Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform
Luận án Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform. – Nguyễn Xuân Vinh.Vào những năm gần đây, tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform đã được nghiên cứu và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: gia công cơ khí chính xác, giải phẫu trong y học, thiên văn học, mô phỏng chuyển động, … Tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform có những ưu điểm vượt trội so với tay máy nối tiếp như: độ cứng vững cao, khả năng chịu tải trọng lớn, khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác, ổn định cao,… Tuy nhiên, tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform cũng tồn tại những nhược điểm nhất định như: không gian làm việc bị giới hạn, thiết kế chế tạo phức tạp, giá thành cao, bài toán động học thuận phức tạp và đặc biệt tồn tại các điểm kỳ dị (singularities) trong không gian làm việc [3], [19], [26], [41]. Nhằm hạn chế các nhược điểm nêu trên, việc nghiên cứu về tối ưu hoá thiết kế và điều khiển được quan tâm đặc biệt trong quá trình thiết kế chế tạo và vận hành tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform. Quá trình này bao gồm các bước: mô hình hóa; đánh giá khả năng hoạt động của tay máy với các ràng buộc; tối ưu hóa thiết kế theo đa tiêu chí; tối ưu hóa bộ điều khiển phân cấp trên cơ sở các cấu hình tối ưu hóa thiết kế.
Hiện nay tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform vẫn đang là đề tài nghiên cứu của nhiều trường đại học trên thế giới, là đề tài của nhiều luận văn thạc sỹ và tiến sỹ đã và đang được triển khai ở khắp nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam [9], [67], [86].
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tay máy song song đã được chú ý từ năm 2002. Nhiều trường đại học, viện nghiên cứu, cơ sở sản xuất đã triển khai các nghiên cứu, chế tạo tay máy song song.
Qua tìm hiểu các công trình đã công bố trong nước, tác giả nhận thấy việc nghiên cứu thường thực hiện một cách riêng biệt về thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí [17], [113], [114], [116], [119], [120] hoặc hệ điều khiển [24], [123], [124], mô phỏng hoạt động [105], [112], [117], [121], giải bài toán động học [57], [106], [107], phân tích độ cứng vững [36], đề xuất ứng dụng [122],… của tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform theo từng vấn đề khác nhau. Các nghiên cứu này chủ yếu giải quyết các vấn đề học thuật và cần được tiếp tục phát triển để có thể áp dụng vào thực tiễn cho quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform. Vì vậy, một nghiên cứu có tính toàn thể, có khả năng áp dụng với các tham số khác nhau về cấu hình cơ khí, không gian khảo sát, đặc tính điều khiển,. nhằm phục vụ việc thiết kế, chế tạo và vận hành tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Luận án này đặt ra các vấn đề nghiên cứu như sau:
•Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng những cơ sở khoa học về tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform, góp phần tạo ra công cụ để thiết kế, chế tạo các hệ thống ứng dụng cụ thể.
•Đối tượng nghiên cứu: Tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform (các phần trình bày về tay máy song song trong luận án được hiểu là tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform).
•Phạm vi nghiên cứu: Tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform trên mô hình máy tính và thực nghiệm.
•Giới hạn của luận án:
– Về tối ưu hoá thiết kế cấu hình, luận án giới hạn ở việc áp dụng một số lý thuyết và giải thuật như lý thuyết Vít xác định cấu hình suy biến, điểm kỳ dị và vùng lân cận của tay máy song song; các giải pháp tối ưu hóa sử dụng giải thuật di truyền (GA), thuật toán PSI, thuật toán GA-PSI.
– Việc tối ưu hóa thiết kế cấu hình được giới hạn gồm 3 tiêu chí: số điểm làm việc, số cấu hình làm việc, độ cứng vững của tay máy.
– Mô hình thực nghiệm được xây dựng với mục tiêu kiểm tra, so sánh các giải thuật tối ưu hoá thiết kế và điều khiển, không đòi hỏi tốc độ lớn và độ chính xác cao (sử dụng các chân dẫn động dùng vít me và động cơ DC servo).
-Luận áncũng giới hạnthựcnghiệmkhảosát 2giảithuậtđiềukhiển:PID và
Fuzzy-PID.
•Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết dựa trên các phương pháp mô hình hóa, sử dụng công cụ điện tử – phần mềm máy tính thực hiện tối ưu hóa thiết kế và điều khiển. Tiến hành thực nghiệm trên mô hình được thiết kế chế tạo.
•Nội dung nghiên cứu:
– Xây dựng bộ công cụ mô hình hóa, khảo sát và đánh giá khả năng hoạt động của tay máy song song.
– Xây dựng giải pháp nhằm tối ưu hóa thiết kế tay máy song song kiểu Stewart- Gough Platform theo đa tiêu chí (số điểm làm việc, số cấu hình làm việc, độ cứng vững của tay máy).
-Xây dựng mô hình thực nghiệm và thực hiện tối ưu hóa cấu hình thiết kế.
– Đề xuất thiết kế giải thuật tối ưu hóa cho bộ điều khiển tay máy trên cơ sở sử dụng các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại.
•Đóng góp chính và ý nghĩa khoa học của luận án:
-Xây dựng cơ sở toán học cho tối ưu hoá thiết kế, xây dựng bộ công cụ nghiên cứu dùng để mô hình hóa, đồng thời đánh giá các tiêu chí ảnh hưởng đến khả năng làm việc của tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform.
– Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa, xây dựng các chương trình tối ưu hóa thiết kế theo đa tiêu chí cho tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform theo giải thuật di truyền, thuật toán PSI, phương pháp kết hợp giữa giải thuật di truyền và thuật toán PSI (thuật toán GA-PSI). Đặc biệt, thuật toán GA-PSI có khả năng giảm thiểu thời gian tối ưu hóa với cấu hình ban đầu được xác định phù hợp theo không gian khảo sát.
Xây dựng mô hình vật lý tay máy song song có khả năng tái cấu hình và tính mở, cho phép kiểm chứng các thuật toán tối ưu hóa thiết kế và điều khiển tay máy song song.
Đề xuất giải pháp tối ưu hóa điều khiển tay máy song song trên cơ sở áp dụng thuật toán điều khiển thông minh (Fuzzy) và phương pháp kết hợp (Fuzzy-PID).
•Ý nghĩa thực tiễn của Luận án:
– Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của luận án, với mỗi ứng dụng thực tiễn của tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform, ta có thể lựa chọn và xác định cấu hình thiết kế tối ưu với các tiêu chí phản ánh khả năng làm việc như: vùng làm việc, cấu hình suy biến, độ cứng vững,… theo các yêu cầu của nhà thiết kế.
– Ứng dụng các giải thuật điều khiển tối ưu đa hợp cho tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform.
– Từ các kết quả thu được, luận án đề xuất một quy trình sử dụng để tối ưu hoá thiết kế và điều khiển cho tay máy song song theo yêu cầu thực tiễn đề ra.
Cấu trúc của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung và phần kết
luận.
Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi, giới hạn, phương pháp, nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương 1 trình bày tổng quan về các vấn đề cần nghiên cứu, các cơ sở toán học làm nền tảng cho các nghiên cứu trong luận án (các bài toán về động học, các giới hạn về động học, động lực học, cấu hình suy biến, điểm kỳ dị và lân cận, độ cứng vững của tay máy).
Các đóng góp chính của luận án được trình bày trong chương 2, 3, 4 và 5.
Chương 2 trình bày việc ứng dụng các cơ sở toán học nêu trong chương 1 để xây dựng bộ công cụ nghiên cứu dùng cho mô hình hóa, đồng thời đánh giá các tiêu chí ảnh hưởng đến khả năng làm việc của tay máy song song kiểu Stewart-Gough Platform. Công cụ cho phép: 1) Khảo sát vùng làm việc và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm việc; 2) Khảo sát cấu hình làm việc của tay máy với góc hướng tâm khâu thay đổi; 3) Áp dụng lý thuyết Vít xác định cấu hình suy biến (Singularity), điểm kỳ dị và vùng lân cận của tay máy song song; 4) Độ cứng vững của các cấu hình thiết kế.
Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu của tác giả về tối ưu hóa thiết kế tay máy song song. Các giải pháp tối ưu hóa thiết kế như giải thuật di truyền, thuật toán PSI, thuật toán kết hợp GA-PSI được áp dụng để tìm kiếm cấu hình thiết kế tối ưu tay máy song song theo một và đa tiêu chí. Các kết quả tối ưu được tìm kiếm, phân tích và đánh giá với cùng không gian tham số đầu vào cho tất cả các trường hợp tối ưu.
Chương 4 trình bày kết quả thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu. Ứng dụng giải pháp tối ưu hóa thiết kế ở chương 3 để xác định và xác lập cấu hình thực nghiệm về tối ưu hóa thiết kế và điều khiển cho tay máy song song.
Chương 5 trình bày các kết quả nghiên cứu về tối ưu hóa bộ điều khiển cho tay máy song song. Trên cơ sở cấu hình tối ưu hóa thiết kế ở chương 4, luận án đề xuất và mô phỏng trên máy tính các giải pháp tối ưu hóa bộ điều khiển dùng các thuật toán điều khiển kinh điển và hiện đại: PID, Fuzzy, Fuzzy-PID. Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng, so sánh, đánh giá kết quả và chất lượng các bộ điều khiển (PID, Fuzzy-PID) trên mô hình thực nghiệm tay máy song song.
Phần kết luận tổng hợp lại những kết quả của luận án, hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.
CÔNG TRÌNH CÔNG BÓ CỦA TÁC GIẢ
Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Ngọc Lâm
(2011), “Optimization of Parallel Manipulators Using Genetic Algorithms”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 5 về Cơ điện tử, VCM-2010, tr. 242-247.
Journal of Computer Science and Cybernetics, ISSN: 1813-9663, vol. 27, no.
1,pp. 93-106.
Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Ngọc Lâm
(2011), “Tối Ưu Hóa Thiết Kế Tay Máy Song Song Dùng Giải thuật di truyền Kết Hợp Tập Hợp Tối Ưu Pareto”, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá – VCCA-2011, tr. 207-214.
Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Ngọc Lâm
(2012), “Xác Định Tập Hợp Cấu Hình Suy Biến Tay Máy Song Song Dùng Lý Thuyết Vít”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về Cơ điện tử, VCM-2012, tr. 754-762.
Nguyễn Xuân Vinh, Nguyễn Minh Thạnh, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Ngọc Lâm
(2013), “Điều Khiển Tay Máy Song Song Dùng Lý Thuyết Mờ Kết Hợp Giải Thuật Di Truyền”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hoá – VCCA-2013, tr. 305-313.
Nguyễn Xuân Vinh, Lê Quốc Hà, Nguyễn Ngọc Lâm, Lê Hoài Quốc, Nguyễn Minh Thạnh (2014), “Experimental System for the Optimization of the Parallel Manipulator Control”, Hội nghị toàn quốc lần thứ 7 về Cơ điện tử, VCM-2014, tr. 280-287.
Journal of Computer Science and Cybernetics, ISSN: 1813-9663, vol. 31, no.
2,pp. 83-96.
Nguyen Xuan Vinh, Nguyen Ngoc Lam, Le Quoc Ha, Le Hoai Quoc, Nguyen Minh Thanh, (2015), “Optimal Design and Control of a Stewart-Gough Platform”, 7th IEEE International Conferences on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), Cambodia.
CÔNG TRÌNH THAM GIA CỦA TÁC GIẢ [CTĐT-1] Nguyen Minh Thanh, Victor Glazunov, Tran Cong Tuan, Nguyen Xuan Vinh (2010), “Multi-criteria optimization of the parallel mechanism with actuators located outside working space”, The 11th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, IEEE 2010, Singapore.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]A. Calin, T. Muntean (2003), “Determining the Workspace of a Hexapod Machine
Tool”, Proceedings of the International Conference on Manufacturing Systems, Iassy.
[2]A. Leva, C. Cox, A. Ruano (2002), “Hands-on PID autotuning: a guide to better
utilisation”, IFAC. Professional Brief.
[3]A. Merlet J.P. (2006), Parallel Robots, Kluwer Academic Publishers.
[4]A. Omran, G. El-Bayiumi, M. Bayoumi, and A. Kassem (2008), “Genetic
Algorithm Based Optimal Control for a 6-DOF Non Redundant Stewart Manipulator”, International Journal of Mecanical, Industrial and Aerospace Engineering.
[5]A. V. Korobeynikov, V. E. Turlapov (2005), “Modeling and Evaluating of the
Stewart-GoughPlatform”, International Conference Graphicon,
Novosibirsk Akademgorodok, Russia.
[6]A.F. Kraynev, V.A. Glazunov (1991), “Parallel Structure Mechanisms in Robotics”,
MERO ’91, Sympos. Nation. de Roboti Industr, Bucuresti, Romania, pp. 104-111.
[7]A.T. Yang (1974), “Calculus of Screws”, Basic Questions of Design Theory,
William R. Spillers, Elsevier, pp. 266-281.
[8]B. Dasgupta and T. S. Mruthyunjaya (1998), “A Newton- Euler formulation for the
inverse dynamics of the Stewart-Gough Platform manipulator”, Mech. Mach.Theory, vol. 33, no. 8, pp. 1135-1152.
[9]B. Ding (2014), “A Study of a Gough-Stewart Platformbased Manipulator for
Applications in Biomechanical Testing”, PhD thesis, The University of Adelaide, School of Mechanical Engineering.
[10]B. Ding, B. Cazzolato, R. Stanley, S. Grainger, J. Costi (2014), ‘Stiffness Analysis
and Control of a Stewart Platform-Based Manipulator With Decoupled Sensor-Actuator Locations for Ultrahigh Accuracy Positioning Under Large External Loads”, ASME Journal of Dynamics, Measurement and Control.
[11]B. Heimann, H. Abdelatif (2007), “Dynamics and Control of Robots with parallel
kinematical Structures”, ISMA 2007, HCMC.
[12]B. Heimann, M. Grotijahn and J. Kuhn (2004), “Friction and Rigid Body
Identification of Robots with Parallel Kinematic”; The 8th Intl Conference on Mechatronics Technology, Hanoi.
[13]C. Canudas de Wit, B. Siciliano, G. Bastin (1996), Theory of Robot Control,
Springer, London .
[14]C.C. Yu (1999), Autotuning of PID Controllers: Relay Feedback Approach,
Springer, London.
[15]C.H. An, C.G. Atkeson, J.M. Hollerbach (1988), Model-Based Control of a Robot
Manipulator, MIT Press, Cambridge.
[16]C.M. Gosselin, J. Angeles (1990), “Singularity Analysis of Closed Loop Kinemati c
Chains”, IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 6, no. 3, pp. 281¬290.
[17]Cong Bang Pham, Song Huat Yeo and Guilin Yang (2007), “Analytical Force –
closure workspace of Cable-driven planar Parallel Mechanisms”; ISMA 2007, HCMC.
[18] D. Angeli (1999), “Input-to-State stability of PD-controlled robotic systems”,
Automatica 35, pp. 1285-1290.
[19]D. Stewart (1966), “A Platform with Six Degres of Freedom”. In: Pr. Inst. Mech.
Eng. v.180, Pt.1, 15, pp. 371-386.
[20]D. Thayer, J. Vagners, A. von Flotow, C. Hardham, and K. Scribner (2002), “Six-
axis vibration isolation system using soft actuator and multiple sensors”, Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 39, no. 2, pp. 206-212.
[21]D. Zlatanov, R.G Fenton, B. Benhabib (1998), “Identification and Classification of
the Singular Configurations of Mechanisms”, Mechanism and Machine Theory, vol. 33, no. 6, pp. 743-760.
[22]D.C.H Yang, T.W Lee (1984), “Feasibility Study of a Platform Type of Robotic
Manipulators from a Kinematic Viewpoint”, Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 106, pp. 191-198.
[23]Dingyu Xue, YangQuan Chen, and P. Derek Atherton (2007), Linear Feedback
Control: Analysis And Design With Matlab, ISBN 978-0-898716-38-2.
[24]Dinh Cong Huan, Vuong Thi Dieu Huong, Vu Minh Hung, Do Thi Ngoc Oanh,
Nguyen Huy Thuy and Pham Anh Tuan (2004), “Development of a Control System for Hexapod”, The 8th Intl. Conference on Mechatronics Technology, Hanoi.
[25]E. Yesil, M. Guzelkaya, I. Eksin (2004), “Self tuning fuzzy PID type load and
frequency controller”, Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 3, pp. 377-390.
[26]E.F. Fitcher (1986), “A Stewart-Gough Platform-Based Manipulator: General
Theory and Practical Construction”. The International Journal of Robotic Research, vol. 5, no. 2, pp. 157-182.
[27]Ehrgott, Matthias, Gandibleux, Xavier (2002), “Multiple Criteria Optimization:
State of the Art Annotated Bibliographic Survey”, International Series in Operations Research & Management Science, vol. 52, pp. 376-388.
[28]F. Dimentberg (1965), The Screw Calculus and its Applications in Mechanics,
Clearinghouse for Federal Technical and Scientific Information, Virginia.
[29]F. Herrera, M. Lozano, J. L. Verdegay (1995), “Tuning Fuzzy logic controllers by
Genetic Algoritms”, International Journal of Approximate Reasoning 12, pp. 299 – 315.
[30]F. Pernodet, H. Lahmidi, P. Michel (2009), “Use of genetic algorithms for
multicriteria optimization of building refurbishment”, Eleventh International IBPSA Conference, Glasgow, Sclotland, July 27-30, 2009.
[31]G. Brandt, A. Zimolong ; L. Carrat, P. Merloz, H.-W. Staudte, S. Lavallee,
K. Radermacher and G. Rau (2002), “A compact robot for image guided orthopedic surgery”, IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 3, no. 4, pp. 252-60.
[32]G. Lebret, K. Liu, and F. L. Lewis (1993), “Dynamic analysis and control of a
Stewart-Gough Platform manipulator,” J. Robot. Syst, vol. 10, no. 5, pp. 629-655.
[33]Gong, Youhong (1992), “Design analysis of a Stewart platform for vehicle emulator
systems”, Mater thesis, Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering
[34]H. Abdellatif and B. Heimann (2006), “Dynamics and Control of Robots with
Parallel Kinematic Structures”, The 3rd Viet Nam Conference on Mechatronics, Ha Noi, 2006.
[35]H. Ishibuchi, K. Nozaki, N. Yamamoto and H. Tanaka (1995), ” Selecting Fuz zy If
– Then Rules for Classification Problems using Genetic Algorihtm”, IEEE Transaction on Fuzzy Systems, vol. 3, no. 3, August 1995.
[36]Huy Hoang Pham, I-Ming Chen (2007), “Stiffness Analysis of a 6-DOF Flexure
Parallel Mechanism”; ISMA 2007, HCMC.
[37]I. Bonev (2001), “Delta Parallel Robot – the Story of Success”,
http://www.parallemic.org.
[38]J. Plucker (1865), “On a New Geometry of Space”, Philosophical Transactions of
the Royal Society, vol. 155, pp. 725-791.
[39]J. Dr’eo, A. P’ Etrowski, P. Siarry, E. Taillard (2006), Metaheuristics for Hard
Optimization – Simulated Annealing, Tabu Search, Evolutionary and Genetic Algorithms, Ant Colonies,…, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, pp. 6¬9.
[40]J. G. Ziegler, N. B. Nichols (1942), “Optimum setting for Automatic Controllers”.
Trans. ASME 64, pp. 759-768.
[41]J. P. Merlet (1988), Parallel Manipulators, Rapport de Recherche Inria N0 791,
Fevrier.
[42]J. Park, W.K. Chung (2000), “Design of a robust HOT PID control for industrial
manipulators”, ASME J. Dyn. Syst. Meas. Contr, vol. 122, no. 4, pp. 803¬812.
[43]J. Wittenburg (2008), “Dynamics of Multibody Systems” (Second Edition), ISBN
978-3-540-73913-5, Springer Berlin Heidelberg New York, pp. 9-23.
[44]J. Yen, R. Langari (1999), Fuzzy Logic _ Intelligence, Control, and Information.
Center of Fuzzy Logic, Robotics, and Intelligent Systems Texas A&M University. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey 07458.
[45]J.A. Ramirez, I. Cervantes, R. Kelly (2000), “PID regulation of robot manipulators:
stability and performance”, Sys. Contr. Lett. 41, pp. 73-83.
[46]J.Wang and C. M. Gosselin (1998), “A new approach for the dynamic analysis of
parallel manipulators”, Multibody Syst. Dyn, vol. 2, pp. 317-334.
[47]Jong-Gug Bae, Ho-Seok Shim and Jeh Won Lee (2004), “Active Control of a Ship
Cabin Motion Using 3-DOF Parallel Mechanisms”, The 8th Intl. Conference on Mechatronics Technology, Hanoi, 2004.
[48]K. Astrom, T. Hagglund (1995), PID Controllers: Theory, Design, and Tuning,
Instrument Society of America, Research Triangle Park.
[49]K. Hunt (1983), “Structural Kinematics of In-Parallel-Actuated Robot Arms”,
ASME Journal of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design, vol. 105, no. 4, pp. 705-712.
[50]K. K. Ahn and B. K. Nguyen (2006), “Position Control of Shape Memory Alloy
Actuators Using Self Tuning Fuzzy PID Controller”, International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 4, no. 6, pp. 756-762.
[51]K. K. Passino and S. Yurkovich (1998), Fuzzy Control, Department of Electrical
Engineering, The Ohio State University. Copyrigh 1998 Addision – Wesley Longman, Inc.
[52]Klimchik, Pashkevich, Caro; Chablat (2011), “Stiffness Matrix of Manipulators
With Passive Joints: Computational Aspects”, IEEE Transactions on Robotics, vol. 28, no. 4.
[53]L. Kuhn (2002), Ant Colony Optimization for Continuous Spaces, A thesis
submitted to The Department of Information Technology and Electrical Engineering, The University of Queensland, pp. 9-15.
[54]L. Sciavicco, B. Siciliano (1996), Modeling and Control of Robot Manipulator
McGraw-Hill, New York.
[55]L. W. Tsai (1998), ‘‘The Jacobian Analysis of A Parallel Manipulator Using
Reciprocal Screws’’, Proceedings of the 6th International Symposium on
Recent Advances in Robot Kinematics, Salzburg, Austria, edited by J. Lenarcic and M. Husty, Kluwer Academic Dordrecht, pp. 327-336.
[56]L. W. Tsai (2000), “Solving the inverse dynamics of a Stewart-Gough manipulator
by the principle of virtual work”, ASME Journal of Mechanical Design 122, no. 1, pp. 3-9.
[57]Le Xuan Huy, Hoang Nga, Do Tran Thang and Pham Minh Tuan (2004),
“Determination of Control Data based on Dynamic Simulation for Hexapod”, The 8th Intl. Conference on Mechatronics Technology, Hanoi, 2004.
[58]M. Dorigo and T. Stutzle (2004), Ant Colony Optimization, ISBN 0-262-04219-3,
A Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, London, England, pp. 65-78.
[59]M. Takegaki, S. Arimoto (1981), “A new feedback method for dynamic control of
manipulators”, Trans. ASME J. Dyn. Syst. Meas. Contr, vol. 102, pp. 119¬125.
[60] M.W. Spong, M. Vidyasagar (1989), Robot Dynamics and Control, Wiley, New
York.
[61]Matlab, Modeling the Stewart-Gough Platform, http://www.mathworks.com.
[62]Nguyen Minh Thanh, Le Hoai Quoc, Victor Glazunov (2009), “Constraints
analysis, determination twists inside singularity and parametrical optimization of the parallel mechanisms by means the theory of screws”, Proceedings of the (CEE 2009) 6th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control, IEEE, Toluca, Mexico, 2009, pp. 89-95.
[63]Nguyen Minh Thanh, Le Hoai Quoc, Victor Glazunov (2012), “Singularity
Analysis, Constraint Wrenches and Optimal Design of Parallel Manipulators”, Book chapter of Serial and Parallel Robot Manipulators – Kinematics, Dynamics, Control and Optimization, ISBN: 978-953-51-0437¬7, pp. 359-372.
[64]Nguyen Minh Thanh, V.A Glazunov, Lu Nhat Vinh, Nguyen Cong Mau (2008),
“Parametrical optimization of parallel mechanisms while taking into account singularities”. International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV) Proceedings, Hanoi, Vietnam, IEEE 2008, pp. 1872¬1877.
[65]Nguyen Minh Thanh, V.A Glazunov, Tran Cong Tuan, Nguyen Xuan Vinh, “Multi¬
criteria optimization of the parallel mechanism with actuators located outside working space”, The 11th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, IEEE 2010, December 7-10, 2010, Singapore.
[66]Nguyen Minh Thanh, Victor Glazunov, Lu Nhat Vinh (2010), “Determination of
Constraint Wrenches and Design of Parallel Mechanisms”. International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control, IEEE 2010, Mexico, pp. 46-53.
[67]O. Ulucay (2006), Design and Control of Stewart-Gough Platform, Master Thesis,
Sabaci University.
[68]P. Nanua, Kenneth J. Waldron, and V. Murthy (1990), “Direct Kinematic Solution
of a Stewart-Gough Platform”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 6. no. 4.
[69]P. Tomei (1991), “Adaptive PD controller for robot manipulators”, IEEE Trans.
Robot. Autom, vol. 7, no. 4, pp. 565-570.
[70]P.R. McAcree, R.W. Daniel (1996), “A Fast, Robust Solution to the Stewart-Gough
Platform Forward Kinematics”, Journal of Robotic Systems, vol. 13, no. 7, pp. 407-427.
[71]R. Ball, (1900), A Treatise on the Theory of Screws, Cambridge at the University
Press.
[72]R. Featherstone (1987), Robot Dynamics Algorithms. Springer. ISBN 0898382300.
[73]R. Kelly (1997), “PD control with desired gravity compensation of robot
manipulators: A review”, Int. J. Robot. Res, vol. 16, no. 5, pp. 660-672.
[74]R. Kelly (1998), “Global positioning of robot manipulators via PD control plus a
class of nonlinear integral actions”, IEEE Trans. Autom. Contr, vol. 43, no. 7, pp. 934-937.
[75]R. Ulla Baig, S. Pugazhenthi (2011), “Design optimization of an active vibration
isolation system”, International Journal of the Physical Sciences, vol. 6, no. 30, pp. 6882 – 6890, 23 November, 2011.
[76]R. Ulla Baig, S. Pugazhenthi (2014), “Neural Network Optimization of Design
Parameters of Stewart Platform for Effective Active Vibration Isolation”, Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 9, no. 4, pp. 78-84.
[77]R.B Statnikov (1999), Multicriteria Design. Optimization and Identification,
Dordrecht/ Boston / London: Kluwer Academic Publishers, 1999.
[78]R.F. Boian, M. Bouzit, G.C. Burdea, J.E. Deutsch (2004), “Dual Stewart-Gough
Platform Mobility Simulator”, Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Fran cisco, CA, USA.
[79]R.T. Marler and J.S. Arora (2004), “Survey of multi-objective optimization methods
for engineering”, Struct Multidisc Optim 26, pp. 369-395, DOI 10.1007/s00158-003-0368-6, Springer-Verlag 2004.
[80]S. Arimoto, F. Miyazaki (1984), “Stability and robustness of PID feedback control
for robot manipulators of sensory capability”. Robotics Research, ed. by M. Brady, R. Paul (MIT Press, Cambridge 1984) pp. 783-799
[81]S. D. Stan, M. Manic, R. Balan, V. Maties (2009), “Genetic algorithms for
workspace optimization of planar medical parallel robot”, IEEE International Conference on Emerging Trends in Computing, ICETIC 2009, Virudhanagara, Tamil Nadu, India.
[82]S. D. Stan, V. Matie§, R. Balan (2008), “Kinematics Analysis, Design And
Optimization Of A Six Degrees-Of-Freedom Parallel Robot”, ENOC 2008, Saint Petersburg, Russia.
[83]S. D. Stan, V. Maties, R. Balan, C. Lapusan (2008), “Optimization of a Hexapod
Micro Parallel Robot Using Genetic Algorithms”, Innovations and Advanced Techniques in Systems, Computing Sciences and Software Engineering, Springer-Verlag, 2008.
[84]Symetrie (2015), “Hexapod Technology”, http://www.symetrie.fr/.
[85]T. R. Kane and D. A. Levinson (1985), Dynamics: Theory and Application,
McGraw-Hill, New York, N.Y.
[86]T. W. Fong (1990), Design and Testing of a Stewart-Gough Platform Augmented
Manipulator for Space Applications, Master Thesis of Science in Aeronautics and Astronautics, Massachusetts Institute of Technology Aine.
[87]T. Weise (2008), Global Optimization Algorithms – Theory and Application, pp.
250-274.
[88]V. Saxena, Dongming Liu, C. M. Daniel, J. W. Sutherland (1997), “A Simulation
Study of the Workspace and Dexterity of A Stewart-Gough Platform based machine Tool”, Proceedings of the ASME Dynamic System and Control Divison, Dallas, TX, USA.
[89]V.A Glazunov, A.F. Kraynev, G.V. Rashoyan, A.N. Trifonova (1999), “Singular
Zones of the parallel Structure Mechanisms”, Proceeding of the 10th World Congress on TMM, Oulu, Finland, pp. 2710-2715.
[90]V.A Glazunov, R. Gruntovich, A. Lastochkin, Nguyen Minh Thanh (2007),
“Representations of constraints imposed by kinematic chains of parallel mechanisms”, Proceedings of the 12th IFToMM World Congress in Mechanism and Machine Science, France, June 17-21, vol. 1, pp. 380-385.
[91]V.A. Glazunov, Nguyen Minh Thanh (2008), “Determination of the parameters and
the Twists Inside Singularity of the parallel Manipulators with Actuators Situated on the Base”, In Proceedings of the Seventeenth CISM-IFToMM Symposium, Tokyo, Japan, pp. 467-474.
[92]V.A. Glazunov, Nguyen Ngoc Hue, Nguyen Minh Thanh (2009), “Singular
configuration analysis of the parallel mechanisms”, Journal of Machinery and Engineering Education, ISSN 1815-1051, no. 4, 2009, pp. 11-16.
[93]V.A. Glazunov (2006), “Twists of Movements of the parallel Mechanisms Inside
Their Singularities”, Mechanism and Machine Theory, pp. 1185-1195.
[94]V.A. Glazunov, A.F. Krainev, G.V. Rashoyan, A.N. Trifonova, and M.G. Esina
(2000), “Modeling the zones of singular positions of the parallel-structure manipulators”, Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Allerton Press Inc, no. 2, pp. 85-91.
[95]V.A. Glazunov, A.S. Koliskor, A.F. Kraynev (1991), Spatial Parallel Structure
Mechanisms, Moscow, Nauka.
[96]W. K. Clifford (1873), “Preliminary Sketch of Biquaternions”, Paper XX,
Mathematical Papers, pp. 381.
[97]W. Q. D. Do and D. C. H. Yang (1998), “Inverse dynamic analysis and simulation
of a platform type of robot,” J. Robot. Syst, vol. 5, no. 3, pp 209-227.
[98]Y. Choi, W.K. Chung (2004), “PID Trajectory Tracking Control for Mechanical
Systems”, Lecture Notes in Control and Information Sciences, vol. 289, Springer, New York 2004.
[99]Y. Choi, W.K. Chung, I.H. Suh (2001), “Performance and HOT optimality of PID
trajectory tracking controller for Lagrangian systems”, IEEE Trans. Robot. Autom, vol. 17, no. 6, pp. 857-869.
[100]Y.N. Sarkissyan, T.F. Parikyan (1990), “Analysis of Special Configurations of the
parallel Topology Manipulators”, Eight CISM-IFMoMM Symp. of Robots and Manipulators, Krakow, Poland, pp. 156-163.
[101]Z. Geng, L. S. Haynes, J. D. Lee, and R. L. Carroll (1992), “On the dynamics model
and kinematics analysis of a class of Stewart-Gough Platform” Robot.Autonomous Syst, vol. 9, pp. 237-254.
[102]Zhen-Yu Zhao, M. Tomizuka, and S. Isaka (1993), “Fuzzy Gain Scheduling of PID
Controllers”, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 23, no. 5, September/October 1993.
[103]Zude Zhou, Wei Meng, Qingsong Ai, Quan Liu, Xiang Wu (2013), “Practical
Velocity Tracking Control of a Parallel Robot Based on Fuzzy Adaptive Algorithm”, Advances in Mechanical Engineering, vol. 2013, Article ID 574896.
[104]Bùi Quang Được, Đặng Văn Nghìn (2002), “Thiết kế và chế tạo Robot Crane”, Hội
nghị toàn quốc lần I về Cơ điện tử, Hà Nội.
[105]Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải, Phan Văn Đồng (2005), “Thuật toán tìm miền làm
việc của họ tay máy song song phẳng 3 bậc tự do”, Hội nghị toàn quốc lần 6 về Tự động hóa, Hà Nội.
[106]Đinh Công Huấn, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy,
Phạm Anh Tuấn, Hồ Đắc Hiền (2004), “Thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapodbằngmôphỏng”, Hộinghịtoànquốclần II vềCơ điệntử,
TP.HCM.
[107] Hồ Đắc Hiền (2002), “Giải bài toán động học ngược cơ cấu Hexapod 6 CTC”, Hội
nghị toàn quốc lần I về Cơ điện tử, Hà Nội.
[108]Hoàng Kiếm, Lê Hoàng Thái (2000), Giải thuật di truyền cách giải tự nhiên các bài
toán trên máy tính, Nhà xuất bản giáo dục.
[109] Lê Hoài Quốc (2005), Kỹ thuật người máy, Tập I – Robot công nghiệp, NXB Đại
Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh, tái bản lần thứ nhất..
[110]Lê Hoài Quốc, Nguyễn Minh Thạnh (2011), “Mô hình hoá cơ hệ tay máy song song
và xây dựng trung tâm gia công trên máy phay CNC 5 trục ảo”, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá, VCCA-2011, 25-26/2011, Hà Nội, Việt Nam.
[111]Lê Quốc Hà (2012), “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tay máy song song với chân dẫn
động phụ phục vụ ứng dụng công nghiệp”, Báo cáo đề tài KHCN&PTCNBộ Công Thương, 2012.
[112] Lê Thanh Thủy, Phạm Anh Tuấn, Phạm Văn Bích Ngọc, Đỗ Trần Thắng (2002),
“Mô phỏng động lực học robot cơ cấu song song”, Hội nghị toàn quốc lần I về Cơ điện tử, Hà Nội.
[113]Nguyễn Hồng Thái (2006), “ Chế tạo thử nghiệm Robot Hexaglide”, Hội nghị toàn
quốc lần 3 về Cơ điện tử, Hà Nội.
[114] Nguyễn Hồng Thái (2006), “Một kỉểu máy khoan cao tốc 2 bậc tự do có cấu trúc
động học song song”, Hội nghị toàn quốc lần 3 về Cơ điện tử, Hà Nội.
[115]Nguyễn Minh Thạnh, Trần Công Tuấn, Nguyễn Ngọc Lâm, Nguyễn Minh Thi, Phan
Văn Đức (2011), “Ứng dụng tọa độ Plücker xem xét cấu hình suy biến của cơ cấu song song”, Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá – VCCA-2011, Việt Nam.
[116]Nguyễn Minh Tuấn, Đặng Văn Nghìn (2004), “Những kết quả nghiên cứu ban đầu
về Hexapod”, Hội nghị toàn quốc lần II về Cơ điện tử, TP.HCM.
[117] Nguyễn Minh Tuấn, Đặng Văn Nghìn (2004), “Phân tích lực và biến dạng trong hệ
chân Hexapod bằng phần mềm MATLAB”, Hội nghị toàn quốc lần II về Cơ điện tử, TP.HCM.
[118]Nguyễn Ngọc Tú, Trần Văn Lăng (2007), “Giải thuật lai cho bài toán sắp hàng đa
trình tự sinh học”, Tạp chí phát triển KH&CN, tập 10, số 04 – 2007.
[119]Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Nguyễn Đình Nin (2005), “Nghiên cứu tạo
dựng tay máy song song dạng Hexa”, Hội nghị toàn quốc lần 6 về Tự động hóa, Hà Nội.
[120]Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Quang Thắng, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn (2004),
“Thiết kế robot cơ cấu song song (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí chính xác”, Hội nghị Cơ học toàn quốc nhân dịp 25 năm thành lập Viện Cơ học.
[121]Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn (2004),
“Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác”, Hội nghị toàn quốc lần II về Cơ điện tử, TP.HCM.
[122] Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm (2005), “Ứng dụng tay máy song song trong máy
đo tọa độ CMM”, Hội nghị toàn quốc lần 6 về Tự động hóa, Hà Nội.
[123]Từ Diệp Công Thành, Đặng Văn Nghìn (2002), “Bộ điều khiển Parallel Robot”, Hội
nghị toàn quốc lần I về Cơ điện tử, Hà Nội.
[124] Vũ Minh Hùng, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn (2005),
“Điều khiển phối hợp vị trí nhiều trục cho robot cơ cấu song song 6 bậc tự do – Hexapod PR6-01”, Hội nghị toàn quốc lần 6 về Tự động hóa, Hà Nội.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU1
CHƯƠNG 1: TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM VÀ CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC5
1.1 Tổng quan về tối ưu hóa thiết kế và điều khlển tay máy song song klểu Stewart- Gough Platform5
1.1.1Glớl thlệu về tay máy song song5
1.1.2Tình hình nghlên cứu về tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform . 6
1.2 Các cơ sở toán học về tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform13
1.2.1 Phân tích hình học tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform14
1.2.2 Mô hình toán của tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform15
1.3Kết luận chương 122
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÔNG CỤ MÔ HÌNH HÓA, KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM 23
2.1Xây dựng công cụ mô hình hóa tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform 23
2.2Mô hình hóa tay máy song song klểu Stewart-Gough Platform sử dụng bộ công
cụ đã thlết kế27
2.2.1Điểm làm vlệc của tay máy với góc hướng tâm khâu là hằng số27
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vùng làm vlệc29
2.2.3 Cấu hình làm vlệc của tay máy song song với góc hướng tâm khâu thay đổl 32
2.2.4 Áp dụng lý thuyết Vít xác định cấu hình suy blến, điểm kỳ dị và vùng lân cận của tay máy song song34
2.2.5Độ cứng vững của tay máy39
2.3Kết luận chương 239
CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM41
3.1Các thuật toán tối ưu và phương pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song…. 41
3.1.1Các thuật toán tối ưu41
3.1.2Phương pháp tối ưu hóa thiết kế tay máy song song46
3.2Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo một tiêu chí51
3.3Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo hai tiêu chí56
3.3.1Tối ưu hóa thiết kế theo hai tiêu chí dùng giải thuật di truyền và thuật toán PSI 57
3.3.2Tối ưu hóa thiết kế theo hai tiêu chí dùng thuật toán GA-PSI61
3.3.3Tối ưu hóa thiết kế tay máy song song theo ba tiêu chí66
3.4 Nhận xét và kết luận chương 371
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VỚI ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ73
4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm73
4.1.1Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí74
4.1.2Thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển76
4.2Xác định thiết kế tối ưu cho mô hình thực nghiệm81
4.3Kết luận chương 487
CHƯƠNG 5. ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SONG SONG KIỂU STEWART-GOUGH PLATFORM TRÊN CƠ SỞ TỐI ƯU HÓA THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN89
5.1Khảosátbằngmôphỏngcác thuật toán điềukhiểntay máy song songkiểu
Stewart-Gough Platform89
5.1.1Bộ điều khiển PID91
5.1.2Bộ điều khiển mờ trực tiếp (Direct Fuzzy-PD)95
5.1.3Bộ điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID101
5.1.4Nhận xét về các bộ điều khiển108
5.2Điều khiển tay máy song song trên cơ sở tối ưu hóa thiết kế tay máy song song
kiểu Stewart-Gough Platform109
5.2.1 Bộ điều khiển PID110
5.2.2 Bộ điều khiển tự chỉnh định Fuzzy-PID114
5.3 Quy trình ứng dụng kết quả luận án cho hệ thống thực tế119
5.4Kết luận chương 5120
KẾT LUẬN122
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO123
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ124
CÔNG TRÌNH THAM GIA CỦA TÁC GIẢ125
TÀI LIỆU THAM KHẢO125
PHỤ LỤC137
Hy vọng sẽ giúp ích cho các bạn, cũng như mở ra con đường nghiên cứu, tiếp cận được luồng thông tin hữu ích và chính xác nhất