Điều khiển mờ thích nghi Backstepping kết hợp cho tay máy Robot khớp đàn hồi

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 - 2016 55
ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI BACKSTEPPING 
KẾT HỢP CHO TAY MÁY ROBOT KHỚP ĐÀN HỒI 
Nguyễn Văn Hải 1*, Vũ Hỏa Tiễn2, Nguyễn Thanh Tiên 2, Trần Xuân Anh3 
Tóm tắt: Bài báo này trình bày vấn đề tổng hợp thuật toán điều khiển bám vị trí 
cho tay máy robot khớp đàn hồi có xét đến động học của động cơ chấp hành và 
nhiễu loạn tác động. Thuật toán được tổng hợp trên cơ sở Backtepping có sử dụng 
hệ mờ thích nghi xấp xỉ hàm và điều khiển chuyển mạch ở bước cuối cùng với mục 
đích tăng tính bền vững; kết quả mô phỏng cho tay máy hai khâu trên cơ sở Matlab-
Simulink được trình bày để chứng minh tính hội tụ của luật điều khiển đã đề xuất. 
Từ khóa: Backstepping, Hệ mờ thích nghi xấp xỉ hàm, Tay máy khớp mềm. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Trong các tay máy robot, hệ thống truyền động là khâu quan trọng ghép nối 
các khâu tạo ra chuyển động bao gồm các động cơ chấp hành, khớp quay, khớp 
nối, thanh truyền, cơ cấu giảm tốc với cơ cấu chấp hành. Khi chế tạo các bộ phận 
truyền động cho tay máy robot, người ta luôn mong muốn chúng đạt được độ 
cứng tuyệt đối, nói cách khác, thuộc tính đàn hồi là yếu tố không mong muốn 
trong các đối tượng điều khiển. Tuy nhiên loại bỏ hoàn toàn tính chất đàn hồi 
trong một hệ truyền động là điều phi thực tế, vì các loại vật liệu thường có độ đàn 
hồi nhất định, do vậy các bộ phận truyền động tùy theo cấu trúc sẽ có tính chất 
đàn hồi đặc trưng. 
Khi xét tới sự tồn tại và ảnh hưởng của các yếu tố đàn hồi trong các khớp, người 
ta thấy rằng bậc hàm truyền của hệ thống điều khiển tăng lên so với các tay máy 
robot giả thiết là hoàn toàn cứng. Việc tổng hợp điều khiển cho các hệ thống bậc 
cao luôn là vấn đề khó khăn, đặc biệt khi xét đến các ảnh hưởng của nhiễu loạn và 
bất định tham số. Khi đó, các phương pháp điều khiển có tính bền vững với bất 
định và nhiễu loạn được quan tâm như điều khiển mờ [5], mạng nơron [1], [3], 
điều khiển trượt [2, 3]. Để nâng cao chất lượng điều khiển, một số nghiên cứu đã 
tập trung vào việc đánh giá các thành phần bất định [1], [3] trên cơ sở mạng nơron 
RBF. Tuy nhiên, các nghiên cứu [1],[3] mới chỉ dừng ở việc tổng hợp điều khiển 
cho đối tượng tay máy 1 khâu, điều này đã mất đi tính tổng quát của nghiên cứu. 
Trong thực tế, có nhiều phương pháp xấp xỉ bất định, trong đó việc xấp xỉ bất 
định sử dụng hệ mờ có ưu điểm là dễ dàng thiết kế và áp dụng các hiểu biết về đối 
tượng trong việc thiết kế điều khiển. Việc sử dụng hệ mờ có cấu trúc feedforward 
cũng tương đồng với mạng nơ ron đa lớp feedforward trong xấp xỉ hàm [4]. 
Với mục tiêu nâng cao chất lượng hệ điều khiển tay máy robot khớp đàn hồi có 
xét đến động học của động cơ chấp hành trên cơ sở sử dụng công cụ mờ để xấp xỉ 
và bù trừ các thành phần bất định, nhiễu loạn tồn tại trong mô hình đối tượng, bài 
báo định hướng vào việc tổng hợp bộ điều khiển Backstepping kết hợp sử dụng hệ 
mờ đề xấp xỉ bất định cho đối tượng này. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
N. V. Hải, , T. X. Anh, “Điều khiển mờ thích nghi backstepping robot khớp đàn hồi.” 56 
2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN 
 2.1. Xây dựng mô hình, đặt bài toán bám sát 
Xét mô hình động lực học tay máy robot khớp đàn hồi n khớp quay với động 
học của động cơ chấp hành được mô tả như phương trình (1) [1]. 
1 1 1 1 1 1 2 1 1
2 2 2 1 2
2
( ) ( , ) ( ) ( )
( ) b u
u u u u b
D q q C q q q g q K q q d
Jq Bq K q q K I d
L I R I K q u
  
 
 
 (1) 
Trong đó: 1 1,
nRq q  - là các vectơ vị trí và vận tốc góc của các khâu; 2 2,
nRq q  - 
là các vectơ vị trí và vận tốc góc của các động cơ chấp hành; 1( ),
n nRD q J - là ma 
trận mômen quán tính của khâu và rô to động cơ chấp hành; 1 1( , )
n nRC q q  - ma 
trận lực hướng tâm và lực Coriolis; n nRB - ma trận hệ số ma sát nhớt; 1d và 2d 
là véc tơ tổng hợp các thành phần nhiễu loạn và không xác định của mô hình tay 
máy; 1( )
nRg q - véc tơ lực hấp dẫn; bK - ma trận hệ số phụ thuộc kết cấu động cơ; 
uI , u , uL , uR - tương ứng là tham số dòng điện, điện áp, điện cảm và điện trở phần 
ứng của động cơ. Thành phần 2 1( )K q q đặc trưng cho mô men đàn hồi của khớp. 
Bằng cách đặt biến trạng thái như sau: 1 1x q ; 2 1x q  ; 3 2 ;x q 4 2x q  ; 5 ux I ; 
và đặt 13 1 1 2 2 1 3 1 1( ) ( )[ ( , ) ( ) ( ) ]g x x D x C x x x K x x g x d
 , 1ub L
1
5 1 3 4 5 2( ) [ ( ) ]bxh x x J K x x B K x d
 ; 1 15 4( ) u u u Bf x L R x L K x
 . 
Ta nhận được hệ: 
 1 2 2 3 3 4 4 5 5; ( ); ; ( ); ( ) x x x x g x x x x x h x x f x bu     (2) 
Bài toán điều khiển đặt ra là tìm cấu trúc tín hiệu điều khiển là điện áp phần ứng 
của động cơ, sao cho đại lượng đầu ra bám sát theo giá trị mong muốn cho trước 
( 1 1dx x ), với giả thiết tín hiệu đặt có tồn tại các đạo hàm bậc cao. Ta thấy hàm 
( )g x trong (2) không phụ thuộc vào các biến trạng thái 4 5,x x , như vậy hệ (2) có 
tính chất kết tầng, khi đó ta có thể ứng dụng phương pháp tổng hợp Backstepping. 
2.2. Tổng hợp đ