuận .............................................................. 67 3.3.2 Bài toán động lực học ngược ............................................................. 67 3.3.3 Thuật giải các bài toán động lực học ................................................. 67 3.3.4 Kết quả mô phỏng số động lực học ngược robot di động hai chân ... 69 Kết luận Chương 3 .......................................................................................... 72 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN .......................... 73 4.1 Điều khiển robot bằng phương pháp kinh điển......................................... 73 4.1.1 Cơ sở điều khiển robot ....................................................................... 73 4.1.2 Áp dụng điều khiển PID+ĐLH ngược cho robot di động hai chân ... 75 4.2 Điều khiển robot dựa trên lý thuyết mờ .................................................... 77 4.2.1 Giới thiệu về logic mờ ....................................................................... 78 4.2.2 Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ.................................................. 80 4.2.3 Áp dụng điều khiển mờ cho robot di động hai chân .......................... 81 4.3 Điều khiển robot sử dụng đại số gia tử ..................................................... 85 4.3.1 Giới thiệu về đại số gia tử .................................................................. 85 4.3.2 Xây dựng bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử................................... 89 4.3.3 Áp dụng bộ điều khiển đại số gia tử cho robot di động hai chân ...... 90 4.4 Điều khiển robot dựa trên mạng noron ..................................................... 93 4.4.1 Giới thiệu mạng noron ....................................................................... 93 4.4.2 Thiết kế bộ điều khiển noron cho robot di động ................................ 99 4.5 Điều khiển tích hợp ................................................................................. 101 Kết luận Chương 4 ........................................................................................ 102 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ ...................................................... 103 5.1 Mô tả thông số và chuyển động mô phỏng của robot ............................. 103 5.2 Kết quả mô phỏng điều khiển robot di động hai chân ............................ 105 5.2.1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược .......... 105 5.2.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ ............................................... 118 5.2.3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển đại số gia tử ................................ 127 5.2.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển noron ........................................... 130 5.2.5 Đánh giá kết quả của các bộ điều khiển........................................... 133 5.3 Xây dựng chương trình mô phỏng robot di động ................................... 134 5.3.1 Cấu trúc chương trình mô phỏng ..................................................... 134 5.3.2 Chương trình mô phỏng robot di động ............................................ 135 Kết luận Chương 5 ........................................................................................ 136 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................. 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 138 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 139 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải f ( p, q) Hệ phương trình động học dạng ma trận f Vector các phương trình động học q Vector tham số động học robot p Vector thông số trạng thái robot q Vector vận tốc các khớp p Vector vận tốc thân, các bàn chân Jq Ma trận Jacobian của hàm f với biến q Jp Ma trận Jacobian của hàm f với biến p J q−1 Ma trận nghịch đảo của ma trận J q J p−1 Ma trận nghịch đảo của ma trận J p q Vector gia tốc các khớp p Vector gia tốc của thân, các bàn chân Jq Đạo hàm ma trận Jacobian J q theo thời gian t Jp Đạo hàm ma trận Jacobian J p theo thời gian t T Thời gian robot đi hết một chu kỳ bước đi s Khoảng cách giữa hai tâm bàn chân hB min Độ cao nhỏ nhất của đế thân hB max Độ cao lớn nhất đế thân đạt được l1 Khoảng cách từ tâm bàn chân đến gót chân l2 Khoảng cách từ tâm bàn chân đến mũi chân 0 Góc của bàn chân sau khi bàn chân trước chạm mặt đất 1 Góc của bàn chân trước khi chạm mặt đất 2 Góc của bàn chân sau khi rời mặt đất P( y , z ) Đường cong quỹ đạo chuyển động của khớp hông Q( y, z ) Đường cong quỹ đạo chuyển động của khớp mắt cá chân M (q) Ma trận khối lượng của robot C(q, q)q Vector lực suy rộng của các lực quán tính Coriolis và quán tính ly tâm G( q) Vector lực suy rộng của các lực có thế Q Vector lực suy rộng của các lực không thế U Vector lực suy rộng của các lực/momen dẫn động n Số bậc tự do của robot mi Khối lượng của khâu i J Ti Ma trận Jacobian tịnh tiến của khâu thứ i v
J TiT Ma trận chuyển vị của ma trận Jacobian J Ti J Ri Ma trận Jacobian quay của khâu thứ i J RiT Ma trận chuyển vị của ma trận Jacobian J Ri Ci r Ma trận quán tính của khâu i đối với khối tâm của nó trong hệ tọa độ động rCi Vector xác định vị trí khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ cố định ir Vận tốc góc của khâu thứ i của robot trong hệ tọa độ động ir Toán tử sóng của vector vận tốc góc thứ i Ai Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu i Ri Ma trận cosin chỉ hướng của khâu i RiT Ma trận chuyển vị của ma trận Ri Ri Ma trận đạo hàm của ma trận Ri r I ixx Mô men quán tính của khâu i đối với trục x r I iyy Mô men quán tính của khâu i đối với trục y I izzr Mô men quán tính của khâu i đối với trục z r I ixy Mô men quán tính của khâu i đối với các trục x và y r I iyz Mô men quán tính của khâu i đối với các trục y và z r I izx Mô men quán tính của khâu i đối với các trục z và x ( k , l; j ) Ký hiệu Christofel 3 chỉ số loại 1 mkl Phần tử thứ k, l của ma trận khối lượng M(q). Gj Lực suy rộng của các lực có thế của khâu j  Thế năng của robot i Thế năng của khâu i g Gia tốc trọng trường zCi Độ cao của khối tâm khâu i Fi Lực tác dụng vào khâu i Mi Momen tác dụng vào khâu i i Lực dẫn động hoặc momen dẫn động tại các khớp e Vector sai lệch tọa độ e Vector sai lệch vận tốc u Tín hiệu điều khiển qd Vector tọa độ khớp đặt qd Vector vận tốc khớp đặt qd Vector gia tốc khớp đặt KP Ma trận đường chéo các hệ số tỉ lệ KD Ma trận đường chéo các hệ số vi phân vi
KI Ma trận đường chéo các hệ số tích phân F Tập mờ X Tập kinh điển F Hàm thuộc AL Âm lớn AN Âm nhỏ Z Zero DN Dương nhỏ DL Dương Lớn AT Cấu trúc đại số gia tử G Tập các phần tử sinh H Tập các gia tử H+ Tập các gia tử dương H− Tập các gia tử âm h+ Gia tử dương h− Gia tử âm g+ Phần tử sinh dương g− Phần tử sinh âm f Hàm đo trên đại số gia tử f −1 Hàm ngược của hàm đo D( x, y) Khoảng cách giữa hai giá trị của đại số gia tử fm Độ đo tính mờ  (h) Độ đo tính mờ của gia tử h  Ánh xạ ngữ nghĩa định lượng VS Very Small LS Little Small LB Little Big VB Very Big AE Đại số gia tử của sai số tọa độ ADE Đại số gia tử của sai số vận tốc AU Đại số gia tử của lượng điều chỉnh momen ANN Artificial Neural Networks ASIMO Advanced Step in Innovative Mobility BARt-UH Bipedal Autonomous Robot - Universität Hannover BIPMAN BIPedal walking MAchiNe BR-1 BIPED ROBOT-1 CMAC Cerebellar Model Arithmetic to Computer D-H Denavit Hartenberg DOF Degree of freedom ĐSGT Đại số gia tử FAM Fuzzy Associative Memory FC Fuzzy Control FLC Fuzzy Logic Control vii
FRBCs Fuzzy rule based classifiers GD Gradient Descent HA Hedge Algebras HAC Hedge Algebras Control HRP Human Robot Project MCIWO modified chaotic invasive weed optimization METI The Ministry of Economy, Trade and Industry MF Member Function PD Proportional Derivative PID Proportional Integral Derivative PSO particle swarm optimization QRIO Quest for Curiosity SAM Semantic Associative Memory SDR Sony Dream Robot SQM Semantically Quantifying Mapping WL-1 Waseda Leg - 1 WL-3 Waseda Leg - 3 WL-5 Waseda Leg - 5 WL-12 Waseda Leg - 12 WL-12RIII Waseda Leg 12 Refined III ZMP Zero Moment Point viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Tham số động học của chân trái robot................................................. 28 Bảng 2.2 Tham số động học của chân phải robot ............................................... 28 Bảng 2.3 Thông số bước đi của robot ................................................................. 42 Bảng 2.4 Kích thước động học của robot chuyển động phẳng ........................... 53 Bảng 3.1 Thông số động học của robot chuyển động phẳng .............................. 69 Bảng 3.2 Thông số động lực học của robot di động hai chân............................. 69 Bảng 3.3 Tenxơ quán tính của các khâu robot di động hai chân ........................ 70 Bảng 4.1 Miền vật lý, tập mờ, giá trị ngôn ngữ của tín hiệu vào ra ................... 82 Bảng 4.2 Hệ luật mờ cho bộ điều khiển mờ - Bảng FAM .................................. 83 Bảng 4.3 Cơ sở luật đại số gia tử - Bảng SAM................................................... 92 Bảng 4.4 Bộ trọng số khởi tạo của mạng noron ............................................... 100 Bảng 5.1 Thông số kích thước của robot di động hai chân .............................. 103 Bảng 5.2 Tham số động lực học của robot di động hai chân ............................ 104 Bảng 5.3 Tenxơ quán tính của các khâu robot di động hai chân ...................... 104 Bảng 5.4 Miền giá trị vật lý của tín hiệu vào ra ................................................ 104 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các robot hai chân: WL-1, WL-3, WL-5 (nguồn [1]) ........................... 6 Hình 1.2 Các robot WABOT-1, WL-10R, WL-12RIII (nguồn [2 - 4]) ................ 6 Hình 1.3 Các robot của Zheng, Gruver, Miller (nguồn [5, 6, 7]) ......................... 7 Hình 1.4 Các mẫu robot của Honda từ E0 đến E6 (nguồn [8]) ............................ 7 Hình 1.5 Các mẫu robot giống người của Honda P1 đến P3 (nguồn [8, 9])......... 8 Hình 1.6 Các robot Johnnie, WABIAN R, WABIAN RII (nguồn [10,11]) ......... 8 Hình 1.7 Robot ASIMO, SDR-3X và QRIO của Sony (nguồn [12, 13]) ............. 9 Hình 1.8 Các robot HRP-1, HRP-2 Promet, HRP-3P, KHR-2 (nguồn [14-15]) .. 9 Hình 1.9 Các robot Mahru, Nao, Tulip, REEM-B (nguồn [16, 17, 18, 19]) ...... 10 Hình 1.10 Các robot Bruno, Darwin-OP, Charli, AR-600 (nguồn [20-23]) ....... 10 Hình 1.11 Các robot BHR-5, Valkirie, Atlas, TALOS (nguồn [24-27]) ............ 11 Hình 1.12 Một số ứng dụng nổi bật của robot di động hai chân ........................ 13 Hình 1.13 Cấu trúc của robot KHR-2 (nguồn [29]) ............................................ 14 Hình 1.14 Cấu trúc khớp và bậc tự do của robot ASIMO (nguồn [30]) ............. 14 Hình 1.15 Sơ đồ bố trí khâu và khớp của robot di động hai chân ...................... 15 Hình 1.16 Robot chuyển động không gian và chuyển động phẳng .................... 15 Hình 1.17 Mô hình cấu trúc robot phẳng ............................................................ 16 Hình 1.18 Mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian ................ 22 Hình 1.19 Mô hình robot di động hai chân chuyển động phẳng ........................ 23 Hình 1.20 Mô hình robot di động hai chân phẳng trong mặt phẳng Sagittal ..... 23 Hình 2.1 Sơ đồ động học của robot di động hai chân ......................................... 27 Hình 2.2 Sơ đồ động học của robot trong mô hình phẳng .................................. 32 Hình 2.3 Bước đi chỉ có pha đơn ........................................................................ 37 Hình 2.4 Bước đi có pha kép xảy ra trong thời gian ngắn .................................. 37 Hình 2.5 Các loại bước đi của robot di động hai chân........................................ 38 Hình 2.6 Dáng của bàn chân trụ khi rời mặt đất ................................................. 38 Hình 2.7 Dáng của bàn chân bước khi chạm đất ................................................ 38 Hình 2.8 Các dáng đi của robot có các góc chân trụ khác nhau ......................... 39 Hình 2.9 Hình ảnh gắn chip vào các khớp (nguồn [87]) .................................... 40 Hình 2.10 Trạng thái của robot trong 5 thời điểm của một chu kỳ..................... 41 Hình 2.11 Quỹ đạo chuyển động của robot trong một chu kỳ ............................ 42 Hình 2.12 Bàn chân khi bắt đầu chạm và rời khỏi mặt đất ................................. 42 Hình 2.13 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân ở bước khởi động 1 ..................... 51 Hình 2.14 Quy luật chuyển động của mắt cá chân ở bước khởi động 1 ............. 51 Hình 2.15 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân trong bước khởi động 2............... 52 Hình 2.16 Quỹ đạo của hông và mắt cá chân trong bước đi đều ........................ 52 Hình 2.17 Quỹ đạo hông và mắt cá chân trong bước kết thúc............................ 52 Hình 2.18 Quỹ đạo hông và mắt cá chân ở bước khởi động 2 theo thời gian .... 53 Hình 2.19 Quỹ đạo hông và mắt cá chân ở bước đi đều theo thời gian .............. 53 Hình 2.20 Quỹ đạo hông và mắt cá ở bước kết thúc theo thời gian ................... 53 Hình 2.21 Tọa độ và vận tốc các khớp trong bước khởi động 1 ......................... 54 Hình 2.22 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước khởi động 2 .................. 54 x
Hình 2.23 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước đi đều ........................... 54 Hình 2.24 Tọa độ và vận tốc của các khớp trong bước kết thúc......................... 55 Hình 3.1 Các mô hình động lực học của robot di động hai chân........................ 57 Hình 3.2 Sơ đồ gắn hệ tọa độ mới ...................................................................... 58 Hình 3.3 Tọa độ khối tâm của bàn chân trái ....................................................... 63 Hình 3.4 Tọa độ khối tâm cẳng chân trái ............................................................ 64 Hình 3.5 Sơ đồ thuật giải các bài toán động lực học .......................................... 68 Hình 3.6 Quỹ đạo của khớp hông và khớp mắt cá chân ..................................... 70 Hình 3.7 Quỹ đạo chuyển động theo thời gian ................................................... 71 Hình 3.8 Momen do nền tác dụng lên chân và các momen dẫn động các khớp . 71 Hình 4.1 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển robot .................................... 73 Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp ............................................. 75 Hình 4.3 Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác ........................................ 75 Hình 4.4 Mô hình điều khiển PID+Động lực học ngược.................................... 77 Hình 4.5 Đồ thị hàm thuộc của tập mờ (nguồn [105])........................................ 78 Hình 4.6 Cấu trúc bộ điều khiển mờ ................................................................... 81 Hình 4.7 Hàm thuộc của sai số tọa độ, vận tốc và lượng điều chỉnh momen ..... 83 Hình 4.8 Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ.................................................. 84 Hình 4.9 Mô hình điều khiển mờ cho robot di động hai chân ............................ 84 Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc của điều khiển đại số gia tử ....................................... 89 Hình 4.11 Ngữ nghĩa hóa đầu vào ei và dei ......................................................... 92 Hình 4.12 Ngữ nghĩa hóa đầu ra ui ..................................................................... 92 Hình 4.13 Mặt cong ngữ nghĩa định lượng ......................................................... 93 Hình 4.14 Mạng noron đơn giản gồm hai noron ................................................ 94 Hình 4.15 Mô hình tính toán của mạng noron .................................................... 95 Hình 4.16 Cấu trúc mạng noron truyền thẳng..................................................... 95 Hình 4.17 Cấu trúc mạng noron có hồi tiếp ........................................................ 96 Hình 4.18 Mô hình chi tiết mạng noron .............................................................. 97 Hình 4.19 Sơ đồ mạng noron 5 lớp ................................................................... 100 Hình 4.20 Mô hình của hệ thống điều khiển tích hợp ...................................... 101 Hình 4.21 Khối Control của bộ điều khiển tích hợp ......................................... 102 Hình 5.1 Mô hình điều khiển trong SIMULINK .............................................. 106 Hình 5.2 Khối điều khiển – PID Control+Động lực học ngược ....................... 106 Hình 5.3 Khối chương trình con – Control PID ............................................... 107 Hình 5.4 Khối chương trình con – Tính động lực học ngược........................... 107 Hình 5.5 Khối cơ cấu chấp hành – Robot ......................................................... 107 Hình 5.6 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước khởi động 1 ...... 109 Hình 5.7 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước khởi động 2 ...... 110 Hình 5.8 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước đi đều ................ 111 Hình 5.9 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 1 ở bước kết thúc ............. 112 Hình 5.10 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước khởi động 1 .... 113 Hình 5.11 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước khởi động 2 .... 114 Hình 5.12 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước đi đều .............. 115 Hình 5.13 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 2 ở bước kết thúc ........... 116 Hình 5.14 Kết quả điều khiển PID+ĐLH ngược TH 3 ở bước khởi động 1 .... 118 xi
Hình 5.15 Mô hình điều khiển mờ trong SIMULINK ...................................... 119 Hình 5.16 Khối Fuzzy Control tích hợp PID+Động lực học ngược ................. 119 Hình 5.17 Kết quả điều khiển mờ tích hợp PID+ĐLH ngược TH1 ................. 121 Hình 5.18 Khối Fuzzy Control tích hợp PID .................................................... 121 Hình 5.19 Kết quả điều khiển mờ+PID bước khởi động 1 ............................... 122 Hình 5.20 Khối Fuzzy Control thuần túy.......................................................... 123 Hình 5.21 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước khởi động 1 .............. 124 Hình 5.22 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước khởi động 2 .............. 125 Hình 5.23 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước đi đều ....................... 126 Hình 5.24 Kết quả điều khiển mờ thuần túy trong bước kết thúc..................... 127 Hình 5.25 Sơ đồ SIMULINK bộ điều khiển đại số gia tử ................................ 128 Hình 5.26 Kết quả điều khiển ĐSGT tích hợp PID ở bước khởi động 1 .......... 129 Hình 5.27 Kết quả điều khiển ĐSGT thuần túy ở bước khởi động 1 ............... 130 Hình 5.28 Mô hình điều khiển noron trong SIMULINK .................................. 131 Hình 5.29 Kết quả điều khiển noron+PID ở bước khởi động 1 ........................ 132 Hình 5.30 Kết quả bộ điều khiển noron thuần túy ở bước khởi động 1 ........... 133 Hình 5.31 Cấu trúc chung chương trình mô phỏng robot ................................. 134 Hình 5.32 Mô phỏng robot di động tại một số vị trí di chuyển ........................ 136 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Robot di động nói chung đặc biệt robot di động hai chân có hình dạng giống người vừa có khả năng thực hiện các thao tác độc lập vừa có thể thay thế, hỗ trợ, phục vụ và tương tác trực tiếp với con người. Để robot thực hiện được các thao tác hay phục vụ, thay thế, tương tác với con người thì cần phải điều khiển robot thực hiện thao tác phù hợp với mục đích ứng dụng. Có nhiều phương pháp điều khiển robot khác nhau chẳng hạn như nhóm các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực. Trong đó có phương pháp điều khiển phổ biến thông thường tương đối dễ thực hiện và được áp dụng phổ biến trong công nghiệp là phương pháp điều khiển tuyến tính hóa PID tích hợp với động lực học ngược. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này đòi hỏi tính chính xác và đầy đủ của mô hình động lực. Trên thực tế thì mô hình động lực robot khó có thể xác định được một cách chính xác và đầy đủ, mặt khác khi robot thực hiện thao tác thì yếu tố động lực cũng thường xuyên thay đổi, ví dụ khi robot di chuyển rồi thực hiện thao tác, trong đó lúc nó di chuyển không mang đối tượng và có mang đối tượng nên mô hình động lực luôn thay đổi. Cho nên điều khiển dựa trên mô hình động lực thì gặp khó khăn trong việc đảm bảo sự điều chỉnh mô hình động lực một cách liên tục theo sự thay đổi của thao tác của robot. Để khắc phục những nhược điểm trên thì nhóm phương pháp điều khiển thông minh mà trong đó gồm phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết logic mờ, đại số gia tử, mạng noron và sự tích hợp của các phương pháp đó với nhau và với phương pháp điều khiển tuyến tính PID có thể khắc phục được những nhược điểm, khó khăn ở trên. Logic mờ đã được ứng dụng trong các bài toán điều khiển nói chung và trong robot di động hai chân nói riêng. Một trong những vấn đề chính của điều khiển dựa trên logic mờ là việc xây dựng hệ luật mờ và phương pháp giải mờ phù hợp và vấn đề này đối với robot di động hai chân hiện vẫn là bài toán mở. Với mỗi một bài toán cụ thể tìm được các hệ luật mờ và phương pháp giải mờ hợp lý sẽ khắc phục được những khó khăn trong điều khiển rõ như nói ở trên và cho những kết quả điều khiển tốt có thể ứng dụng vào thực tiễn. Bên cạnh điều khiển dựa trên logic mờ thì có các phương pháp điều khiển khác trong kỹ thuật của giải thuật điều khiển thông minh đó là điều khiển dựa trên đại số gia tử, điều khiển dựa trên mạng noron hoặc dựa trên ứng dụng trí tuệ nhân tạo. Đã có những kết quả nghiên cứu về điều khiển sử dụng mạng noron nhưng đối với mỗi bài toán cụ thể nếu áp dụng phương pháp của lý thuyết điều khiển dựa trên mạng noron thì vẫn là bài toán mở. Để tìm được những giải pháp phù hợp trong những trường hợp cụ thể thì sẽ cho những kết quả tốt. Bài toán điều khiển dựa trên đại số gia tử thì đã được áp dụng trong các bài toán điều khiển nói chung nhưng vẫn chưa được áp dụng trong điều khiển robot di động 1
hai chân. Từ những phân tích trên luận án lấy tên đề tài là “Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng noron trong điều khiển robot di động” làm đề tài nghiên cứu. Luận án nghiên cứu phương pháp xây dựng các hệ luật mờ, phương pháp giải mờ, lựa chọn mạng noron và phương pháp huấn luyện cũng như áp dụng lý thuyết đại số gia tử vào điều khiển robot di động hai chân. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu Mục đích chung của đề tài nghiên cứu của luận án là giải thuật điều khiển thông minh cho robot di động hai chân dựa trên logic mờ, đại số gia tử và mạng noron và sự tích hợp của các phương pháp đó cùng với điều khiển kinh điển PID và động lực học ngược. Mục đích cụ thể: - Xây dựng được các hệ luật mờ thích hợp, cũng như các giải thuật điều khiển dựa trên đại số gia tử và mạng noron thích hợp để áp dụng vào điều khiển robot di động hai chân. - Xây dựng được các bộ điều khiển và mô phỏng các bộ điều khiển bằng các phần mềm. - Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của robot để tăng thêm tính trực quan để kiểm nghiệm kết quả. 2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận án là mô hình robot di động hai chân cùng với các bài toán động học, động lực học và điều khiển. Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: - Mô hình robot di động hai chân gồm thân và hai chân. - Bài toán khảo sát động học, động lực học để nhận được quỹ đạo chuyển động cũng như các kết quả của bài toán động học, động lực học làm cơ sở để nghiên cứu bài toán điều khiển robot. - Nghiên cứu chuyển động của robot trong điều kiện không trượt chân tự thỏa mãn. - Áp dụng các luật điều khiển dựa trên logic mờ, đại số gia tử và mạng noron và có sự phối kết hợp với luật điều khiển rõ như điều khiển PID và động lực học ngược. 2
3. Hướng tiếp cận của luận án Thông qua việc quan sát bước đi của con người, các thống kê số liệu, tìm hiểu các công trình đã nghiên cứu, đã công bố, nghiên cứu cơ sở lý thuyết nền tảng, trên cơ sở đó dự đoán những vấn đề có thể khảo sát, nghiên cứu và những kết quả có thể đạt được. Từ đó, vạch ra các bài toán, các vấn đề khoa học để xem xét. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với lập trình tính toán mô phỏng số và mô phỏng hoạt động. Nghiên cứu lý thuyết kinh điển nói chung về các phương pháp điều khiển các hệ cơ điện tử điển hình đặc biệt là các hệ thống di động nói chung và robot di động hai chân nói riêng. Nghiên cứu lý thuyết cơ sở về các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, điều khiển dựa trên đại số gia tử và mạng noron. Về mặt tính toán mô phỏng sử dụng phần mềm, ngôn ngữ lập trình hiện đại để tính toán xây dựng chương trình qua đó quan sát, có cái nhìn trực quan, kiểm chứng các kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu làm phong phú thêm phương pháp điều khiển robot di động hai chân. Luận án là tài liệu tham khảo để tiếp tục hoàn thiện nghiên cứu phát triển việc điều khiển robot di động hai chân. - Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu cho phép áp dụng thực nghiệm để triển khai ứng dụng vào việc điều khiển robot di động hai chân. 6. Những đóng góp mới của luận án Mô hình động học và động lực học phù hợp mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đặt ra, đồng thời tạo cơ sở mở rộng thuận lợi các bài toán và hướng nghiên cứu tiếp theo. Các giải thuật điều khiển thông minh dựa trên logic mờ, đại số gia tử, mạng noron và sự kết hợp giữa các phương pháp với nhau và với phương pháp tuyến tính kinh điển là PID. Đã xây dựng được các hệ luật mờ phù hợp cho bộ điều khiển logic mờ, đại số gia tử, mạng noron. Các chương trình tính toán, mô phỏng cho các kết quả mô phỏng số, mô phỏng hoạt động của robot, và kiểm nghiệm phương pháp điều khiển bằng Simulink. Các kết quả tính toán động học, động lực học, mô phỏng số, mô phỏng hoạt động và kết quả Simulink các bộ điều khiển là phù hợp và tin cậy. 3
7. Cấu trúc của luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Trình bày nghiên cứu tổng quan về robot di động hai chân, các khái niệm, quá trình phát triển và ứng dụng của robot di động hai chân. Phần tiếp theo trình bày về các cấu trúc, các vấn đề khoa học liên quan và tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến robot di động hai chân. Qua đó xác định các nội dung nghiên cứu của luận án. Chương 2: Động học robot di động hai chân Chương 2 trình bày khảo sát động học cho mô hình robot di động hai chân chuyển động không gian và chuyển động phẳng, bắt đầu từ việc xây dựng mô hình, gắn các hệ tọa độ theo phương pháp khảo sát động học, xây dựng phương trình động học đến việc phân tích các bài toán động học thuận, động học ngược, các bài toán về vận tốc và gia tốc. Trong chương này cũng trình bày việc mô tả về bước đi của robot trong khi di chuyển, trình bày việc xây dựng và thiết lập quỹ đạo chuyển động cho thân, các bàn chân của robot và quỹ đạo chuyển động của robot di động. Phần cuối chương trình bày giải thuật giải các bài toán động học của robot di động hai chân. Chương 3: Động lực học robot di động hai chân Chương 3 trình bày khảo sát động lực học cho robot di động hai chân, từ việc xây dựng mô hình động lực, lựa chọn hệ tọa độ tính toán, thiết lập phương trình vi phân chuyển động, xác định và tính toán các đại lượng động lực, phần cuối là trình bày các bài toán động lực học thuận và ngược, xây dựng các thuật toán giải các bài toán động lực học thuận và động lực học ngược. Chương 4: Điều khiển robot di động hai chân Chương 4 trình bày các phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển robot di động hai chân trong luận án bao gồm phương pháp điều khiển kinh điển, phương pháp điều khiển mờ, phương pháp điều khiển dựa vào lý thuyết đại số gia tử, phương pháp điều khiển sử dụng mạng noron. Với mỗi phương pháp điều khiển trình bày cơ sở lý thuyết mà phương pháp đó sử dụng, xây dựng bộ điều khiển và ứng dụng bộ điều khiển của từng phương pháp vào bài toán điều khiển robot di động hai chân thực hiện chuyển động. Chương 5: Kết quả mô phỏng số Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng các bài toán điều khiển robot di động hai chân bao gồm bài toán điều khiển kinh điển PID kết hợp động lực học ngược, bài toán điều khiển sự dụng logic mờ, bài toán sử dụng lý thuyết đại số gia tử, bài toán sử dụng mạng noron. Phần cuối mô tả phần mềm mô phỏng chuyển động của robot di động hai chân. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo Trình bày những kết quả chính và những đóng góp mới của luận án. Danh mục các công trình đã công bố của luận án Tài liệu tham khảo 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chương trình bày tổng quan về robot di động nói chung và robot di động hai chân, các phương pháp nghiên cứu về bài toán động học, động lực học và điều khiển nhằm đảm bảo robot di chuyển theo một quy luật phù hợp với yêu cầu ứng dụng cũng như gần với dáng đi tự nhiên. Một loạt các phương pháp điều khiển sẽ được giới thiệu trong chương từ phương pháp đơn giản thông dụng cho đến một số phương pháp hiện đại. Trong chương cũng trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về robot di động hai chân trong và ngoài nước. Từ đó, các nội dung nghiên cứu chính của luận án được đề xuất, các bài toán cơ bản của luận án được đưa ra để giải quyết trong các chương tiếp theo. 1.1 Tổng quan về robot di động hai chân 1.1.1 Giới thiệu về robot di động hai chân Robot di động là robot có thể di chuyển trong không gian như trên mặt đất, dưới nước hay trên không. Trong các loại robot di động có robot di động bằng chân, robot di động bằng bánh xe, bánh xích hay kết hợp giữa chân với bánh xe. Robot di động bằng chân có đặc điểm là tiếp xúc không liên tục với mặt đất do đó nó có thể tránh được chướng ngại vật, bước qua các mương, rãnh, đi trên mặt đất không bằng phẳng, và lên xuống cầu thang một cách dễ dàng. Trong các loại robot di động bằng chân, robot di động hai chân hay robot hai chân (biped robot) thực hiện chuyển động có bước đi giống với bước đi của con người. Vì thế robot có thể hoạt động trong môi trường con người với hiệu quả cao hơn các robot khác. Robot có thể thực hiện các hoạt động thao tác phục vụ con người, thay thế con người trong một số công việc hoặc tương tác, làm việc trực tiếp cùng với con người. Qua quá trình nghiên cứu của con người thì người ta đã tạo ra nhiều mô hình cấu trúc robot di động hai chân khác nhau, đa dạng về kiểu dáng, phong phú về số lượng bậc tự do. Với những nghiên cứu ban đầu thì mô hình robot có cấu trúc đơn giản, về sau mô hình robot được nghiên cứu đầy đủ, phức tạp hơn. Tuy nhiên dựa vào từng bài toán nghiên cứu cụ thể mà mô hình cấu trúc robot được lựa chọn một cách phù hợp, có thể sử dụng các cấu trúc đơn giản mà vẫn đảm bảo các vấn đề nghiên cứu. 1.1.2 Sự phát triển của robot di động hai chân Robot di động hai chân đã được nghiên cứu, phát triển từ rất sớm. Ichiro Kato là một trong những người tiên phong về robot di động ở Nhật. Trong các năm 1966- 1967 ông và các cộng sự ở trường đại hoc Waseda đã phát triển robot hai chân đầu tiên mang tên là WL-1 (Waseda Leg - 1) [1], dựa trên cơ chế hoạt động của chân người. Các chức năng cơ bản về vận động hai chân đã được nghiên cứu. Vào năm 5
1968, robot WL-3 được phát triển, robot hoạt động bằng bộ truyền động servo điện- thủy lực và được điều khiển bằng phương pháp master-slaver. Robot có chuyển động giống như con người có thể đứng lên và ngồi xuống. Robot WL-5 được chế tạo vào năm 1971, gồm có tổng cộng 11 bậc tự do, 5 bậc tự do ở mỗi chân và một bậc tự do ở thân. Nó có thể thay đổi hướng bằng cách sử dụng một chương trình điều khiển. Hình 1.1 Các robot hai chân: WL-1, WL-3, WL-5 (nguồn [1]) Vào năm 1973, Kato và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một loạt các robot hai chân, trong số đó có robot WABOT-1 (the WAseda roBOT) [2] có hình dáng giống người. Kích thước của nó tương đương với kích thước của một người. Robot có thể giữ trọng tâm của nó bên trong khu vực hỗ trợ của bàn chân. Hình 1.2 Các robot WABOT-1, WL-10R, WL-12RIII (nguồn [2 - 4]) Takanishi đã giới thiệu robot WL-10R (Waseda Leg - 10 Refined) [3] vào năm 1982. Đây là một cột mốc quan trọng trong ngành chế tạo robot hai chân, được đánh dấu bằng sự chuyển đổi từ trạng thái đi bộ với bước đi tĩnh sang đi với bước đi động. Robot WL-12RIII [4] được Takanishi phát triển vào năm 1990, robot có 9 bậc tự do. Nó có thể bước đi trên mặt nghiêng. Phần thân có 2 bậc tự do có thể di chuyển trong mặt phẳng phía trước như một con lắc ngược. Robot nặng 100 kg và cao 170 cm. Hệ thống điều khiển có thể thay đổi điểm ZMP (Zero Moment Point) (điểm cân bằng momen) để đạt được khả năng đi bộ linh hoạt trên địa hình bằng phẳng hoặc không bằng phẳng. Tại đại học bang Ohio, Mỹ, Zheng và các cộng sự trong các năm từ 1988 đến 1990 đã nghiên cứu chuyển động động lực học bằng cách sử dụng robot hai chân SD-2 với 9 khâu, 8 bậc tự do. Khối lượng của robot SD-2 là 9 kg và cao 0,9 m. Nó có thể di chuyển ở mức 0,13 m/s [5]. 6