Dự Báo Điều Khiển Thích Ứng Cho Robot Delta Song Song

• Tác giả: Doan Duc Dang
• Người hướng dẫn: Ph.D. Le Xuan Hai
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi International School
• Chuyên ngành: Informatics and Computer Engineering
• Đề tài: Adaptive Control for Delta Parallel Robot
• Loại tài liệu: Graduation Project
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hanoi

• Acknowledgements
• Declaration
• Table of contents
• List of figures
• List of tables
• List of abbreviations
• Abstract and Keywords
• 1. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW OF THE PROBLEM OF DELTA PARALLEL ROBOT
• 1.1. Robots have a parallel structure
• 1.2. Compare serial robots and parallel robots
• 1.3. Applications of parallel robots
• 1.3.1. Application in medicine
• 1.3.2. Application in production
• 1.4. Some related studies
• 1.4.1. Parallel robot dynamics
• 1.4.2. Trajectory Tracking Control of Parallel Robots
• 1.5. Research in Vietnam
• 1.6. Identifying the research problem of the thesis
• 1.7. Conclusion of chapter 1
• 2. CHAPTER 2: THEORETICAL MODELING OF DEVELOPING DYNAMIC MODEL FOR DELTA PARALLEL ROBOT
• 2.1. Model analysis of delta parallel robots
• 2.2. Build a kinematic model
• 2.3. Analysis of Link Movements
• 2.4. Dynamic model of Delta Parallel Robot
• 2.4.1. Kinetic energy of Delta Parallel Robot
• 2.4.2. Potential energy of Delta Parallel Robot
• 2.4.3. Lagrange function of Delta Parallel Robot
• 2.5. Conclusion of chapter 2
• 3. CHAPTER 3: ADAPTIVE CONTROLLER FOR DELTA PARALLEL ROBOT
• 3.1. Adaptive Speed Control for DC Motors
• 3.1.1. DC Motor Model
• 3.1.2. Control design DC motor
• 3.2. Adaptive B-Spline Controller Design for DC motors
• 3.3. Delta Parallel Robot Adaptive Controller
• 3.3.1. Control law of the neuro-controller
• 3.4. Conclusion of chapter 3
• 4. CHAPTER 4: SIMULATION RESULTS AND DISCUSSIONS CONCLUSIONS, LIMITATIONS AND FURTHER WORK
• 4.1. Conclusion of chapter 4

I. Tổng Quan Về Dự Báo Điều Khiển Thích Ứng Robot Delta

Robot Delta song song ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tốc độ và độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc điều khiển robot này gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và các yếu tố gây nhiễu. Điều khiển thích ứng là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này, cho phép robot tự điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu trong các môi trường khác nhau. Phương pháp này đặc biệt quan trọng khi robot phải làm việc với các tải trọng hoặc quỹ đạo phức tạp. Dự báo điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng của robot Delta, giúp robot phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi. Luận án này sẽ đi sâu vào nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật dự báo điều khiển thích ứng cho robot Delta song song, nhằm cải thiện hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. "The thesis presents an in-depth study on the dynamics and control of Delta parallel robots, with a particular focus on the development and application of adaptive control methods." Đây là trích dẫn quan trọng thể hiện mục tiêu của nghiên cứu.

1.1. Lợi Ích Của Điều Khiển Thích Ứng Robot Delta Song Song

Điều khiển thích ứng mang lại nhiều lợi ích so với các phương pháp điều khiển robot truyền thống. Khả năng tự điều chỉnh giúp robot duy trì hiệu suất cao ngay cả khi có sự thay đổi về tải trọng, môi trường hoặc động lực học. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp, nơi điều kiện làm việc có thể thay đổi liên tục. Điều khiển thích ứng cũng giúp giảm thiểu sai số và cải thiện độ chính xác của robot, đặc biệt là khi thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Việc sử dụng bộ điều khiển thích ứng phù hợp có thể tối ưu hóa hiệu suất của robot, giảm thời gian hoàn thành nhiệm vụ và tăng năng suất tổng thể. Từ đó, giảm chi phí sản xuất.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Robot Delta Điều Khiển Thích Ứng

Robot Delta song song với điều khiển thích ứng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành thực phẩm và đồ uống, chúng được sử dụng để gắp và đặt các sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác. Trong ngành điện tử, chúng được sử dụng để lắp ráp các linh kiện nhỏ. Trong ngành y tế, chúng được sử dụng để thực hiện các phẫu thuật chính xác. Việc áp dụng điều khiển thích ứng cho robot Delta giúp chúng hoạt động hiệu quả hơn trong các ứng dụng này. Sự linh hoạt và độ chính xác của robot Delta được nâng cao đáng kể, cho phép chúng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp và đa dạng. "The research explores various industrial, medical, and production applications."

1.3. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Hóa Động Học Robot Delta

Để thiết kế điều khiển thích ứng hiệu quả, việc xây dựng mô hình robot delta chính xác là rất quan trọng. Mô hình động học mô tả mối quan hệ giữa các khớp của robot và vị trí của công cụ cuối. Mô hình động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực và mô-men tác động lên robot và chuyển động của nó. Các mô hình này cho phép chúng ta dự đoán hành vi của robot và thiết kế thuật toán điều khiển phù hợp. Sai số trong mô hình có thể dẫn đến hiệu suất điều khiển kém, do đó, việc xây dựng mô hình chính xác là một bước quan trọng trong quá trình thiết kế. "A dynamic model for Delta parallel robots is meticulously developed, detailing the kinematic and kinetic energy aspects, and employing the Lagrange function for a comprehensive dynamic representation."

II. Thách Thức Điều Khiển Robot Delta Song Song Thích Ứng

Mặc dù điều khiển thích ứng mang lại nhiều lợi ích, việc áp dụng nó cho robot Delta song song cũng đặt ra nhiều thách thức. Robot song song có cấu trúc phức tạp và phi tuyến, gây khó khăn trong việc xây dựng mô hình chính xác. Các yếu tố gây nhiễu, như ma sát và sai số cảm biến, cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển. Việc thiết kế thuật toán điều khiển thích ứng đòi hỏi kiến thức sâu rộng về lý thuyết điều khiển, học máy và robotics. Thêm vào đó, việc đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống điều khiển là rất quan trọng. Việc vượt qua những thách thức này đòi hỏi sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

2.1. Tính Phi Tuyến Trong Động Học Robot Delta Gây Khó Khăn Gì

Tính phi tuyến trong động học của robot Delta song song gây khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển thích ứng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống thường không hiệu quả trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến. Việc điều khiển robot đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp hơn, như điều khiển dựa trên mô hình phi tuyến hoặc điều khiển thông minh. Việc ước lượng và bù trừ các thành phần phi tuyến trong mô hình là một thách thức lớn. Các phương pháp xấp xỉ và tuyến tính hóa có thể được sử dụng, nhưng chúng có thể làm giảm độ chính xác của hệ thống điều khiển.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu Đến Hệ Thống Điều Khiển Robot Delta

Nhiễu có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống điều khiển thích ứng cho robot Delta song song. Ma sát, sai số cảm biến và các yếu tố bên ngoài khác có thể gây ra sai số trong việc ước lượng trạng thái và điều khiển robot. Việc thiết kế bộ điều khiển thích ứng cần phải có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ để đảm bảo hiệu suất ổn định. Các kỹ thuật như Kalman filter, sliding mode control và fuzzy logic control có thể được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. "This adaptive control framework is then extended to the Delta parallel robot, incorporating a neuro-controller with a robust control law and an innovative learning rule to enhance the robot's performance in dynamic environments."

2.3. Đảm Bảo Tính Ổn Định Của Hệ Thống Điều Khiển Thích Ứng

Tính ổn định là một yêu cầu quan trọng đối với bất kỳ hệ thống điều khiển robot nào. Việc điều khiển thích ứng có thể làm cho hệ thống trở nên không ổn định nếu không được thiết kế cẩn thận. Các phương pháp phân tích ổn định như Lyapunov stability analysis có thể được sử dụng để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điều khiển. Việc lựa chọn các tham số điều khiển phù hợp cũng rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất. Các thuật toán optimization có thể được sử dụng để tìm kiếm các tham số điều khiển tối ưu.

III. Phương Pháp Điều Khiển Thích Ứng Robot Delta Song Song

Nghiên cứu này tập trung vào phát triển phương pháp điều khiển thích ứng cho robot Delta song song dựa trên mạng nơ-ron và bộ điều khiển B-Spline. Mạng nơ-ron được sử dụng để ước lượng động lực học của robot, trong khi bộ điều khiển B-Spline được sử dụng để tạo ra tín hiệu điều khiển. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của cả hai kỹ thuật, mang lại hiệu suất điều khiển cao và khả năng thích ứng tốt. Việc sử dụng học máy trong điều khiển robot cho phép robot tự học và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này có hiệu quả trong việc điều khiển robot Delta song song theo quỹ đạo mong muốn.

3.1. Ứng Dụng Mạng Nơ Ron Trong Điều Khiển Robot Delta

Mạng nơ-ron là một công cụ mạnh mẽ để ước lượng các hàm phi tuyến, và chúng được sử dụng rộng rãi trong điều khiển robot. Trong nghiên cứu này, mạng nơ-ron được sử dụng để ước lượng động lực học của robot Delta song song. Mạng nơ-ron được huấn luyện bằng dữ liệu thu được từ mô phỏng hoặc thực nghiệm. Sau khi được huấn luyện, mạng nơ-ron có thể dự đoán lực và mô-men cần thiết để di chuyển robot theo quỹ đạo mong muốn. Việc sử dụng mạng nơ-ron giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào mô hình động lực học chính xác, làm cho hệ thống điều khiển trở nên mạnh mẽ hơn. "The research introduces an adaptive speed control method for DC motors, leveraging a super- twisting sliding mode controller and an adaptive B-Spline controller design."

3.2. Sử Dụng Bộ Điều Khiển B Spline Để Tạo Tín Hiệu Điều Khiển

Bộ điều khiển B-Spline là một loại bộ điều khiển phi tuyến có khả năng tạo ra tín hiệu điều khiển mượt mà và chính xác. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển B-Spline được sử dụng để tạo ra tín hiệu điều khiển cho robot Delta song song. Bộ điều khiển B-Spline nhận đầu vào từ mạng nơ-ron và tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp để di chuyển robot theo quỹ đạo mong muốn. Việc sử dụng bộ điều khiển B-Spline giúp giảm thiểu rung động và cải thiện độ chính xác của hệ thống điều khiển. "This adaptive control framework is then extended to the Delta parallel robot, incorporating a neuro- controller with a robust control law and an innovative learning rule to enhance the robot's performance in dynamic environments."

3.3. Tối Ưu Hóa Thuật Toán Điều Khiển Bằng Học Máy

Học máy có thể được sử dụng để tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho robot Delta song song. Các thuật toán như recursive least squares và gradient descent có thể được sử dụng để điều chỉnh các tham số của mạng nơ-ron và bộ điều khiển B-Spline để đạt được hiệu suất tối ưu. Việc sử dụng học máy giúp robot tự học và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Các thuật toán optimization có thể được sử dụng để tìm kiếm các tham số điều khiển tối ưu.

IV. Kết Quả Mô Phỏng Điều Khiển Thích Ứng Robot Delta

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp điều khiển thích ứng đề xuất có hiệu quả trong việc điều khiển robot Delta song song theo quỹ đạo mong muốn. Robot có thể theo dõi quỹ đạo với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. Phương pháp này cũng cho thấy khả năng chống nhiễu tốt. Các kết quả này chứng minh tiềm năng của điều khiển thích ứng trong việc cải thiện hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của robot Delta song song. "Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed adaptive control methods, showcasing improved trajectory tracking and stability of the Delta parallel robot under varying conditions."

4.1. Độ Chính Xác Theo Dõi Quỹ Đạo Robot Delta Cải Thiện Ra Sao

Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác theo dõi quỹ đạo của robot Delta song song đã được cải thiện đáng kể so với các phương pháp điều khiển robot truyền thống. Sai số theo dõi giảm đáng kể, đặc biệt là trong các tình huống có sự thay đổi về tải trọng hoặc môi trường. Robot có thể theo dõi quỹ đạo phức tạp với độ chính xác cao, cho phép nó thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn. "The findings underscore the potential of adaptive control techniques in enhancing the operational efficiency and precision of Delta parallel robots, paving the way for broader applications in automation and robotics."

4.2. Khả Năng Chống Nhiễu Của Bộ Điều Khiển Thích Ứng

Kết quả mô phỏng cũng cho thấy bộ điều khiển thích ứng có khả năng chống nhiễu tốt. Robot vẫn có thể theo dõi quỹ đạo chính xác ngay cả khi có sự xuất hiện của nhiễu. Điều này chứng tỏ tính mạnh mẽ và độ tin cậy của hệ thống điều khiển. Việc sử dụng các kỹ thuật như Kalman filter và sliding mode control đã giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. Từ đó robot dễ dàng đáp ứng được nhiều môi trường làm việc phức tạp.

4.3. Thời Gian Đáp Ứng Của Hệ Thống Điều Khiển Được Cải Thiện

Ngoài độ chính xác và khả năng chống nhiễu, thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển cũng được cải thiện đáng kể. Robot có thể phản ứng nhanh chóng với các thay đổi về quỹ đạo hoặc tải trọng. Điều này cho phép robot thực hiện các nhiệm vụ nhanh chóng và hiệu quả hơn. Việc sử dụng các thuật toán hiệu quả và phần cứng mạnh mẽ đã giúp giảm thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển.

V. Kết Luận Về Điều Khiển Thích Ứng Robot Delta Song Song

Nghiên cứu này đã trình bày một phương pháp điều khiển thích ứng hiệu quả cho robot Delta song song. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của mạng nơ-ron và bộ điều khiển B-Spline, mang lại hiệu suất điều khiển cao và khả năng thích ứng tốt. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của robot Delta song song. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc thử nghiệm phương pháp này trên robot thực tế và khám phá các ứng dụng mới.

5.1. Hướng Phát Triển Tiếp Theo Của Điều Khiển Robot Delta

Các hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu này bao gồm việc thử nghiệm phương pháp điều khiển thích ứng trên robot Delta song song thực tế. Việc thử nghiệm trên robot thực tế sẽ giúp đánh giá hiệu quả của phương pháp trong các điều kiện thực tế và xác định các vấn đề cần giải quyết. Các nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc khám phá các ứng dụng mới của robot Delta song song với điều khiển thích ứng.

5.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Nâng Cao Hiệu Quả

Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence) có thể nâng cao hiệu quả của hệ thống điều khiển thích ứng. Các thuật toán học sâu có thể được sử dụng để ước lượng động lực học của robot và tối ưu hóa các tham số điều khiển. Các hệ thống điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo có thể tự học và cải thiện hiệu suất theo thời gian. Từ đó, giúp tăng khả năng ứng dụng vào nhiều công việc khác nhau.

5.3. Tích Hợp Cảm Biến Và Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu

Việc tích hợp các cảm biến và hệ thống thu thập dữ liệu có thể cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái của robot và môi trường xung quanh. Thông tin này có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển thích ứng. Các cảm biến như cảm biến lực, cảm biến gia tốc và cảm biến vị trí có thể cung cấp thông tin về lực tác động lên robot, gia tốc của robot và vị trí của robot.