Thiết kế bộ quan sát lực vận tốc cho điều khiển chuyển động và lực cánh tay robot

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT LỰC/VẬN TỐC CHO ĐIỀU KHIỂN<br /> CHUYỂN ĐỘNG VÀ LỰC CÁNH TAY ROBOT<br /> Đào Minh Tuấn1*, Trần Đức Thuận2<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, bộ quan sát lực và vận tốc được thiết kế dựa trên cơ<br /> sở lý thuyết bộ quan sát GPI (Generalized Proportional Integral). Bộ quan sát được<br /> xây dựng để ước lượng và cập nhật lực tương tác giữa điểm tác động cuối của cánh<br /> tay robot với môi trường đồng thời ước lượng và cập nhật vận tốc các khớp của<br /> cánh tay robot. Để đánh giá chất lượng bộ quan sát đã thiết kế, nhóm tác giả đã<br /> thực hiện mô phỏng kiểm chứng bộ quan sát kết hợp với thuật toán điều khiển PID<br /> để điều khiển chuyển động và lực trên cánh tay robot A465 của CRS Robotics trong<br /> điều kiện chuyển động bị ràng buộc.<br /> Từ khóa: Điều khiển robot, Điều khiển lực, Điều khiển lai lực/vị trí, Bộ quan sát GPI.<br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Khi cánh tay robot làm việc trong môi trường có ràng buộc, sẽ tồn tại lực tương tác<br /> giữa điểm tác động cuối của cánh tay robot với bề mặt môi trường. Lực tương tác này gồm<br /> lực do cánh tay robot tác động lên bề mặt môi trường và phản lực của bề mặt môi trường<br /> tác động ngược lên điểm tác động cuối cánh tay robot. Khi điều khiển chuyển động của<br /> cánh tay robot, lực tương tác này phải được điều khiển. Các nghiên cứu về điều khiển lực<br /> cánh tay robot công nghiệp chia làm hai hướng nghiên cứu khác nhau. Hướng thứ nhất là<br /> điều khiển trở kháng [1-3]. hướng thứ 2 là điều khiển hỗn hợp tức là điều khiển lai trở<br /> kháng [4], và điều khiển lai giữa lực và vị trí [5].<br /> Các nghiên cứu trên đều xét giả định với mô hình động lực học xác định và các giá trị<br /> phản hồi về vận tốc cũng như lực tương tác tại điểm tác động cuối đều được lấy từ cảm<br /> biến vận tốc và cảm biến lực. Tuy nhiên, có nhiều hạn chế khi sử dụng các cảm biến này<br /> ví dụ như robot làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao làm giảm độ chính xác của cảm<br /> biến, giá thành cao, vị trí lắp đặt cảm biến hạn chế... Để giải quyết vấn đề này, một giải<br /> pháp được đưa ra là xây dựng bộ quan sát lực/vận tốc sử dụng lý thuyết bộ quan sát GPI<br /> với mục đích ước lượng, cập nhật lực tương tác và vận tốc để phản hồi về bộ điều khiển.<br /> Lý thuyết và ứng dụng bộ quan sát GPI để ước lượng động học không xác định của hệ<br /> thống phi tuyến được nghiên cứu chi tiết [6, 7]. Một nghiên cứu khác ứng dụng bộ quan<br /> sát GPI trong điều khiển hệ thống treo [8] và trong điều khiển cánh tay robot công nghiệp<br /> [9]. Ứng dụng lý thuyết bộ quan sát GPI trong việc điều khiển cánh tay robot có các tham<br /> số trong ma trận quán tính không xác định [10]. Một bộ quan sát lực/vận tốc được thiết kế<br /> để điều khiển cánh tay robot với ràng buộc xét trong không gian khớp [11]. Trong bài báo<br /> này, nhóm tác giả xây dựng một bộ quan sát lực và vận tốc trên cơ sở lý thuyết về bộ quan<br /> sát GPI kết hợp với thuật toán điều khiển kinh điển PID để điều khiển chuyển động và lực<br /> cho cánh tay robot với ràng buộc xét trong cả không gian khớp và không gian làm việc.<br /> Phần 2 là sự phân tích động học cánh tay robot với sự ràng buộc của môi trường. Quy trình<br /> thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc sử dụng lý thuyết GPI và ứng dụng thuật toán PID để điều<br /> khiển chuyển động và lực cánh tay robot cũng được thể hiện trong phần này. Phần 3 là kết<br /> quả kiểm chứng trên phần mềm Matlab Simulink.<br /> 2. NỘI DUNG<br /> 2.1. Mô hình động học cánh tay robot với sự ràng buộc môi trường<br /> 2.1.1. Mô hình động lực học cánh tay<br /> Khi cánh tay robot chuyển động, điểm tác động cuối cánh tay robot tương tác với môi<br /> trường có sự ràng buộc [12] thì mô hình động lực học được mô tả bằng phương trình.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 3<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> H (q )q  C (q, q )q  Dq  g (q)    J T (q) (1)<br /> <br /> Trong đó, q   n là véc tơ góc quay xét trong không gian khớp, q   n là véc tơ vận<br /> tốc góc , q   n là véc tơ gia tốc góc khớp, H (q )   nn là ma trận thành phần quán<br /> tính, C (q, q )   n là véc tơ thành phần hướng tâm và coriolis, D   nn là ma trận<br /> đường chéo xác định dương và là đại lượng biểu thị cho hệ số ma sát nhớt, g  q    n là<br /> véc tơ của lực trọng trường,    n là véc tơ của mô men đầu vào đặt tại các khớp,<br />    n là véc tơ nhân tử Lagrange (là đại lượng vật lý biểu thị cho lực tác động của điểm<br /> tác động cuối cánh tay robot lên môi trường), J  ( q )   nn là ký hiệu gradient của ràng<br /> buộc holonomic được mô tả bởi phương trình.<br /> (q)  0 (2)<br /> Là phương trình thể hiện cánh tay robot trong sự ràng buộc với môi trường.<br /> 2.1.2. Ràng buộc của môi trường đối với chuyển động của cánh tay robot<br /> Khi cánh tay robot tương tác với môi trường, xét đến sự ràng buộc được mô tả ở<br /> phương trình (2) và J  (q ) tạo ra một véc tơ trên bề mặt tại điểm tương tác. Khi đó, ràng<br /> buộc về vận tốc và gia tốc của chuyển động điểm tác động cuối cánh tay robot được mô tả<br /> bằng các phương trình sau:<br />  q   J  q  q  0 (3)<br /> <br />  q   J  q  q  J q  q  0 (4)<br /> Từ (1) ta có:<br /> q  H 1 q    J T q   C q, q  q  Dq  g q  (5)<br /> Thay (5) vào (4) ta được:<br />  q   J   H 1 q   J T   C q, q  q  Dq  g  q <br />   (6)<br />  J  H q  J    J  q  J  H q   C q, q  q  Dq  g q   0<br /> 1 T  1<br /> <br /> <br /> <br /> Suy ra:<br />    J  H 1 q  J T   q   J q  J  H 1 q   C q, q  q  Dq  g q <br /> 1<br /> (7)<br />  <br /> Khi xét chuyển động của cánh tay robot trong không gian Decac, thì ràng buộc được<br /> mô tả:<br />  ( x)  0 (8)<br /> <br /> Trong đó, x   x z    6 là véc tơ xét trong hệ tọa độ Decac với<br /> T<br /> y z x y<br />  x y z  3 là véc tơ vị trí điểm tác động cuối và x y z    3 là các đại<br /> lượng về hướng của điểm tác động cuối cánh tay robot. Trong trường hợp này, véc tơ<br /> J  (q ) được tính như sau:<br /> J  q  J  x J q (9)<br /> <br /> <br /> <br /> 4 Đ. M. Tuấn, T. Đ. Thuận, “Thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc… và lực cánh tay robot.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Trong đó, J  x  q     x / x và J  x  q  / q là ma trận Jacobi. Lấy vi phân 2<br /> vế của (9) ta được:<br /> J q   J x q  J q   J  x q  J q  (10)<br /> Thay (10) vào (7) ta được:<br />    J  x JH 1 q  J Tx J T  <br /> 1<br /> <br /> <br /> (11)<br />  x  J Jq  J Jq   J JH 1 q   C q, q  q  Dq  g q <br />  x x x <br /> 2.2. Điều khiển chuyển động và lực cánh tay robot sử dụng bộ quan sát lực và vận tốc<br /> 2.2.1. Xây dựng bộ quan sát lực và vận tốc<br /> Xét phương trình mô tả động lực học cánh tay robot tương tác với môi trường làm việc<br /> được thể hiện trong phương trình (1) với các biến là góc quay các khớp. Ta có thể gán các<br /> biến không gian trạng thái cho phuơng trình (1) như sau:<br />  x   q<br /> x   1    (12)<br />  x2   q <br />    <br /> Khi đó, mô hình động lực học cánh tay robot (1) được mô tả lại với các biến không<br /> gian trạng thái như sau:<br /> x1  x2 (13)<br /> <br /> x 2  H 1  x1     C  x1 , x2  x2  Dx2  g  x1   H 1  x1  J T  x1  (14)<br /> Để đơn giản cho việc ký hiệu và sử dụng các ký hiệu trong vệc xây dựng bộ quan sát<br /> lực và vận tốc, gán cho các giá trị như sau:<br /> z1  H 1  x1  J T  x1  (15)<br /> <br /> N  x1 , x2   C  x1 , x2  x2  Dx2  g  x1  (16)<br /> Thay (15) và (16) vào (14) ta được:<br /> x 2  H 1  x1    N  x1 , x2   z1 (17)<br /> Mục đích của việc xây dựng bộ quan sát là để ước lượng một cách xấp xỉ biến trạng<br /> thái x2 (vận tốc góc của các khớp) và lực tương tác  giữa cánh tay robot với môi trường.<br /> Véc tơ đa thức  được xem như là sự thể hiện bên trong của thành phần z1 . Thành phần<br /> này, được xem xét như một tín hiệu không được xác định và được ước lượng bằng bộ quan<br /> sát tuyến tính của Luenberger. Giả sử mỗi một phần tử của số hạng véc tơ z1 t  có thể<br /> được khai triển bằng tổng của một dãy bậc m 1 các đa thức Taylor cộng thêm phần rư<br /> (residual term) là<br /> p1<br /> z1 t    ai t i  r (t ) (18)<br /> i 0<br /> <br /> Trong đó, mỗi một giá trị ai là véc tơ hằng số, r (t ) biểu diễn thành phần dư của đa<br /> thức. Véc tơ tín hiệu z1 t  có thể được viết dạng không gian trạng thái là:<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 5<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> z1  z2<br /> z2  z3<br />  (19)<br /> z p1  z p<br /> z p  r ( p ) t <br /> Sử dụng lý thuyết quan sát GPI [6], bộ quan sát GPI cho lực và vận tốc cánh tay robot<br /> được thiết kế với các biến quan sát x2 và z1 là:<br /> <br /> xˆ1  xˆ2   p 1 x1 (20)<br /> <br /> xˆ 2  H 1 q    N  x1 , xˆ2   zˆ1   p x1 (21)<br /> <br /> zˆ1  zˆ2   p1 x1<br /> zˆ  zˆ   x<br /> 2 3 p 2 1<br /> <br />  (22)<br /> zˆ p1  zˆ p  1 x1<br /> zˆ   x<br /> p 0 1<br /> <br /> Trong đó:<br /> x1  x1  xˆ1 (23)<br /> x2  z1   p x1<br /> z  z   x<br /> 1 2 p 1 1<br /> <br /> z2  z3   p2 x1<br /> (24)<br /> <br /> z p1  z p  1 x1<br /> z p  r ( p ) t   0 x1<br /> Bằng cách ước lượng các biến  <br /> z1 ,..., z p  ta có:<br /> <br /> x1 p 2   p 1 x1 p1  ...  1 x1  0 x1  r ( p ) t  (26)<br /> Từ (15), ta có thể tính được giá trị ước lượng của z1 :<br /> <br /> zˆ1  H 1  x1  J T  x1 ˆ (27)<br /> <br /> J T ˆ  H q  zˆ1 (28)<br /> Kết hợp (9) với (28) ta có:<br /> J T (q ) J Txˆ  H q  zˆ1 (29)<br /> <br /> Khi J Tx là hạng đủ thì giá trị ước lượng của ˆ được tính như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> 6 Đ. M. Tuấn, T. Đ. Thuận, “Thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc… và lực cánh tay robot.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ˆ   J x  J T q  H q  zˆ1<br /> T<br /> (30)<br /> <br /> Trong đó, J x  J Tx  J  J Tx    nm được định nghĩa tương tự như J  . Thông<br /> 1<br /> <br /> <br /> <br /> thường ràng buộc (2) một chiều, cụ thể là m  1 , nghĩa là  là một giá trị hệ số được tính<br /> bằng công thức sau.<br /> ˆ  J T q  H q  zˆ1  J Txˆ (31)<br /> <br /> 2.2.2. Ứng dụng bộ quan sát lực/vận tốc điều khiển chuyển động/lực cánh tay robot<br /> công nghiệp<br /> Trong phần này, nhóm tác giả đưa ra luật điều khiển cho cánh tay robot công nghiệp<br /> ứng với hai trường hợp là điều khiển chuyển động robot tự do (không có ràng buộc với<br /> môi trường, không điều khiển lực) và điều khiển chuyển động của robot trong điều kiện<br /> có ràng buộc của môi trường tương tác (bao gồm cả điều khiển chuyển động và điều<br /> khiển lực).<br /> Trường hợp 1. Điều khiển chuyển động robot tự do, thuật toán điều khiển đơn giản PID<br /> được đưa ra như sau<br />  T<br /> <br />   Q q K p e  K d e  K I  e (32)<br />  0<br /> <br /> Trong đó, Ma trận vuông Q q  thể hiện phép chiếu theo phương tiếp tuyến với bề mặt<br /> môi trường tại điểm tác động, e là sai lệch giữa giá trị mong muốn với giá trị thực tế của<br /> góc quay các khớp.<br /> e  q  qd (33)<br /> e là sai lệch giữa giá trị mong muốn với giá trị thực tế (trong trường hợp này là giá trị<br /> ước lượng từ bộ quan sát) của vận tốc góc các khớp.<br /> e  xˆ2  q d (34)<br /> Trong đó, xˆ2 là giá trị ước lượng của vận tốc từ bộ quan sát.<br /> Trường hợp 2: Chuyển động có ràng buộc và điều khiển lực.<br /> Khi robot tương tác với môi trường ràng buộc, không gian hình học được mô tả như<br /> hình vẽ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Chuyển động ràng buộc cánh tay robot.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 7<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> gọi q là véc tơ thành phần vận tốc, vận tốc này được chứa trong không gian con được<br /> tham chiếu bởi ma trận Q q  .<br /> <br /> q  Q q  q  P q  q  Q q  q (35)<br /> <br /> Trong đó, ma trận vuông Q q  và P q  là các phép tham chiếu. Với điều kiện ban<br /> đầu của véc tơ vận tốc q   n , ta chia không gian này thành hai không gian con.<br /> Một không gian trong hạng của P q  và một không gian con trong hạng của Q  q  .<br /> Vì vậy, khi véc tơ q được nhân với ma trận P q  và được chiếu lên không gian con của<br /> nó, không gian này thể hiện hướng vuông góc với bề mặt môi trường. Tương tự như vậy,<br /> khi véc tơ vận tốc q   n được nhân với ma trận Q q  và được chiếu lên không gian con<br /> của nó thể hiện mặt phẳng tiếp tuyến tại điểm tác động. Trên hình 1, không gian con được<br /> chiếu bởi ma trận Q q  sẽ là trục x , trong khi đó, không gian con được chiếu bởi ma trận<br /> P q  sẽ là trục z . Như vậy, trong hai phương đưa ra, một phương robot có thể chuyển<br /> động nhưng không tác động lực và một phương ngược lại là robot có thể chỉ tác động lực<br /> mà không chuyển động.<br /> Q q   I nn  P q  (36)<br /> P q   J  J  (37)<br /> Trong trường hợp này, thuật toán điều khiển được cộng thêm với phần điều khiển lực<br /> như sau:<br />  T<br /> <br /> Q q K p e  K d e  K I  e  J T d  K If F  (38)<br />  0<br /> <br /> Trong đó, K p , K d , K I là các ma trận đường chéo xác định dương, lần lượt là các hệ<br /> số tỷ lệ, vi phân và tích phân của bộ điều khiển. K If là ma trận đường chéo xác định<br /> dương, là hệ số tích phân của thành phần điều khiển lực.<br /> T<br /> <br /> F    (39)<br /> 0<br /> <br />   ˆ  d (40)<br /> <br /> Trong đó, ˆ là giá trị ước lượng từ bộ quan sát.<br /> 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ<br /> Để kiểm chứng bộ quan sát lực/vận tốc đã được thiết kế và thuật toán điều khiển<br /> chuyển động/lực đã được xây dựng, nhóm tác giả sử dụng đối tượng là cánh tay robot<br /> R465 CRS Robotics với các tham số được sử dụng trong [13].<br /> Mặc dù A465 có 6 bậc tự do với 6 khớp quay nhưng trong bài báo chỉ xét 3 khớp quay<br /> là khớp 2, khớp 3 và khớp 5. Các khớp quay được ký hiệu lại lần lượt là khớp 1, khớp 2,<br /> khớp 3 với các biến góc khớp là q1 , q2 và q3 .<br /> <br /> <br /> <br /> 8 Đ. M. Tuấn, T. Đ. Thuận, “Thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc… và lực cánh tay robot.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Hệ tọa độ cánh tay robot A465 trong tương tác với môi trường.<br /> Hình 2 mô tả cánh tay robot được gắn các hệ trục tọa độ và điểm tác động cuối tương<br /> tác với môi trường là một mặt phẳng nghiêng. Sự ràng buộc của môi trường này được mô<br /> tả chi tiết hơn với các tham số hình học thể hiện trên hình 3.<br /> Yêu cầu đặt ra là điều khiển điểm tác động cuối cánh tay robot trên một đường thẳng<br /> dài 0.4[m] có phương trình trên hệ tọa độ Decac như sau:<br />   x  cos   y  sin   x    (41)<br /> <br /> y  x2<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> q2<br /> xc 2<br /> q3<br /> <br /> di<br /> x2i<br /> <br /> <br /> 0.4<br /> <br /> q1 <br /> df <br /> <br /> xc1 x1i x  x1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô tả chuyển động ràng buộc của robot.<br /> Trong đó,  là góc nghiêng,  là khoảng cách từ điểm cắt tới gốc tọa độ,  là góc<br /> chỉ hướng tương ứng giữa hệ tọa độ đặt tại điểm tác động cuối với hệ tọa độ gốc. Quỹ đạo<br /> mong muốn cho hai tọa độ đầu tiên  xd , yd  được thiết kế nội suy theo đa thức bậc năm.<br /> Để đơn giản trong mô phỏng, giá trị mong muốn của  là d được chọn là:<br /> d   0     / 2  10  o  (42)<br /> Bộ quan sát được sử dụng để ước lượng, cập nhật tín hiệu lực, vận tốc và phản hồi về<br /> bộ điều khiển.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 9<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Thời gian trích mẫu được dùng trong mô phỏng là T  1 ms  , quỹ đạo chuyển động<br /> của robot được thiết kế đưa ra trong 8 s  Lực mong muốn đạt được là:<br /> <br />   t <br />  10  60(1 et / 2 )  10sin   , 0  t  8 [ s ]<br /> d    2  (43)<br /> <br /> 70 [N ] t  8 [s]<br /> Tham số của bộ điều khiển được lựa chọn như sau:<br /> K p  diag ([5000, 20000,1000]) , K d  diag ([20, 20, 4])<br /> K I  diag ([10000,10000,1000]) , K If  45<br /> Kết quả mô phỏng được thể hiện trên các hình sau<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Tọa độ điểm cuối theo trục x. Hình 5. Tọa độ điểm cuối theo trục y.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Tọa độ theo góc  . Hình 7. Lực thực tế, ước lượng và đặt.<br /> Kết quả cho thấy giá trị thực tế luôn bám sát với giá trị đặt của tọa độ điểm tác động<br /> cuối, được mô tả trong hình 4, hình 5 và hình 6. Trong hình 7, ký hiệu g , d ,  lần lượt<br /> là các giá trị lực ước lượng, lực đặt và lực đáp ứng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Sai lệch lực. Hình 9. Sai lệch lực quan sát.<br /> Hình 7 và hình 8 thể hiện sai lệch lực và sai lệch lực quan sát được là khá tốt.<br /> Trong hình 10, hình 11 và hình 12 , q i là giá trị vận tốc thực tế khớp thứ i ( i  1, 2,3 ).<br /> <br /> <br /> <br /> 10 Đ. M. Tuấn, T. Đ. Thuận, “Thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc… và lực cánh tay robot.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Vận tốc thực tế và vận tốc quan Hình 11. Vận tốc thực tế và vận tốc quan<br /> sát khớp 1. sát khớp 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 12. Đáp ứng vận tốc khớp 3. Hình 13. Sai lệch của qˆ1 .<br /> <br /> Hình 10, hình 11, hình 12 thể hiện giá trị thực tế của vận tốc các khớp luôn xấp xỉ với<br /> giá trị vận tốc ước lượng của các khớp.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 14. Sai lệch qˆ 2 . Hình 15. Sai lệch qˆ 3 .<br /> <br /> Hình 13, hình 14 và hình 15 thể hiện sai lệch vận tốc của các khớp tiến về không với<br /> thời gian đáp ứng ngắn.<br /> Trong phần mô phỏng tiếp theo, bộ quan sát lực/vận tốc kết hợp với thuật toán điều<br /> khiển chuyển động/lực được thử nghiệm với trường hợp có nhiễu đo lường. Cụ thể là tín<br /> hiệu nhiễu tác động trực tiếp vào tín hiệu phản hồi góc quay các khớp (lấy từ các cảm biến<br /> góc đặt tại các khớp) về bộ điều khiển và bộ quan sát.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 16. Sai lệch vận tốc quan sát với Hình 17. Sai lệch vận tốc quan sát với<br /> nhiễu khớp 1. nhiễu khớp 2.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 11<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 18. Sai lệch vận tốc quan sát với Hình 19. Sai lệch đáp ứng lực khi có nhiễu.<br /> nhiễu khớp 3.<br /> Với kết quả thực nghiệm mô phỏng trong trường hợp có nhiễu đo lường tác động thì sai<br /> lệch giữa vận tốc quan sát với vận tốc thực tế của các khớp có ảnh hưởng nhưng vẫn đảm<br /> bảo trong giới hạn cho phép và được mô tả trên hình 16, hình 17 và hình 18. Tương tự đối<br /> với sai lệch giữa đáp ứng lực của bộ điều khiển với lực mong muốn trên hình 19 chấp<br /> nhận được.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã xây dựng bộ quan sát lực/vận tốc trên cở sở bộ quan sát GPI và ứng dụng<br /> trong điều khiển chuyển động và lực cánh tay robot có ràng buộc. Ưu điểm của bộ quan<br /> sát này là có thể xấp xỉ động học của hệ thống mà không được xác định trên cơ sở phân<br /> tích chuỗi bậc của các đa thức Taylor. Đối với động học của cánh tay robot công nghiệp<br /> thì sự không xác định thường do các tham số chứa trong ma trận quán tính H. Tuy nhiên,<br /> trong nghiên cứu này, các tham số động học coi như được xác định. Thay vào đó, phương<br /> pháp sử dụng bộ quan sát để ước lượng các thành phần không xác định là vận tốc và lực<br /> tương tác giữa điểm tác động cuối của cánh tay robot với môi trường.<br /> Trong nghiên cứu tới, bộ quan sát trên có thể được kết hợp với các thuật toán điều<br /> khiển khác và quan sát các thành phần không xác định khác của động học cánh tay robot<br /> công nghiệp.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. R. Colbaugh, H. Seraji, and K. Glass, "Direct adaptive impedance control of robot<br /> manipulators," Journal of Field Robotics, vol. 10, pp. 217-248, 1993.<br /> [2]. B. Siciliano and L. Villani, "Adaptive compliant control of robot manipulators,"<br /> Control Engineering Practice, vol. 4, pp. 705-712, 1996.<br /> [3]. B. Siciliano and L. Villani, "Robot force control" vol. 540: Springer Science &<br /> Business Media, 2012.<br /> [4]. L. L. Whitcomb, S. Arimoto, T. Naniwa, and F. Ozaki, "Adaptive model-based<br /> hybrid control of geometrically constrained robot arms," IEEE Transactions on<br /> Robotics and Automation, vol. 13, pp. 105-116, 1997.<br /> [5]. S. X. Tian and S. Z. Wang, "Hybrid Position/Force Control for a RRR 3-DoF<br /> Manipulator," in Applied Mechanics and Materials, 2011, pp. 589-592.<br /> [6]. J. Cortés-Romero, A. Luviano-Juárez, and H. Sira-Ramírez, "Sliding Mode Control<br /> Design for Induction Motors: An Input-Output Approach," in Sliding Mode Control,<br /> ed: InTech, 2011.<br /> [7]. A. Luviano-Juarez, J. Cortes-Romero, and H. Sira-Ramirez, "Synchronization of<br /> chaotic oscillators by means of generalized proportional integral observers,"<br /> International Journal of Bifurcation and Chaos, vol. 20, pp. 1509-1517, 2010.<br /> <br /> <br /> <br /> 12 Đ. M. Tuấn, T. Đ. Thuận, “Thiết kế bộ quan sát lực/vận tốc… và lực cánh tay robot.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [8]. R. Goodall, H. Sira-Ramírez, and A. Matamoros-Sánchez, "Flatness based control of<br /> a suspension system: A gpi observer approach," IFAC Proceedings Volumes, vol.<br /> 44, pp. 11103-11108, 2011.<br /> [9]. M. A. Arteaga-Pérez and A. Gutiérrez-Giles, "A simple application of GPI observers<br /> to the force control of robots," in Control, Decision and Information Technologies<br /> (CoDIT), 2014 International Conference on, 2014, pp. 303-308.<br /> [10]. M. A. Arteaga-Pérez and A. Gutiérrez-Giles, "On the GPI approach with unknown<br /> inertia matrix in robot manipulators," International Journal of Control, vol. 87, pp.<br /> 844-860, 2014.<br /> [11]. A. Gutiérrez-Giles and M. A. Arteaga-Pérez, "GPI based velocity/force observer<br /> design for robot manipulators," ISA transactions, vol. 53, pp. 929-938, 2014.<br /> [12]. J. Gudino-Lau and M. A. Arteaga, "Dynamic model, control and simulation of<br /> cooperative robots: A case study," in Mobile Robotics, Moving Intelligence, ed:<br /> InTech, 2006.<br /> [13]. J.-J. E. Slotine and W. Li, "On the adaptive control of robot manipulators," Int. J.<br /> Rob. Res., vol. 6, pp. 49-59, 1987.<br /> ABSTRACT<br /> FORCE/VELOCITY OBSERVER DESIGN FOR CONTROLLING MOVEMENT<br /> AND FORCE OF ROBOT MANIPULATORS<br /> In this paper, a force/velocity observer is designed by theory of GPI<br /> (Generalized Proportional Integral) observer. This observer is designed to estimate<br /> and updates the velocity of joints and the contact force between the end-affector and<br /> environment. To illustrate the effect of the designed observer, we simulate the<br /> observer combining the PID controller to control movement and force on the A465<br /> robot of CRS Roboticsi in constrain of environment.<br /> Keywords: Robot control, Force control, Hybrid force/position control, GPI observer.<br /> <br /> Nhận bài ngày 02 tháng 10 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 30 tháng 10 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017<br /> <br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Trường ĐHSPKT Hưng Yên;<br /> 2<br /> Viện Khoa học và Công nghệ quân sự.<br /> *<br /> Email: tuan848008@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 13<br />