VAI TRÒ CỦA ĐIỀU KHIỂN TRONG KỸ THUẬT ROBOT
Nguyễn Hoàng Hải, Hoàng Mạnh Cường
Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ khí
1. Giới thiệu
Từ những năm 60 của thế kỷ trước, kể từ khi thuật ngữ kỹ thuật robot ra đời, lý thuyết điều khiển tự động đã đóng vai trò hết sức quan trọng đối với lĩnh vực này. Bài báo này, được lược dịch từ tài liệu [1], sẽ cung cấp cho độc giả một cái nhìn xuyên suốt về sự phát triển của hai lĩnh vực kỹ thuâtk robot và điều khiển tự động. Bài viết đã tập trung vào những điểm cốt yếu để hiểu được làm thế nào lý thuyết điều khiển tự động đã giúp tìm ra lời giải cho các vấn đề cốt lõi của kỹ thuật robot và ngược lại, những vấn đề của lĩnh vực robot đã thúc đẩy sự phát triển của ngành lý thuyết điều khiển như thế nào.
2. Lịch sử phát triển
Robot đã sớm chiếm lĩnh ngành công nghiệp chế tạo. Triết lý sơ khai của thiết kế điều khiển robot là thiết kế các cơ cấu cứng với các khớp nối được điều khiển độc lập với nhau như một hệ một vào một ra (SISO) tuyến tính. Việc điều khiển point-to-point cho phép robot thực hiện các nhiệm vụ đơn giản như di chuyển vật liệu hay hàn tại một điểm. Khả năng bám theo các quỹ đạo liên tục cho phép thực hiện các thao tác phức tạp hơn ví dụ như hàn theo một cung hay sơn phun. Tín hiệu phản hồi từ tác nhận bên ngoài khá rất hạn chế hoăc không tồn tại.
Những thao tác khó hơn như là lắp ráp, yêu cầu việc điều khiển lực và mô-men. Thêm vào đó, yêu cầu làm việc ở tốc độ cao hơn cũng như tỷ lệ tải trọng lớn yêu cầu phải hiểu sâu sắc hơn về các tính chất động lực học phi tuyến của robot, dẫn đến sự ra đời của nhiều lý thuyết điều khiển mới như là điều khiển phi tuyến, điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi. Ngược lại, các phương pháp điều khiển này lại được tiếp tục áp dụng vào các ứng dụng phức tạp hơn nữa.
Hình 1: Unimate, robot công nghiệp đầu tiên
Những năm đầu phát triển
Robot công nghiệp đầu tiên ở Mỹ là Unimate, được lắp đặt tại nhà máy của General Motors vào năm 1961 (hình 1), và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất vào năm 1966. Trước thập niêm 80, lĩnh vực robot chủ yếu tập trung vào các tay máy thực hiện các thao tác đơn giản như di chuyển vật liệu. hàn, sơn. Nhìn dưới con mắt điều khiển học, những rào cản chính khiển cho kỹ thuật robot chưa phát triển trong thời kỳ này là thiếu các công cụ tính toán mạnh, thiếu các cảm biến tốt, và thiếu sự hiểu biết sâu sắc về động lực học robot. Các mô hình nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển lúc này cũng chủ yếu là các mô hình tuyến tính xấp xỉ xung quanh điểm làm việc và không hề khai thác các mô hình động lực học của robot. Bên cạnh đó, quá trình thiết kế hệ thống điều khiển cũng bị tách rời khỏi quá trình thiết kế cơ khí. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý ở thời kỳ này là điều khiển động học ngược.
Điều khiển tay máy
Kể từ giữa thập niêm 80, điều khiển tay máy robot là một bài toán “chuẩn mực” trong lĩnh vực điều khiển, và sự hợp tác giữa hai lĩnh vực kỹ thuật robot và điều khiển ngày càng rõ nét. Nghiên cứu điều khiển động học ngược đã thúc đẩy việc áp dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác dựa trên nền tảng hình học vi phân vào diều khiển robot. Đây là một trong những ứng dụng đáng chú ý đầu tiên của phương pháp tuyến tính hóa chính xác với lĩnh vực robot, trong đó yêu cầu một phép đổi trục phi tuyến của hệ phương trình đạo hàm riêng, là bài toán khớp linh hoạt. Trước đây, bài toán điều khiển khớp linh hoạt được xem là cản trở với việc tăng chất lượng điều khiển tay máy và hiện tại vẫn là một bài toán quan trọng của động lực học robot và điều khiển.
Một nhánh nghiên cứu khác là phương pháp điều khiển bền vững. Vì phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác phụ thuộc vào việc triệt tiêu chính xác tất cả các thành phần phi tuyến trong hệ, câu hỏi được nêu ra ngay lập tức là tính bền vững của hệ với các sai lệch trong tham số của hệ thống. Phương pháp điều khiển 
không giải quyết bài toán này một cách triệt để. Lời giải cho một trường hợp đặc biệt là hệ bậc hai, sử dụng định lý hệ số khuếch đại nhỏ được thực hiện trong [2], và trường hợp tổng quát được trình bày trong [3] đã đưa đến một hướng mới trong lý thuyết điều khiển: điều khiển tối ưu 
. Đây là một ví dụ điển hình cho thấy lĩnh vực kỹ thuật robot đã thúc đẩy ngành lý thuyết điều khiển như thế nào. Một vài phương pháp điều khiển bền vững khác cũng được áp dụng cho bài toán tay máy robot, ví dụ như là điều khiển trượt, điều khiển Lyapunov…
Giữa những năm 80 cũng đánh dấu sự phát triển của lĩnh vực điều khiển thích nghi, và một lần nữa, điều khiển thích nghi cũng liên hệ mật thiết với lĩnh vực robot. Bước đột phá trong việc áp dụng điều khiển thích nghi với tay máy cứng được thực hiện bởi [4], trong đó chỉ ra được hai tính chất quan trọng của của hệ động lực học Lagrang: đó là tính tuyến tính của tham số quán tính và ma trận quán tính là ma trận xiên-phản đối xứng.
Tiếp bước, tính chất xiên- phản đối xứng của ma trận quán tính được chỉ ta như một tính chất quan trọng của hệ thụ động. Thuật ngữ điều khiển tựa thụ động được đưa ra trên nền bài toán điều khiển thích nghi cho tay máy [5]. Hiện tại, phương pháp điều khiển tựa thụ động đã trở thành một phương pháp điều khiển được áp dụng rộng rãi ở nhiều bài toán điều khiển trong kỹ thuật.
Một bài toán điều khiển đáng chú ý trong giai đoạn này là bài toán điều khiển robot từ xa. Một trong những vấn đề khó trong bài toàn này đó là sự xuất hiện của trễ trong hệ thống: trễ khi truyền tín hiệu phản hồi từ cảm biến và trễ khi truyền tín hiệu điều khiển, những hiện tượng trễ này có thể gây ra hiện tượng mất ổn định trong hệ. Phương pháp điều khiển tựa thụ động đã mở ra một bước ngoặt trong việc giải bài toán này, cho phép ổn định hệ thống mà không phụ thuộc vào thời gian trễ của hệ.
Robot di động
Một vấn đề của điều khiển động học robot thu hút nhiều sự chú ý bắt đầu từ những năm 80. Độ khó của bài toán này được chỉ ra bởi định lý Brockett [6], trong đó chỉ ra rằng luật điều khiển ổn định không thể có là hàm trơn và dừng. Đinh lý này đã dẫn đến sự phát triển của các phương pháp điều khiển mới, bao gồm: điều khiển lai, điều khiển hệ không dừng cho hệ không hôlônôm. Robot di động hiện nay được sử dụng phổ biến, ví dụ trong việc cứu trợ thảm họa thiên nhiên, khai thác mỏ, quân sự và trong các gia đình như robot quet nhà Roomba. Ngoài ra, robot di động với bánh xe cũng được sử dụng để thám hiểm Hỏa tinh và mặt trăng.
3. Các vấn đề đang nghiên cứu
Hệ hụt dẫn động
Robot hụt dẫn động là các robot có số lượng tín hiệu vào ít hơn số bậc tự do của hệ. Các phương pháp tuyến tính hóa chính xác một phần, phương pháp tựa thụ động được nghiên cứu áp dụng cho các hệ này.
Điều khiển lực và điều khiển servo hình ảnh
Ý tưởng sử dụng hình ảnh hoặc video để điều khiển robot đã xuất hiện từ lâu nhờ vào sự xuất hiện của các camera số chất lượng tốt giá phải chăng và sự phát triển của các công cụ xử lý tính toán mạnh cho phép xử lý hình ảnh theo thời gian thực. Việc điều khiển servo hình ảnh dựa vào hai phương pháp chính, đó là điều khiển dựa vào vị trí và điều khiển dựa vào hình ảnh. Hai phương pháp này gần đây được kết hợp trong một thuật toán điều khiển lai để sử dụng được ưu điểm của cả hai phương pháp và hạn chế nhược điểm.
Robot vận động
Robot có chân được phát triển do robot bánh xe không hữu dụng khi phải di chuyển trên các địa bàn không bằng phẳng hoặc các kiến trúc xây dựng. Số chân của robot chính là một tham số tự do khi thiết kế, robot có thể có một chân cho đến 8 chân và nhiều hơn nữa, trong số đó robot hai chân thu hút được nhiều sự chú ý. Điều khiển robot hai chân có nhiều vấn đề khó: ví dụ tính động học phi tuyến lai, tính hụt dẫn động của hệ.
Hình 2: Asimo, robot hai chân nổi tiếng của Honda
Hệ đa thành phần và điều khiển mạng lưới
Điều khiển mạng lưới và điều khiển hệ đa thành phần là một trong những ứng dụng quan trọng trong ngành robot và thu hút rất nhiều nghiên cứu gần đây. Đây được coi là “hot topic” trong thời điểm hiện tại.
Tài liệu tham khảo
[1] T. Samad and A. M. Annaswamy (eds.), The Impact of Control Technology, available at www.ieeecss.org, IEEE Control Systems Society, 2011.
[2] M.W. Spong and M. Vidyasagar. “Robust linear compensator design for nonlinear robotic Control,” IEEE Journal of Robotics and Automation, vol. RA 3, no. 4, pp. 345-350, Aug. 1987.
[3] M. Vidyasagar. “Optimal rejection of persistent bounded disturbances,” IEEE Trans. Auto. Control, vol. AC-31, no. 6, pp. 527-534, June 1986.
[4] J.-J.E. Slotine and W. Li. “On the adaptive control of robot manipulators,” Int. J. Robotics Res., vol. 6, no. 3, pp. 147-157, Fall 1987.
[5] R. Ortega and M.W. Spong. “Adaptive control of robot manipulators: A tutorial,” Automatica, vol. 25, no. 6, pp. 877-888, 1989.
[6] R. W. Brockett. “Asymptotic stability and feedback stabilization,” in Differential Geometric Control Theory, R.W. Brockett, R.S. Millman, and H. J. Sussmann, eds. Boston-Basel-Stuttgart: Birkhauser, 1983, pp. 181-191.
