Luận án: Tích hợp đại số gia tử, điều khiển mờ và mạng nơron trong điều khiển robot

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. Phan Bùi Khôi 2. 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. Phan Bùi Khôi và PGS.

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. Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh khoa học 1 khoa học 2 PGS.

Phan Bùi Khôi PGS. 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. Phan Bùi Khôi, PGS. 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. NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Xuân Hồng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 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. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Tổng quan về robot di động hai chân.1 Giới thiệu về robot di động hai chân.2 Sự phát triển của robot di động hai chân .3 Các ứng dụng của robot di động hai chân.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Cấu trúc robot di động hai chân .2 Những vấn đề khoa học liên quan đến robot di động hai chân .3 Những nghiên cứu liên quan đến robot di động hai chân .3 Các nội dung nghiên cứu trong luận án .1 Mô hình robot di động hai chân .2 Các bài toán động học, động lực học và thiết kế quỹ đạo .3 Các bài toán áp dụng các phương pháp điều khiển. 24 Kết luận Chương 1.

ĐỘNG HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN .1 Khảo sát động học robot di động hai chân.1 Phương trình động học robot di động hai chân.2 Phương trình động học robot di động hai chân chuyển động phẳng .3 Khảo sát các bài toán động học.4 Khảo sát các bài toán vận tốc .5 Khảo sát các bài toán gia tốc.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot di động hai chân .1 Mô tả chuyển động bước đi của robot di động hai chân .2 Các phương pháp xây dựng quỹ đạo bước đi cho robot .3 Tính toán quỹ đạo chuyển động của robot .3 Phương pháp giải bài toán động học .1 Thuật giải bài toán động học thuận .2 Thuật giải bài toán động học ngược.3 Kết quả mô phỏng số bài toán động học ngược. 50 Kết luận Chương 2. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN .1 Xây dựng mô hình động lực học robot .1 Các mô hình động lực học của robot di đông hai chân.2 Hệ tọa độ khảo sát động lực học .2 Thiết lập phương trình động lực học.1 Phương trình động lực học dạng ma trận .2 Các đại lượng động lực học .3 Các bài toán động lực học và thuật giải .1 Bài toán động lực học thuận .2 Bài toán động lực học ngược .3 Thuật giải các bài toán động lực học .4 Kết quả mô phỏng số động lực học ngược robot di động hai chân. 69 Kết luận Chương 3.

ĐIỀU KHIỂN ROBOT DI ĐỘNG HAI CHÂN .1 Điều khiển robot bằng phương pháp kinh điển.1 Cơ sở điều khiển robot .2 Áp dụng điều khiển PID+ĐLH ngược cho robot di động hai chân .2 Điều khiển robot dựa trên lý thuyết mờ .1 Giới thiệu về logic mờ .2 Bộ điều khiển dựa trên lý thuyết mờ.3 Áp dụng điều khiển mờ cho robot di động hai chân .3 Điều khiển robot sử dụng đại số gia tử .1 Giới thiệu về đại số gia tử .2 Xây dựng bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử.3 Áp dụng bộ điều khiển đại số gia tử cho robot di động hai chân .4 Điều khiển robot dựa trên mạng noron .1 Giới thiệu mạng noron .2 Thiết kế bộ điều khiển noron cho robot di động .5 Điều khiển tích hợp. 101 Kết luận Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ .1 Mô tả thông số và chuyển động mô phỏng của robot .2 Kết quả mô phỏng điều khiển robot di động hai chân .1 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID+Động lực học ngược .2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ .3 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển đại số gia tử .4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển noron .5 Đánh giá kết quả của các bộ điều khiển.3 Xây dựng chương trình mô phỏng robot di động .1 Cấu trúc chương trình mô phỏng .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).