Thạc Sĩ Điều khiển thích nghi phi tuyến cho robot, công nghiệp trên cơ sở mạng nở ron nhân tạo

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU 4
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ . 8
MỞ ĐẦU 10
1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10
2. Tính cấp thiết của đề tài luận án 13
3. Mục tiêu của luận án 14
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 14
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 14
6. Nội dung của luận án .14
Chương 1 17
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
ROBOT . 17
1.1 Mô hình toán học và định hướng trong thiết kế điều khiển cho robot .17
1.1.1 Mô hình toán học của robot 17
1.1.1.1 Động học vị trí 17
1.1.1.2 Động học thuận vận tốc 18
1.1.1.3 Động lực học 18
1.1.2 Định hướng trong thiết kế điều khiển cho robot . 20
1.2 Điều khiển chuyển động tay máy robot .22
1.2.1 Các thuật toán điều khiển kinh điển 22
1.2.1.1 Điều khiển trong không gian khớp . 22
1.2.1.2 Điều khiển trong không gian làm việc 25
1.2.2 Các thuật toán điều khiển nâng cao . 27
1.2.2.1 Các thuật toán điều khiển thích nghi 27
1.2.2.2 Tuyến tính hóa chính xác 28
1.2.2.3 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot bằng phương pháp Jacobian xấp xỉ
thích nghi 35
1.2.2.4 Điều khiển thích nghi bền vững sử dụng kỹ thuật backstepping trong điều
khiển chuyển động của robot 41
1.2.2.5 Điều khiển thích nghi robot trên cơ sở mờ và mạng nơ ron . 44 2

1.3 Hướng nghiên cứu của luận án .45
1.3.1 Phát biểu bài toán 45
1.3.2 Phương pháp luận 45
1.4 Kết luận chương 1 .45
Chương 2 46
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG MẠNG
NƠ RON TRÊN CƠ SỞ KỸ THUẬT BACKSTEPPING 46
2.1 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ ron 46
2.1.1 Xấp xỉ hàm số bằng mạng nơ ron nhân tạo . 46
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi trên cơ sở kỹ thuật backstepping 49
2.1.3 Phân tích tính ổn định của hệ thống 56
2.1.4 Tổng hợp ANNC cho robot 1 bậc tự do 59
2.1.4.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 59
2.1.4.2 Tổng hợp ANNC . 60
2.1.4.3 Kết quả mô phỏng . 61
2.2 Tổng hợp ANNC cho robot n bậc tự do 62
2.2.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 62
2.2.2 Tổng hợp ANNC . 63
2.2.3 Tổng hợp ANNC cho robot 2 bậc tự do 63
2.2.3.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 63
2.2.3.2 Tổng hợp ANNC . 65
2.2.3.3 Kết quả mô phỏng . 65
2.3 Kết luận chương 2 .67
Chương 3 69
ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NƠ RON THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO TAY
MÁY ROBOT BẤT ĐỊNH HÀM SỐ 69
3.1 Đặt bài toán tổng hợp bộ điều khiển trượt .69
3.2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt 69
3.3 Xấp xỉ hàm bất định bằng mạng nơ ron hướng tâm .71
3.4 Phân tích tính ổn định của hệ thống .74
3.5 Tổng hợp RANNSMC cho robot n bậc tự do 75
3.5.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 75
3.5.2 Tổng hợp RANNSMC 75 3

3.6. Tổng hợp RANNSMC cho robot 3 bậc tự do .76
3.6.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 76
3.6.2 Tổng hợp RANNSMC 80
3.6.3 Kết quả mô phỏng . 80
3.7 Kết luận chương 3 .82
Chương 4 83
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG TAY MÁY ROBOT SỬ
DỤNG MẠNG NƠ RON KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 83
4.1 Cơ sở lý thuyết 83
4.1.1 Điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ ron trên cơ sở kỹ thuật backstepping 84
4.1.2 Điều khiển trượt 85
4.1.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển trượt cho đối tượng xác định . 85
4.1.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt cho đối tượng bất định 86
4.2 Tổng hợp RAC cho robot n bậc tự do 87
4.2.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 87
4.2.2 Tổng hợp bộ điều khiển RAC . 88
4.3 Phân tích tính ổn định của hệ thống .89
4.4 Tổng hợp ANNC, RANNSMC và RAC cho robot 3 bậc tự do .94
4.4.1 Biến đổi mô hình về dạng truyền ngược chặt . 94
4.4.2 Tổng hợp ANNC, RANNSMC và RAC . 94
4.4.3 Kết quả mô phỏng . 95
4.4.4 Nhận xét 95
4.5 Mô phỏng khiểm chứng RAC với mô hình robot 3 bậc tự do được thiết kế trên phần
mềm Solidworks và sử dụng công cụ SimMechanics. .96
4.5.1 Chọn thông số mô phỏng 96
4.5.2 Kết quả mô phỏng . 97
4.5.3 Nhận xét 99
4.6 Kết luận chương 4 .99
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100
- Kết luận . 100
- Kiến nghị . 100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 101
TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU

Các chữ viết tắt:

STT
Chữ viết
tắt
Tiếng Anh Tiếng Việt
1 ANNC
Adaptive Neural Network
Control
Điều khiển mạng nơ ron thích nghi
2 SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt
3 RANNSMC
Robust Adaptive Neural
Networks Sliding Mode Control
Điều khiển trượt nơ ron thích nghi bền
vững
4 RAC Robust Adaptive Control Điều khiển thích nghi bền vững
5 GAS Global Asymptotic Stable Ổn định tiệm cận toàn cục
6 MNN Multiple Layer Neural Networks Mạng nơ ron nhiều lớp
7 NN Neural Network Mạng nơ ron
8 RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở xuyên tâm
9 CLF Control Lyapunov Function Hàm điều khiển Lyapunov
10 PD Proportional-Derivative Tỷ lệ – Vi phân
11 PID Proportional-Integral-Derivative Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân
12 SISO Single Input – Single Output Hệ một vào – một ra
13 MIMO
Multiple Inputs–Multiple
Outputs
Hệ nhiều vào – nhiều ra
14 EL Euler – Lagrange Euler-Lagrange (tên riêng)
15 DH Denavit – Hartenberg Denavit – Hartenberg (tên riêng)
16 3D 3 Dimensions Không gian 3 chiều
17 DOF Degree - of - Freedom Bậc tự do
18 ĐHT Động học thuận
19 ĐHN Động học ngược
20 ĐLH Động lực học
21 BĐK Bộ điều khiển
22   . tr Vết của ma trận
23   . diag Ma trận đường chéo
24   sgn . Hàm dấu
25 DSP Digital signal Processor Xử lý tín hiệu số
26 IPC Inter-Process Communication Máy tính công nghiệp IPC 5

Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Ý nghĩa
1
 Véc tơ mô men tác dụng lên các khớp quay của robot
2 d

Véc tơ nhiễu tác động lên hệ thống
3 F Véc tơ lực tác dụng lên các khớp tịnh tiến của robot
4 H Ma trận quán tính
5 ˆ
H Ma trận quán tính ước lượng
6 C Ma trận tương hỗ và ly tâm
7 ˆ
C Ma trận tương hỗ và ly tâm ước lượng
8 G Véc tơ lực trọng trường
9 ˆ
G Véc tơ lực trọng trường ước lượng
10 N Ma trận đối xứng lệch
11 N Ma trận tương hỗ, ly tâm và trọng trường
12 ˆ
N Ma trận ước lượng của N
13 q Véc tơ vị trí góc các khớp robot
14 q Véc tơ tốc độ góc các khớp robot
15 q Véc tơ gia tốc góc các khớp robot
16 d
q Véc tơ vị trí góc đặt các khớp robot
17 d
q Véc tơ tốc độ góc đặt các khớp robot
18 d
q Véc tơ gia tốc góc đặt các khớp robot
19 W Ma trận hồi quy
20 p Véc tơ tham số động lực học robot
21 ˆp Véc tơ ước lượng p
22 V Hàm Lyapunov
23 X Véc tơ quỹ đạo trong không gian làm việc
24 X Véc tơ vận tốc trong không gian làm việc
25 X Véc tơ gia tốc trong không gian làm việc
26 d
X Véc tơ quỹ đạo đặt trong không gian làm việc
27 d
X Véc tơ vận tốc đặt trong không gian làm việc
28
d
X Véc tơ gia tốc đặt trong không gian làm việc
29 J Ma trận Jacobi
30 ˆ
J Ma trận Jacobi ước lượng
31 , ,
P I D
K K K Hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân
32 L Hàm Lagrange
33 K Hàm tổng động năng
34 P Hàm tổng thế năng 6

35 A Hàm năng lượng
36 d
F Véc tơ lực ma sát
37 ,u U Tín hiệu điều khiển và véc tơ tín hiệu điều khiển
38 ,e E Sai lệch và véc tơ sai lệch
39 ,e E Đạo hàm sai lệch và véc tơ đạo hàm sai lệch
40 I Mô men quán tính
41 l Chiều dài cánh tay robot
42 m Khối lượng cánh tay robot
43 ,x x Biến trạng thái và véc tơ trạng thái
44 ,x x Đạo hàm biến trạng thái và đạo hàm véc tơ biến trạng thái
45 ,x x
Đạo hàm bậc 2 của biến trạng thái và đạo hàm bậc 2 của véc tơ biến trạng
thái
46 ˆ ˆ,x x Biến trạng thái và véc tơ biến trạng thái ước lượng
47 ,
d d
x x Tín hiệu đặt và véc tơ tín hiệu đặt
48 d
x Véc tơ đạo hàm tín hiệu đặt
49 d
x Véc tơ đạo hàm bậc 2 của tín hiệu đặt
51 .
f
L Đạo hàm Lie
52 r Bậc tương đối của hệ
53 , , z Z Z
Tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu vào có thành phần đỡ của
mạng nơron nhân tạo
54 y Tín hiệu đầu ra
55 d
y Tín hiệu ra mong muốn
56 R Bộ điều khiển gán điểm cực
57 ( ) W s Hàm truyền đạt
58 S Mặt trượt
59 W,V Ma trận trọng số của mạng nơ ron
60 S Thành phần phi tuyến của mạng nơ ron
61 * *
W ,V Ma trận trọng số lý tưởng
62 ˆ ˆ
W,V Ma trận trọng số ước lượng
63 W,V Ma trận sai số
64 ˆ ˆ
,W V Ma trận đạo hàm của ma trận
ˆ ˆ
,W V
65 W Đạo hàm của ma trận sai số
66 ,
w v
  Ma trận hằng số
67 z
 Tập compact
68 A Ma trận hệ thống
69 B Ma trận quan sát 7

70 C Ma trận điều khiển
71 m
A Ma trận hệ thống mẫu
72 m
B Ma trận quan sát mẫu
73 m
C Ma trận điều khiển mẫu
74 z Véc tơ trạng thái sau phép đổi trục
75 Số nơ ron trong một lớp
76 T Véc tơ tham số động học
77 ˆ
T Véc tơ tham số động học ước lượng
78

Hàm ước lượng sai lệch của mạng nơ ron
79 ( ) F x Hàm phi tuyến, bất định
80 ˆ
( ) F x Hàm ước lượng ( ) F x
81 ( ) F x Véc tơ hàm phi tuyến, bất định
82
ˆ
( ) F x Véc tơ hàm ước lượng ( ) F x
83 ( ) F x Véc tơ hàm sai lệch
84
 Hàm cơ sở xuyên tâm của mạng nơ ron RBF
85 (.) f Hàm phi tuyến trơn bất định
86
ˆ
(.) f Hàm ước lượng của (.) f

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số động học của tay máy 1 DOF
Bảng 2.2: Thông số động học của Robot 2 DOF
Bảng 3.1: Thông số động học DH Robot Scara 3 DOF
Bảng 3.2: Thông số động học của Robot Scara 3 DOF








8

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hệ tọa độ trong không gian khớp (a), không gian đề các (b)
Hình 1.2: Robot n thanh nối
Hình 1.3: Cấu trúc động lực học của robot
Hình 1.4: Tổng quan các phương pháp điều khiển robot
Hình 1.5: Hệ thống điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình
Hình 1.6: Hệ thống điều khiển PD bù trọng trường
Hình 1.7: Hệ thống điều khiển PID
Hình 1.8: Hệ thống điều khiển gián tiếp
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển trực tiếp
Hình 1.10: Hệ thống điều khiển kết hợp PD bù trọng trường và ma trận Jacobi nghịch đảo
Hình 1.11: Hệ thống điều khiển kết hợp PD bù trọng trường và ma trận Jacobi chuyển vị
Hình 1.12: Hệ thống điều khiển PD kết hợp luật điều khiển thích nghi
Hình 1.13: Robot 2 thanh nối
Hình 1.14: Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực
Hình 1.15: Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực kết hợp bộ điều khiển tích phân
Hình 1.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển hình 1.15 bằng Matlab-Simulink
Hình 1.17: Quỹ đạo của khớp 1 và khớp 2 với quỹ đạo đặt dạng hàm 1(t)
Hình 1.18: Quỹ đạo của khớp 1 và khớp 2 với quỹ đạo đặt dạng hàm tăng đều
Hình 1.19: Quỹ đạo của khớp 1 và khớp 2 với quỹ đạo đặt dạng hàm hình Sin
Hình 1.20: Robot phẳng 3 thanh nối
Hình 1.21: Quỹ đạo x và y trong không gian làm việc (trường hợp 1)
Hình 1.22: Quỹ đạo x và y trong không gian làm việc (trường hợp 2)
Hình 2.1: Cấu trúc mạng nơ ron truyền thẳng 3 lớp
Hình 2.2: Robot 1 thanh nối
Hình 2.3: Hệ thống điều khiển MNN cho robot 1 bậc tự do
Hình 2.4: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo khi số nơ ron lớp vào và lớp ẩn thay đổi
Hình 2.5: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo khi thông số động học của robot thay đổi
Hình 2.6: Hệ thống điều khiển ANNC cho robot n bậc tự do
Hình 2.7: Robot phẳng 2 thanh nối
Hình 2.8: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 1 9

Hình 2.9: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 2
Hình 2.10: Vận tốc và sai lệch vận tốc của khớp 1
Hình 2.11: Vận tốc và sai lệch vận tốc của khớp 2
Hình 3.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển SMCNN
Hình 3.2: Cấu trúc của đối tượng điều khiển sau phép biến đổi
Hình 3.3: Cấu trúc mạng RBFNN
Hình 3.4: Cấu trúc xấp xỉ hàm   F x
Hình 3.5: Cấu trúc bộ điều khiển SMCNN
Hình 3.6: Hệ thống điều khiển robot n bậc tự do sử dụng bộ điều khiển SMCNN
Hình 3.7: Mô hình 3D robot Scara 3 bậc tự do
Hình 3.8: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 1
Hình 3.9: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 2
Hình 3.10: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 3
Hình 3.11: Dạng đặc tính của lực ma sát và nhiễu tác động lên các khớp
Hình 3.12: Mô men và lực tác động lên các khớp khi có lực ma sát và nhiễu tác động
Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển RAC
Hình 4.2: Hệ thống điều khiển RAC cho robot
Hình 4.3: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 1 khi quỹ đạo đặt là hàm 1(t)
Hình 4.4: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 2 khi quỹ đạo đặt là hàm 1(t)
Hình 4.5: Quỹ đạo và sai lệch quỹ đạo của khớp 3 khi quỹ đạo đặt là hàm 1(t)
Hình 4.6: Sơ đồ mô phỏng robot Scara 3 DOF sử dụng công cụ SimMechanics
Hình 4.7: Quỹ đạo đặt điểm tác động cuối của Robot
Hình 4.8: Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ kín sử dụng công cụ SimMechanics
Hình 4.9: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của khớp 1
Hình 4.10: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của khớp 2
Hình 4.11: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của khớp 3
Hình 4.12: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của điểm tác động cuối theo trục x
Hình 4.13: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của điểm tác động cuối theo trục y
Hình 4.14: Quỹ đạo đặt, quỹ đạo thực tế và sai lệch quỹ đạo của điểm tác động cuối theo trục z


10

MỞ ĐẦU

Robot công nghiệp từ khi mới ra đời đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc
độ thay thế sức người. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp là nhằm góp phần nâng cao
năng suất, giảm giá thành, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời
cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn
của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, chịu được phóng xạ và các môi trường làm
việc độc hại, nhiệt độ cao . Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công
nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi,
lắp ráp sản phẩm .
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai
thác thềm lục địa, đại dương, y học, quốc phòng, vũ trụ, công nghiệp nguyên tử và các lĩnh
vực xã hội khác . Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện cụ thể
vượt trội hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá,
nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người trong những công việc nặng nhọc và
độc hại.
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất sử dụng robot công nghiệp, đạt mức
độ tự động hoá cao .
Để có được sản phẩm robot hoàn thiện đòi hỏi sự kết hợp nghiên cứu của nhiều lĩnh
vực khoa học khác nhau như: cơ khí, điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông
tin, .Chính vì vậy robot thực sự là kết hợp hoàn hảo của công trình nghiên cứu đa lĩnh vực.
1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Robot đã được đặt nền móng đầu tiên từ những năm 20 của thế kỷ XX. Trải qua gần
một thế kỷ, kể từ đó các công trình nghiên cứu và các sản phẩm về robot được công bố và
phát triển không ngừng. Vì tính đa lĩnh vực của sản phẩm này mà các công trình nghiên
cứu về nó cũng rất đa dạng và đây cũng là khó khăn cho những người có mong muốn viết
tổng quan về lĩnh vực robot nói chung, tổng quan về các phương pháp điều khiển robot nói
riêng. Chính vì vậy, luận án chỉ đề cập tới một số kết quả nghiên cứu gần đây nhất trong và
ngoài nước về lĩnh vực điều khiển robot.
1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta hiện nay, đã có rất nhiều nhóm nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển, thiết kế
và chế tạo robot như ở các trường Đại học, Cao đẳng, ở các Viện nghiên cứu dân sự và
quốc phòng, trong đó có một số nghiên cứu đạt được kết quả đáng kể như sau:
- Nhóm nghiên cứu của PGS.TSKH. Phạm Thượng Cát, Viện Công nghệ Thông tin,
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã có nhiều công trình đóng góp
trong đó có công trình: “Tối ưu hệ số học của mạng hàm bán kính cơ sở trong bộ
điều khiển robot theo phương pháp tính momen”: công trình đã đề cập đến việc sử 11

dụng thuật di truyền (GA) thực hiện tối ưu hóa hệ số học cho mạng hàm bán kính
cơ sở là thành phần của bộ điều khiển robot theo phương pháp tính momen. Vì hệ
số học của mạng nơ ron có ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ hội tụ và chất lượng của
quá trình điều khiển. Trước đây, hệ số này đã được chọn bằng kinh nghiệm và đôi
khi phải mất một thời gian khá dài mới tìm được một hệ số đáp ứng các yêu cầu
của bài toán điều khiển .[78]
- Nhóm nghiên cứu của GS.TS. Đào Văn Hiệp và PGS.TS. Nguyễn Tăng Cường,
Học viện Kỹ thuật Quân sự có nhiều công trình trong đó có công trình: nghiên cứu
tay máy có kết cấu động học song song .[3]. “Mô hình hoá hệ vận động của người
trong MapleSim™”: nội dung chính đề cập đến cơ sở lý thuyết và quá trình thiết
lập mô hình chi dưới của người khi đi bộ trong phần mềm MapleSim, một công cụ
hiệu quả trong mô hình hoá các hệ động lực. Mô phỏng cho thấy các thông số
động lực học nhận được từ mô hình, như các lực và mô-men tại các khớp gần như
trùng với số liệu thực nghiệm do nhóm nghiên cứu của GS. Winter thực hiện tại
ĐH Waterloo, Canada. Mô hình được tạo ra sẽ là cơ sở cho thiết kế cơ khí và hệ
điều khiển của robot sinh học, hỗ trợ đi lại và phục hồi chức năng vận động của
người thiểu năng vận động (TNVĐ) [79].
- Nhóm nghiên cứu của GS.TSKH. Nguyễn Thiện Phúc và GS.TSKH. Nguyễn Văn
Khang Đại học Bách khoa Hà Nội có nhiều công trình trong đó có công trình:
“Động lực học và điều khiển robot phun cát RoPC02”: dựa trên robot phun cát di
động (RoPC02) do Viện nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động đã chế tạo nhóm tác
giả xây dựng mô hình cơ học, xác định các tham số động học, động lực học của
robot. Sau đó trên cơ sở các phương trình động lực học đã thiết lập, tiến hành mô
phỏng số bài toán động học ngược, động lực học ngược và điều khiển robot phun
cát di động .[78]. “Về một dạng thức mới phương trình chuyển động của robot
song song”: việc tự động hóa thiết lập phương trình chuyển động là một vấn đề
quan trọng của động lực học và điều khiển robot song song. Trong phần này, đầu
tiên trình bày tóm tắt về phép tính ma trận liên quan đến tích Kronecker của hai
ma trận và một dạng ma trận mới của các phương trình Lagrange. Sau đó áp dụng
thiết lập các phương trình chuyển động của hai mô hình robot song song [80].
- Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Lê Hoài Quốc, Sở Khoa học và Công nghệ T.P. Hồ
Chí Minh có nhiều công trình trong đó có công trình: “Tối ưu hóa thiết kế tay máy
song song dùng thuật toán di truyền kết kợp tập hợp tối ưu Pareto”: tối ưu hóa thiết
kế cho tay máy song song kiểu Stewart Platform. Ứng dụng phương pháp điều tra
không gian tham số PSI (Parameters Space Investigation) và tập hợp tối ưu Pareto
trong việc tìm kiếm tối ưu đa tiêu chí cho tay máy song song. Đồng thời, thuật toán
di truyền GA (Genetic Algorithm) cũng được ứng dụng nhằm tìm kiếm cấu hình
thiết kế ban đầu cho quá trình tối ưu hóa dùng Pareto. Nhóm tác giả cho biết
phương pháp kết hợp GA-Pareto có kết quả tối ưu tương đương với khi chỉ dùng
tập hợp tối ưu Pareto thuần tuý, nhưng cho phép giảm thiểu đáng kể thời gian tính
toán. Đồng thời, nó khắc phục những khó khăn khi chọn lựa một cấu hình thiết kế 12

ban đầu phù hợp cho bài toán dùng PSI và tập hợp tối ưu Pareto trong vùng không
gian khảo sát bất kỳ [78]. “Điều khiển tay máy song song dùng lý thuyết mờ kết
hợp thuật toán di truyền”: nội dung chính là đề cập các thuật toán điều khiển và
phương pháp cải tiến các bộ điều khiển cho tay máy song song kiểu Stewart
Platform. Phương pháp điều khiển kinh điển (PID) và phương pháp điều khiển
thông minh (Fuzzy) sẽ được áp dụng trong việc tìm kiếm bộ điều khiển thích hợp
cho tay máy song song. Đồng thời, ứng dụng kết hợp thuật toán di truyền GA
(Genetic Algorithm) và lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy) nhằm cải tiến bộ điều khiển
cho tay máy song song [80].
Song song với các kết quả nghiên cứu trên, nhiều luận án tiến sĩ trong nước về lĩnh vực
này cũng đã bảo vệ thành công. Sau đây là một số kết quả nghiên cứu điển hình [77]:
- Luận án về đề tài: “Ứng dụng kỹ thuật máy tính (CAE) trong kỹ thuật người máy
công nghiệp” của tác giả Phạm Đăng Phước, Đại học Đà Nẵng, năm 2000. Nội
dung chính là đặt vấn đề và giải quyết vấn đề tự động hóa các quá trình tính toán và
thiết kế robot, tạo ra khả năng thiết kế các chương trình điều khiển robot thuận lợi
và đã sử dụng. Mô phỏng hoạt động của robot trên máy tính giúp các nhà thiết kế
nhanh chóng lựa chọn được phương án hình động học của robot, đồng thời có thể
kiểm tra khả năng hoạt động của robot khi thực hiện một nhiệm vụ công nghệ cụ thể.
- Luận án về đề tài: “Nghiên cứu hệ điều khiển thích nghi-bền vững mode trượt ứng
dụng trong điều khiển tay máy” của tác giả Nguyễn Hoàng Mai, Đại học BK Hà
Nội, năm 2008. Nội dung chính là tổng quan về hệ điều khiển. Điều khiển trượt và
vấn đề chất lượng cho hệ điều khiển tay máy. Nâng cao chất lượng hệ điều khiển
chuyển động tay máy bằng phương pháp điều khiển thành phần gián đoạn trong
mode trượt. Ứng dụng SMAC điều khiển đối tượng thực tế, mô phỏng và thực
nghiệm trên robot SCO5PLUS.
- Luận án về đề tài: “Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp
hành của robot công nghiệp” của tác giả Phạm Thành Long, Đại học Thái Nguyên,
năm 2009. Nội dung chính là tổng quan về các đặc tính làm việc của hệ thống chấp
hành trên robot công nghiệp. Bài toán ngược trong điều khiển động học robot.
Phương pháp giải bài toán ngược và xây dựng các đặc tính động học của biến khớp.
Tổng hợp động học và chế tạo thử nghiệm các cơ cấu chấp hành đặc biệt trên robot.
- Luận án về đề tài: “Một số giải pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng chuyển
động của tay máy công nghiệp” của tác giả Võ Thu Hà, trường ĐH Bách khoa Hà
Nội, năm 2011. Nội dung chính là nghiên cứu sử dụng bộ quan sát trượt và áp
dụng luật thích nghi Li-Slotine cho robot Almega16.
1.2 Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Công trình khoa học về robotic, điều khiển robot của các nhà khoa học được công bố
rộng rãi trên các tạp chí uy tín, tác giả xin liệt kê một số hướng tiếp cận mà tác giả biết đến: 13

- Các công trình của nhóm nghiên cứu Sao Kawamura, người Nhật Bản như: Điều
khiển Jacobi xấp xỉ cho tay máy robot; Điều khiển trên cơ sở thụ động cho hệ
thống mạng đa robot . thể hiện rõ ở tài liệu [35];
- Điều khiển thích nghi trên cơ sở mờ nơ ron áp dụng cho bài toán điều khiển bám
robot [52]; dự báo sai lệch dựa trên bám Jacobian thích nghi cho Robot với thông
số động học và động lực học không biết chính xác [59], phản hồi đầu ra thích nghi
phi tuyến cho chuyển động tay máy robot [66], thiết kế quỹ đạo và điều khiển cho
robot Planar với khớp cuối thụ động, áp dụng tính thụ động của mô hình robot để
thiết kế bộ điều khiển [23], sử dụng bộ quan sát trạng thái [65] . ngoài ra còn sử
dụng các phương pháp như: phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến, tối ưu,
thích nghi, bền vững và các phương pháp sử dụng trí tuệ nhân tạo như hệ mờ,
mạng nơ ron [29], [32], [33], điều khiển dự báo . được luận án đề cập một phần
trong tài liệu tham khảo.
- Một số công trình khác được đăng tải trên các tạp chí uy tín như: Automatica,
Neural Information Processing-Letters, American Journal of Applied Sciences,
Asian Journal of Control, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, IEEE Transaction
on Robotics Automatic, IEEE Transactions on Neural Networks, IEEE Transaction
on Control Systems Technology, Robotics and Autonomous Systems, Applied
Mathematical Modelling, Journal of Systems Engineering and Electronics .
Mặc dù đã có nhiều kết quả được công bố, nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần được quan
tâm nghiên cứu và giải quyết tiếp để nâng cao hơn nữa chất lượng phục vụ của robot.
Chính vì vậy, những nghiên cứu trong lĩnh vực robot vẫn luôn cấp thiết và thu hút được sự
quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nước.
2. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Robot công nghiệp là một trong những đối tượng được sử dụng phổ biến và mang lại
hiệu quả cao trong sản xuất, sinh hoạt . nhưng đồng thời cũng là đối tượng có tính phi
tuyến mạnh, có các tham số bất định lớn và chịu nhiều sự tác động của nhiễu. Song song
với việc nâng cao độ chính xác trong các khâu lắp ghép cơ khí thì điều khiển cũng là một
vấn đề hết sức quan trọng để cải thiện đáng kể chất lượng làm việc của robot. Hiện nay, có
nhiều phương pháp điều khiển đã được công bố và được áp dụng thành công cho robot,
nhất là cho các robot có mô hình xác định hoặc mô hình có tham số bất định kiểu hằng số.
Nhưng đến nay, bài toán điều khiển robot vẫn luôn dành được nhiều sự quan tâm của các
nhà khoa học nghiên cứu giải quyết để cải thiện hơn nữa chất lượng động học của robot
Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ
thống được ổn định, cho dù có nhiễu không mong muốn tác động, có sự thay đổi cấu trúc
hoặc tham số không biết trước của đối tượng điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của hệ
thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng, bộ điều khiển sẽ tự
chỉnh định cấu trúc và tham số nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống là không đổi [8]. Hướng
nghiên cứu điều khiển thích nghi cho robot đang được các nhà khoa học ở lĩnh vực này
quan tâm phát triển trong những năm gần đây. 14

Vì vậy, nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển robot dựa trên lý thuyết điều khiển thích
nghi là hướng mà luận án chọn để nghiên cứu và đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi bền
vững mới dựa trên các công cụ điều khiển phi tuyến như hàm điều khiển Lyapunov, kỹ thuật
backstepping, điều khiển trượt kết hợp với mạng nơ ron nhân tạo . Sự kết hợp hợp lý các công
cụ này có khả năng tạo ra một bộ điều khiển có cấu trúc mới nhằm đảm bảo nâng cao chất
lượng làm việc cho robot trong điều kiện cấu trúc của robot thay đổi và có nhiễu tác động.
3. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu và đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi phi
tuyến mới trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo cho robot công nghiệp bất định kiểu hàm số
đảm bảo bám quỹ đạo đặt trước và có khả năng kháng nhiễu.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
- Đối tượng nghiên cứu: là robot công nghiệp n bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành được mô tả
toán học bằng một mô hình trạng thái phi tuyến bất định kiểu hàm số.
- Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu phương pháp mô tả toán học cho robot n bậc
tự do có các đặc tính bất định, các phương pháp biến đổi mô hình toán học của robot.
Nghiên cứu các công trình đã được công bố trong và ngoài nước ở lĩnh vực điều khiển
thích nghi robot đủ cơ cấu chấp hành, lý thuyết điều khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi,
mạng nơ ron nhân tạo, . làm nền tảng cho việc phát triển giải thuật điều khiển thích nghi
mới cho robot n bậc tự do có mô hình phi tuyến bất định kiểu hàm số. Nghiên cứu các
công cụ phần mềm để kiểm chứng tính đúng đắn của các giải thuật mới được đề xuất trong
luận án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu đề xuất các thuật toán và cấu trúc điều khiển
thích nghi phi tuyến mới trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo để điều khiển robot n bậc tự do
có mô hình phi tuyến bất định kiểu hàm số, có nhiễu tác động, bám quĩ đạo đặt và đảm bảo
hệ kín ổn định toàn cục.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kiểm chứng được khả năng ứng dụng thực tế của các thuật toán điều
khiển thích nghi bền vững trên cơ sở mạng nơ ron nhân tạo được đề xuất trong luận án bằng
các công cụ mềm.
6. Nội dung của luận án
Bố cục của luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Nghiên cứu, đánh giá các phương pháp điều khiển robot
Nội dung chính của chương này là trình bày cách xây dựng mô hình động lực học, phân
tích các đặc tính của mô hình và xác định hướng nghiên cứu trong điều khiển robot; nghiên
cứu một số phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho robot công nghiệp, mô phỏng và đánh
giá khả năng phát triển các thuật toán điều khiển mới trên cơ sở các phương pháp đó, từ đó 15

định hướng nghiên cứu cụ thể của luận án trong lĩnh vực điều khiển thích nghi robot. Kết
quả nghiên cứu trong chương này được công bố qua 3 bài báo sau:
- Application of the Exact Linearization Method to Robot. The Tenth International
Confevence on Control Automation, Robotics and Vision, IEEE, ICARCV-2008.
- Thiết kế bộ điều khiển bám quỹ đạo cho robot bằng phương pháp Jacobian xấp xỉ
thích nghi. Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về Cơ Điện tử, VCM-2012.
- Áp dụng phương pháp backstepping trong điều khiển bền vững chuyển động của
Robot. Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hóa, VCCA-2013.
Chương 2: Điều khiển thích nghi tay máy robot sử dụng mạng nơ ron trên cơ sở kỹ thuật
backstepping
Nội dung chính của chương là trình bày phương pháp luận về thiết kế bộ điều khiển
cho đối tượng phi tuyến bất định hàm số dạng truyền ngược chặt bằng cách kết hợp kỹ
thuật backstepping với mạng nơ ron nhân tạo (ANNC) của các tác giả Tao Zhang, S.S Ge
và C.C. Hang [37], [38] phân tích tính ổn định của hệ kín, đề xuất phương pháp chuyển đổi
mô hình động lực học của robot về dạng thích hợp với ANNC, tổng hợp ANNC cho robot
n bậc tự do có mô hình bất định dạng hàm số.
Nghiên cứu cấu trúc mạng nơ ron phù hợp cho bộ xấp xỉ hàm bất định trên cơ sở mô
phỏng ANNC cho robot 2 bậc tự do và kiểm chứng chất lượng của hệ thống khi tham số
động học của robot thay đổi với bộ xấp xỉ được lựa chọn phù hợp.
Kết quả nghiên cứu được công bố qua 2 bài báo:
- Điều khiển thích nghi bằng mạng nơ ron cho hệ chuyển động sử dụng kỹ thuật cuốn
chiếu. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Công nghiệp Hà Nội. số 16,
6/2013.
- Điều khiển thích nghi bằng mạng nơ ron cho đối tượng robot công nghiệp sử dụng
kỹ thuật cuốn chiếu. Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ, Quân sự,
6/2013.
Chương 3: Điều khiển trượt nơ ron thích nghi bền vững cho tay máy robot bất định hàm số
Nội dung chính của chương này là nghiên cứu đề xuất giải thuật điều khiển trượt nơ ron
thích nghi bền vững cho đối tượng truyền ngược bất định hàm số, thành phần phi tuyến bất
định được xấp xỉ bởi mạng nơ ron hướng tâm ba lớp, trọng số mạng được huấn luyện trực
tuyến, phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ thống kín. Tổng hợp bộ điều
khiển trượt nơ ron thích nghi bền vững cho robot n bậc tự do và mô phỏng kiểm chứng
bằng mô hình robot 3 bậc tự do.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 5, năm
2014:
- Điều khiển trượt nơ ron thích nghi bền vững cho robot ba bậc tự do. Tạp chí Khoa
học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, tập 52, số 5,
năm 2014. 16

Chương 4: Điều khiển thích nghi bền vững tay máy robot sử dụng mạng nơ ron kết hợp
điều khiển trượt
Nội dung chính của chương này là nghiên cứu và đề xuất bộ điều khiển thích nghi bền
vững có cấu trúc song song sử dụng kỹ thuật backstepping, mạng nơ ron kết hợp điều
khiển trượt cho đối tượng robot n bậc tự do có mô hình bất định kiểu hàm số, chịu sự ảnh
hưởng của nhiễu. Phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ thống kín với bộ
điều khiển được đề xuất.
Mô phỏng kiểm chứng trên mô hình robot Scara 3 DOF sử dụng phần mềm
SolidWorks và công cụ SimMehanics, so sánh RAC với ANNC (chương 2) và RANNSMC
(chương 3) và đưa ra các ý kiến bàn luận.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố 1 bài báo quốc tế tại ICCAIS-2013, IEEE, Nha Trang:
- Robust Adaptive Control of Robots Using Neural Network and Sliding Mode
Control. 2013 International Conference on Control, Automation and Information
Sciences, ICCAIS-2013.
Kết luận và kiến nghị
Nêu các kết quả đóng góp chính của luận án và hướng phát triển tiếp theo.