Phát triển bộ điều khiển chính xác cho robot 3 bậc tự do sử dụng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO
ROBOT 3 BẬC TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN
PHI TUYẾN THÔNG MINH
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV2021 - 38
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐINH PHƯỚC NHIÊN

S KC 0 0 7 6 9 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO
SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN PHI TUYẾN THƠNG MINH
SV2021-38
Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện – Điện tử

SV thực hiện: Đinh Phước Nhiên

Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 171512A

Năm thứ: 4

Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba

TP Hồ Chí Minh, 10/2021

Mục lục
Chương 1: Tổng Quan ..................................................................................................1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
1.2 Mục tiêu đề tài .....................................................................................................3
1.3 Nội dung nghiên cứu............................................................................................3
1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài ........................4
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................4
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................4
1.4.3 Giới hạn đề tài ...............................................................................................4
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết ........................................................................................5
2.1 Nguyên lý hoạt động của robot...........................................................................5
2.2 Thuật toán điều khiển .........................................................................................5
2.2.1 Lý thuyết điều khiển tự động ......................................................................6
2.2.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống điều khiển tự động ......................................7
2.2.3 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động ................................................8
2.2.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản ............................................................11
2.2.5 Lý thuyết robot ...........................................................................................14
2.2.6 Lý thuyết điều khiển thông minh ..............................................................25
Chương 3: Xây dựng mô hình tốn học và bộ điều khiển của robot ......................30
3.1 Động học thuận ..................................................................................................30
3.2 Tính tốn động học nghịch thơng minh...........................................................30
3.2.1 Phương pháp tính tốn động học ngược cơ bản ......................................30
3.2.2 Giới hạn sự di chuyển của các khớp .........................................................31
Chương 4: Mô phỏng và Kiểm chứng .......................................................................34
4.1 Mô phỏng ............................................................................................................34
4.2 Mơ hình thực tế ..................................................................................................41
Chương 5: Kết luận và Kiến nghị ..............................................................................48
5.1 Kết luận ..............................................................................................................48
5.2 Kiến nghị ............................................................................................................48

Tài liệu tham khảo .........................................................................................................49
Phụ lục ...........................................................................................................................50


Danh Mục Bảng Biểu
Bảng 1. Bảng phân công công việc
Bảng 2. Các thơng số kỹ thuật của robot
Hình 2.1. Ngun lý hoạt động robot
Hình 2.2. Cấu tạo cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động
Hình 2.3. Nguyên tắc tự chỉnh định
Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu
Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch
Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp
Hình 2.7. Các bộ phận cấu thành robot cơng nghiệp
Hình 2.8. Một số quỹ đạo di chuyển của 1 khớp
Hình 2.9. Vị trí, vận tốc và gia tốc thay đổi từ trạng thái bắt đầu đến trạng thái nghỉ
Hình 2.10 Quỹ đạo đi qua các vị trí trung gian với vận tốc mong muốn tại các điểm đó
Hình 2.11 Cấu trúc chức năng bộ điều khiển tự động thơng minh
Hình 3.1. Hệ trục robot
Hình 3.2. Sơ đồ khối điều khiển vận tốc robot
Hình 4.1. So sánh tín hiệu ngõ ra khớp 1
Hình 4.2. So sánh tín hiệu ngõ ra khớp 2
Hình 4.3. So sánh tín hiệu ngõ ra khớp 3
Hình 4.4. Sai số điểm đầu cuối với k là hằng số
Hình 4.5. Sai số điểm đầu cuối với k là biến số
Hình 4.6. Tín hiệu phản hồi về từ khớp 1
Hình 4.7. Sai số ở vị trị điểm đầu cuối với tác dụng của tín hiệu nhiễm


Danh Mục Những Từ Viết Tắt

1. b2, b3 chính là thông số điều chỉnh độ rộng của hàm gauss.
2. Diag: hàm lấy ra ma trận đường chéo.
3. E: sai số hệ thống.
4. J: jacobian ở đây đóng vai trị là độ dốc của gradient descent khi đạo hàm sai số
theo theta.
5. k2,k3:thông số điều chỉnh biên độ của hàm ràng buộc.
6. Li: độ dài các khớp nối.
7. sin(23 )  sin( 2  3 ).
8. sin(123 )  sin(1   2  3 ).
9. (•) là viết tắt cho những thứ được viết bên trong ngoặc.
Ví dụ: (2x+3y+5z) viết thành (•).
10.  : theta max.
11.  : theta min.
12.  ee : vị trí toạ độ điểm đầu cuối.


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC CHO ROBOT 3 BẬC
TỰ DO SỬ DỤNG HƯỚNG TIẾP CẬN PHI TUYẾN THÔNG MINH
- Chủ nhiệm đề tài: Đinh Phước Nhiên
- Lớp: 171512A

Mã số SV: 17151238

Khoa: Điện – Điện tử

- Thành viên đề tài:

Stt

Họ và tên

MSSV

Lớp

Khoa

1

Huỳnh Vĩnh Nghi

17151234

171512B

Điện – Điện tử

2

Khưu Luân Thành

17151257

171512B

Điện – Điện tử

3

Phùng Hưng Bình

17151171

171512B

Điện – Điện tử

- Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba

2. Mục tiêu đề tài:
Nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển robot có thể hoạt động chính xác và bền
vững trong nhiều điều kiện khác nhau sử dụng các kỹ thuật điều khiển phi tuyến thơng
minh.
3. Tính mới và sáng tạo:
Đề tài áp dụng thuật tốn phi tuyến thơng minh để điều khiển robot 3 bậc tự do
với sai số tối thiểu. Thuật tốn này giúp robot có thể hoạt động một cách linh hoạt trong
không gian hẹp, nhiều vật cản.


4. Kết quả nghiên cứu:
Thuật toán điều khiển cho redundant robot 3 bậc tự do.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Trong tương lai, bộ điều khiển có áp dụng cho các cánh tay robot hoạt động
trong vùng không gian chật hẹp, tăng độ chính xác, giảm thiểu khả năng va chạm với
vật cản dẫn đến hư hỏng.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Kết quả nghiên cứu của nhóm đã được đăng trên Tập san khoa học của Học Viện
Hàng Không Việt Nam kỳ 12/2020.
Ngày 11 tháng 10 năm 2021
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những song góp khoa học của SV thực hiện đề
tài (phần này do người hướng dẫn ghi): Nhóm nghiên cứu đã đạt được kết quả quan
trọng trong việc đề xuất một kỹ thuật điều khiển mới cho robot có thể giải quyết được
các vấn đề chính sau: độ chính xác điều khiển cao, duy tính ổn định và chính xác trong
mơi trường tiếp xúc vật cản và ràng buộc của không gian khớp. Các kết quả nghiên cứu
đã được đánh giá cẩn thận thông qua mô phỏng, thực nghiệm và được đăng trên Tập
san khoa học của Học Viện Hàng Không Việt Nam kỳ 12/2020.
Ngày 11 tháng 10 năm 2021
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)


Chương 1: Tổng Quan
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo ra những bước trưởng thành
đáng kể cho máy móc nói chung và robot nói riêng. Trong từng giai đoạn phát triển,
robot ngày càng trở nên đa dạng và thông minh hơn nhờ khả năng xử lý rất nhanh của
bộ điều khiển dùng máy tính. Tuy nhiên khả năng thực hiện hóa của các robot này khơng
chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “cơ cấu chấp
hành”. Theo dự đoán, trong tương lai robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn
sau internet. Con người khi ấy sẽ có nhu cầu sở hữu một robot cá nhân như nhu cầu sở
hữu một máy tính để bàn hiện nay. Với xu hướng này cùng các ứng dụng truyền thông

khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong
quốc phịng an ninh thì thị trường dành riêng cho robot sẽ vô cùng to lớn.
Trong cuộc cách mạng về robot, thế giới sẽ bước vào kỉ nguyên khám phá sâu
hơn về môi trường tự nhiên ở Trái Đất, thậm chí vượt ra khỏi quy mơ Trái Đất để tiến
ra ngồi vũ trụ. Do đó, các robot sẽ thay thế hoặc hỗ trợ con người thực hiện những công
việc rất nhàm chán, những công việc nguy hiểm địi hỏi tốc độ hoặc những cơng việc
địi hỏi độ chính xác cao vượt quá khả năng của con người.
Với đề tài nghiên cứu khoa học này, chúng em sẽ hướng tới việc xây dựng nên
một cánh tay robot và bộ điều khiển thông minh áp dụng cho robot. Ý tưởng này vốn đã
và đang được vận dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng và nhẹ, tuy nhiên
vẫn còn khá mới mẻ đối với các đối tượng học sinh, sinh viên. Chúng em lựa chọn đề
tài này với mong muốn được tìm hiểu, nghiên cứu sâu hơn về robot nói chung và cánh
tay robot nói riêng.
Tình hình ngồi nước
Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được
ứng dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm những
công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Dữ liệu của Liên đoàn robot
quốc tế (IFR) cho thấy, trong năm 2015, ngành cơng nghiệp sản xuất có 66 robot trên
mỗi 10000 người lao động. Năm 2017, dữ liệu tăng lên 77 trên 10000 người lao động.
1


Do nhu câu sử dụng ngày càng nhiều trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot cơng
nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thơng minh hơn. Ngày nay, ngoài
ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong
y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dưng, an ninh quốc phòng đang là
động lưc cho sư phát triển của ngành công nghiệp robot.
Cũng phải nhắc lại rằng theo như dư đốn trong vịng 20 năm nữa mỗi người sẽ
có nhu câu sử dụng một robot cá nhân như nhu câu sử dụng một máy tính PC hiện nay
và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau internet. Với xu hướng này,

cùng các ứng dụng truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào
tạo, giải tri và đặc biệt là trong an ninh quốc phịng thì thị trường robot sẽ vơ cùng to
lớn. Bên cạnh đó, một số ứng dụng liên quan đến Robot cũng được sử dụng nhiều hơn,
ví dụ như mang robot lên điện tốn đám mây hay mạng xã hội. Chi phi để sở hữu Robot
cũng đang giảm xuống rất nhanh, càng giúp cho q trình hiện đại hóa diễn ra một cách
thuận lợi. Quan trọng hơn, nhận thức chung của cộng đồng về Robot cũng đã có nhiều
thay đổi. Đó chính là các dấu hiệu rõ ràng cho thấy ngành công nghiệp này đang ở thời
điểm quan trọng, có nhiều tác động tích cưc trong đời sống. Với sư phát triển của xã hội
và q trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành
làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang phục vụ cho các
nhu câu xã hội và nhu câu cá nhân của con người.
Tình hình trong nước
Cùng với Thế Giới, Việt Nam đang được coi là thị trường tiềm năng cho robot
cơng nghiệp. Đã có những nhà máy sử dụng hàng ngàn người máy trong sản xuất xe ôtô,
làm trong những dây chuyền chế biến độc hại. Phó Giáo Sư, Tiến sĩ Bùi Văn Hạnh, Phó
Viện trưởng Viện Cơ Khi, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhận định: Xu hướng
nghiên cứu, ứng dụng robot trong công nghiệp, gia tăng mơ hình “nhà máy thơng minh”
tại các khu công nghiệp đang là xu hướng phát triển mạnh tại Việt Nam hiện nay. Hiện
đã có nhiều doanh nghiệp thưc hiện thành công một số sản phẩm robot và được thị
trường đón nhận.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy
(Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio
2


Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot tư động được nghiên cứu
nhiều như xe tư hành dưới nước AUV (Autonomoues Underwater Vehicles), Máy bay
không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles). Với Robot phỏng sinh học, các
nghiên cứu thời gian qua tập trung 2 dạng chính là Robot đi (Walking Robots) và Robot
dáng người (Humanoid Robots). Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước

như robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm
nghiên cứu phát triển. Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các
nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong
các môi trường tư nhiên.
1.2 Mục tiêu đề tài
Chúng ta muốn được điều khiển cánh tay robot thì cần tính ra được động học thuận
và động học nghịch cùng với động lực học của robot. Nhưng do các thuật tốn điều
khiển thơng thường không đáp ứng được tốt trong tất cả trường hợp, thêm vào đó là
phần sai số do phần cứng thiết kế khơng thể tối ưu một cách hồn hảo. Tất cả các yếu tố
đó sẽ dẫn đến việc sai số cộng dồn rất lớn. Đây cũng là mục tiêu của nhóm khi phát triển
theo hướng phát triển bộ điều khiển thơng minh. Nhóm đặt ra mục tiêu để hồn thành
đề tài cụ thể như sau:
 Tính tốn xây dựng mơ hình tốn học của robot 3 bậc tự do.
 Mơ phỏng mơ hình tốn học của robot 3 bậc tự do
 Áp dụng bộ điều khiển thông minh.
 Viết 1 bài báo nghiên cứu khoa học.
1.3 Nội dung nghiên cứu
Nội dung

STT

Sản phẩm

Người thực

Thời gian

hiện
Phát triển mơ
1

hình tốn của đối
tượng

Mơ hình
tốn học

4 tháng

Nhiên, Nghi,
Bình

3


Nghiên cứu lý
2

thuyết phát triển

4 tháng

Báo cáo

3 tháng

Nghi, Thành

Báo cáo

1 tháng

Nhiên, Thành

bộ điều khiển
3

4

Thử nghiệm,
phân tích kết quả
Viết báo cáo
tổng kết

Nhiên, Nghi,

Báo cáo

Thành

Bảng 1. Bảng phân công công việc
1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu
Mơ hình mơ phỏng robot 3 bậc tự do.
Phương pháp điều khiển thông minh áp dụng cho mơ hình.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Phát triển và điều khiển mơ hình mơ phỏng theo hình dáng robot 3 bậc tự do:
 Mơ hình tốn học hồn chỉnh
 Bộ điều khiển thông minh phi tuyến
1.4.3 Giới hạn đề tài

Đề tài chỉ dừng lại ở việc áp dụng bộ điều khiển thơng do thời gian có hạn nên vẫn
chưa có ứng dụng cụ thể.

4


Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
2.1 Nguyên lý hoạt động của robot

Hình 2.1. Nguyên lý hoạt động robot
Ban đầu khi khởi động, robot sẽ ở vị trị home, tiếp theo ta sẽ nhập các thơng số
như các góc theta hoặc toạ độ điểm đầu cuối và các thông số điều khiển vào giao diện
điều khiển. Giao diện sẽ tính tốn động học thuận hoặc nghịch. Tiếp đến, giao diện sẽ
gửi các thông số điều khiển xuống vi điều khiển. Vi điều khiển tiến hành băm xung để
điều khiển robot.
2.2 Thuật tốn điều khiển
Trong q trình nghiên cứu về thuật tốn điều khiển cho mơ hình, nhóm chúng
em đã vận dụng những kiến thức nền tảng của lí thuyết điều khiển tự động, lý thuyết
điều khiển thông minh và lý thuyết robot. Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng phần mềm
MATLAB để tính tốn, mơ phỏng và kiểm chứng độ chính xác của kết quả tính tốn.
5


2.2.1 Lý thuyết điều khiển tự động
Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học,
liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực. Đầu ra mong muốn của một hệ thống
được gọi là giá trị đặt trước. Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo
một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ
thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống.
Điều khiển là q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ

thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là
q trình điều khiển khơng cần sự tác động của con người.
Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trị quan
trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.
Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống
điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy cơng cụ, kỹ thuật khơng gian và
hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thơng, hệ thống năng lượng,
robot,…Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ
lý thuyết điều khiển tự động.
Ý nghĩa của điều khiển tự động:
 Tăng độ chính xác
 Tăng tính bền vũng
 Tăng năng suất, hiệu quả kinh tế

6


2.2.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống điều khiển tự động

Hình 2.2. Cấu tạo cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động
Trong đó:
• System: đối tượng điều khiển
• Controller: bộ điều khiển, hiệu chỉnh
• Sensor: cơ câu đo lường và hồi tiếp
• Các loại tín hiệu có trong hệ thống trên:
• u: tín hiệu vào, điều khiển.
• y: tín hiệu ra.
• z: tín hiệu phản hồi.
• e: sai số tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp.

7


2.2.3 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động
Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tuỳ theo mục đích của sự phân loại.
Ví dụ nếu căn cứ vào phương pháp phân tích và thiết kế có thể phân hệ thống điều
khiển thành các loại tuyến tính và phi tuyến, biến đổi theo thời gian và bất biến theo
thời gian; nếu căn cứ vào dạng tín hiệu trong hệ thống ta có hệ thống liên tục và hệ
thống rời rạc; nếu căn cứ vào mục đích điều khiển ta có hệ thống điều khiển ổn định
hố, điều khiển theo chương trình, điều khiển theo dõi,…
Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế
 Hệ thống tuyến tính – Hệ thống phi tuyến
Hệ thống tuyến tính khơng tồn tại trong thực tế, vì tất cả các hệ thống vật lý đều
là phi tuyến. Hệ thống điều khiển tuyến tính là mơ hình lý tưởng để đơn giản
hố q trình phân tích và thiết kế hệ thống. Khi giá trị của tín hiệu nhập vào hệ
thống cịn nằm trong giới hạn mà các phần từ còn hoạt động tuyến tính (áp dụng
được ngun lý xếp chồng), thì hệ thống cịn là tuyến tính. Nhưng khi giá trị
của tín hiệu vào vượt ra ngồi vùng hoạt động tuyến tính của các phần tử và hệ
thống, thì khơng thể xem hệ thống là tuyến tính được. Tất cả các hệ thống thực
tế đều có đặc tính phi tuyến, ví dụ bộ khuếch đại thường có đặc tính bão hồ khi
tín hiệu vào trở nên quá lớn, từ trường của động cơ cũng có đặc tính bão hồ
Trong truyền động cơ khí đặc tính phi tuyến thường gặp phải là khe hở và vùng
chết giữa các bánh răng, đặc tính ma sát, đàn hồi phi tuyến,… Các đặc tính phi
tuyến thường được đưa vào hệ thống điều khiển nhằm cải thiện chất lượng hay
tăng hiệu quả điều khiển.
 Hệ thống bất biến – Hệ thống biển đổi theo thời gian
Khi các thông số của hệ thống điều khiển không đổi trong suốt thời gian hoạt
động của hệ thống, thì hệ thống được gọi là hệ thống bất biến theo thời gian.
Thực tế, hầu hết các hệ thống vật lý đều có các phần tử trơi hay biến đổi theo
thời gian. Ví dụ như điện trở dây quấn động cơ bị thay đổi khi mới bị kích hay

nhiệt độ tăng. Một ví dụ khác về hệ thống điều khiển biến đổi theo thời gian là
hệ điều khiển tên lửa, trong đó khối lượng của tên lửa bị giảm trong quá trình
bay. Mặc dù hệ thống biến đổi theo thời gian khơng có đặc tính phi tuyến, vẫn
8


được gọi là hệ tuyến tính, nhưng việc phân tích và thiết kế loại hệ thống này
phức tạp hơn nhiều so với hệ tuyến tính bất biến theo thời gian.
Phân loại theo loại tín hiệu trong hệ thống:
 Hệ thống liên tục
Hệ thống liên tục hệ thống mà tín hiệu ở bất kỳ phân nào của hệ thống cũng là
hàm liên tục theo thời gian. Trong tất cả các hệ thống điều khiển liên tục, tín
hiệu được phân thành AC hay DC. Khái niệm AC và DC không giống trong kỹ
thuật điện mà mang ý nghĩa chuyên môn trong thuật ngữ hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển AC có nghĩa là tất cả các tín hiệu trong hệ thống đều được
điều chế bằng vài dạng sơ đồ điều chế. Hệ thống điều khiển DC được hiểu đơn
giản là hệ có tín hiệu khơng được điều chế, nhưng vẫn có tín hiệu xoay chiều.
Thực tế, một hệ thống có thể liên kết các thành phần AC và DC, sử dụng các bộ
điều chế và các bộ giải điều chế thích ứng với tín hiệu tại các điểm khác nhay
trong hệ thống.
 Hệ thống rời rạc
Khác với hệ thống điều khiển liên tục, hệ thống điều khiển rời rạc có tín hiệu ở
một hay nhiều điểm trong hệ thống là dạng chuỗi xung hay mã số. Thông
thường hệ thống điều khiển rời rạc được phân làm hai loại: Hệ thống điều khiển
lấy mẫu dữ liệu và Hệ thống điều khiển số. Hệ thống lấy mẫu dữ liệu ở dạng dữ
liệu xung. Hệ thống điều khiển số liên quan đến sử dụng máy tính số hay bộ
điều khiển số vì vậy tín hiệu trong hệ được mã số hoá.
Phân loại theo loại mục tiêu điều khiển:
 Điều khiển ổn định hoá
Mục tiêu điều khiển là kết quả tín hiệu ra bằng tín hiệu vào chuẩn r (t ) với sai

lệch cho phép exl (sai số ở chế độ xác lập).
e(t )  r (t )  c(t )  exl

Khi tín hiệu vào r (t ) không đổi theo thời gian ta có hệ thống điều khiển ổn định
hố hay hệ thống điều chỉnh.
 Điều khiển theo chương trình

9


Nếu r (t ) là một hàm định trước theo thời gian, yêu cầu đáp ứng ra của hệ thống
sap chép lại các giá trị của tín hiệu vào r (t ) thì ta có hệ thống điều khiển theo
chương trình.
 Điều khiển theo dõi
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r (t ) là một hàm không biết trước theo thời
gian, yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t ) luôn bám sát được r (t ) , ta có hệ thống
theo dõi. Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển
vũ khí, hệ thống lái tàu, máy bay,…
 Điều khiển thích nghi
Tín hiệu v(t ) chỉnh dịnh lại tham số điều khiển sao cho hệ thích nghi với mọi
biến động của mơi trường ngồi.

Hình 2.3. Ngun tắc tự chỉnh định
 Điều khiển tối ưu – hàm mục tiêu đạt cực trị
Ví dụ các bài toán quy hoạch, vận trù trong kinh tế, kỹ thuật đều là các phương
pháp điều khiển tối ưu.

10

2.2.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản
 Nguyên tắc thơng tin phản hồi:
Muốn q trình điều khiển đạt chất lượng cao, trong hệ thống phải tồn tại hai
dịng thơng tin: một từ bộ điều khiển đến đối tượng và một từ đối tượng về bộ
điều khiển (dịng thơng minh ngược gọi là hồi tiếp). Điều khiển không hồi tiếp
(điều khiển vịng hở) khơng thể đạt chất lượng cao, nhất là khi có nhiễu.
Các sơ đồ điều khiển dựa trên ngun tắc thơng tin phản hồi là:
Điều khiển bù nhiễu:

Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù nhiễu
Điều khiển san bằng sai lệch:

Hình 2.5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển san bằng sai lệch

11


Điều khiển phối hợp:

Hình 2.6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển phối hợp
 Nguyên tắc đa dạng tương xứng:
Muốn q trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của bộ điều khiển phải
tương xứng với sự đa dạng của đối tượng. Tính đa dạng của bộ điều khiển thể
hiện ở khả năng thu thập thông tin, lưu trữ thơng tin, truyền tin, phân tích xử lý,
chọn quyết định,…Ý nghĩa của nguyên tắc này là cần thiết kế bộ điều khiển phù
hợp với đối tượng.
 Nguyên tắc bổ sung ngồi:
Một hệ thống ln tồn tại và hoạt động trong mơi trường cụ thể và có tác động
qua lại chặt chẽ với mơi trường đó. Ngun tắc bổ sung ngồi thừa nhận có một
đối tượng chưa biết (hộp đen) tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ

thống lẫn hộp đen. Ý nghĩa của nguyên tắc này là khi thiết kế hệ thống tự động,
muốn hệ thống có chất lượng cao thì khơng thể bỏ qua nhiễu của môi trường tác
động vào hệ thống.
 Nguyên tắc dư trữ:
Vì ngun tắc bổ sung ngồi ln coi thơng tin chưa đầy đủ phải đề phòng các
bất trắc xảy ra và khơng được dùng tồn bộ lực lượng trong điều kiện bình
thường. Vốn dữ trữ khơng sử dụng, nhưng cần để đảm bảo cho hệ thống vận hành
an toàn.
 Nguyên tắc phân cấp:

12


Đối với một hệ thống điều khiển phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ
sung cho trung tâm. Cấu trúc phân cấp thường sử dụng là cấu trúc hình cây, ví
dụ như hệ thống điều khiển giao thơng đô thị hiện đại, hệ thốn điều khiển dây
chuyền sản xuất.
 Nguyên tắc cân bằng nội:
Mỗi hệ thống cần xây dựng cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự giải quyết
những biến động xảy ra.

13


2.2.5 Lý thuyết robot
Cấu trúc chung của robot công nghiệp
Trên hình 1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp thông
thường. Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động
2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, tay kẹp 6.

Hình 2.7. Các bộ phận cấu thành robot cơng nghiệp
Bên trong hoặc ở bên ngồi tay máy cịn đặt nhiều bộ phận khác nữa:
• Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khi, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu
tạo nên sư chuyển dịch ở các khớp động.
• Hệ thống điều khiển đảm bảo sư hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hoặc
nhận biết được trong quá trình làm việc.
• Hệ thống cảm biến tín hiệu thưc hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động
của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường- đối tượng mà robot phục
vụ (cảm biến ngoại tín hiệu). Các thơng tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ
thống điều khiển sau khi xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn
động của tay máy. Tiếp xúc trưc tiếp môi trường và đối tượng làm việc là các dụng cụ
(tools) được giữ bằng các tay kẹp.

14


Phân loại robot công nghiệp
Ngày nay robot công nghiệp đã phát triển rất đa dạng. Có thể phân loại robot
cơng nghiệp theo nhiều cách khác nhau:
• Theo vị tri “ cơng tác” phân ra các loại robot cấp thốt phơi, robot vận chuyển,
robot vạn năng...
• Theo dạng cơng nghệ chun dụng phân ra các loại robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp...
• Theo cách thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tư động,
Robot điều khiển bằng dạy học, robot điều khiển bằng tay, robot nhìn được
(vision)...
• Theo các hệ tọa độ được dùng khi thưc hiện các chuyển động cơ bản phân ra
các robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ, câu hoặc phỏng sinh...
Các chỉ tiêu đánh giá và thông số kỹ thuật
Để các cơ cấu tay máy hoạt động linh hoạt tức là có thể thưc hiện được dễ

dàng các chuyển dịch muôn màu muôn vẻ, chúng cân phải có một số bậc tư do chuyển
động cân thiết. Như đã biết, với các cơ cấu tay máy dùng các cơ cấu hở khơng gian
có các khớp động loại 5 thì số bậc tư do bằng số khâu động. Khi tăng số bậc tư do tức
là tăng số khâu động và tăng số thiết bị động lưc cho các khâu động đó nên sẽ tăng
độ phức tạp về kết cấu và chế tạo. Vấn đề đặt ra là khi cùng số bậc tư do có thể chọn
lưa cơ cấu tay máy nào đảm bảo tính linh hoạt cao hơn. Tinh linh hoạt của cơ cấu tay
máy là một chỉ tiêu tổng hợp được thể hiện qua các yếu tố sau đây:
Độ động của cơ cấu
Khâu thao tác robot được xác định bằng 6 thông số xE, yE, zE, , , , trong đó
3 thơng số đâu là vị trí của gốc hệ tọa độ gắn với khâu thao tác, cịn 3 thơng số sau xác
định hướng của khâu thao tác. Trong lúc mỗi cấu hình của cơ cấu tay máy được xác định
bằng n giá trị biến khớp q1... qn. Số bậc tư do n của cơ cấu tay máy có thể bằng hoặc
khác 6. Có thể xảy ra 3 trường hợp sau:
• Nếu n=6, khi điểm E thưc hiện di chuyển nhỏ xE, yE, zE, ,  sang một
vị trí mới nào đó, thì có thể xác định q1…qn một cách đơn trị.

15


• Nếu n  6 thì khơng phải lúc nào điểm E cũng đạt tới vị trí với định hướng như
u cầu được.
• Nếu n  6 thì có nhiểu lời giải để điểm E đạt tới vị trí với định hướng đã yêu
câu.
Hiệu số n-6=m được gọi là độ cơ động của tay máy. Có thể xác định độ cơ
động m bằng số bậc tư do còn lại của cơ cấu nếu giữ cố định bàn kẹp lại.
Sự tồn tại độ cơ động (m 1) là có lợi vì khi đó cơ cấu tay máy có thể đạt tới đich
với nhiều phương án khác nhau. Điều đó càng quan trọng nhất là khi mơi trường làm
việc có các chướng ngại. Tuy nhiên dễ có độ cơ động cao, tức là cân số bậc tư do cao
thì độ phức tạp kết cấu tay máy cũng tăng theo và sẽ không tránh khỏi việc tăng giá
thành và giảm độ chính xác chuyển động.

Hệ số phục vụ
Trong vùng làm việc, tức là trong khoảng khơng gian mà bàn kẹp tay máy có thể
thao tác được, không phải ở bất cứ điểm nào trong vùng này bàn kẹp tay máy cũng thao
tác dễ dàng như nhau. Để đánh giá mức độ dễ dàng thao tác đó người ta dùng khái niệm
hệ số phục vụ.
Hệ số phục vụ  là tỷ số giữa góc phục vụ  so với 4. Góc phục vụ  là góc nón
qt một vùng khơng gian mà chỉ ở phia trong đó bàn kẹp mới có thể hướng tới tọa độ
cân thiết:



4

Giá trị của  và  không những phụ thuộc vào vị tri điểm thao tác trong vùng làm
việc, mà còn phụ thuộc vào kết cấu của tay máy.
Độ dễ điểu khiển của cơ cấu robot
Trong thực tế điều khiển hoạt động của tay máy, từ khi nhận được tín hiệu về
định vị và định hướng của” điểm đầu cuối” EE tại một điểm của quỹ đạo, cho tới khi
điều khiển để đạt được mục tiêu đó, robot phải thưc hiện hoạt động đó trong một khoảng
thời gian nhất định. Thời gian đó bao gồm thời gian tính tốn để xác định các thơng số
điều khiển và thời gian thưc hiện di chuyển.

16


Tổng các thời gian đó có thể gọi là thời gian điều khiển. Trong đó thời gian tính
tốn giá trị các biến khớp qi theo các thông số định vị và định hướng tại điểm E, phụ
thuộc vào loại cơ cấu tay máy. Qua thông số thời gian điều khiển nói trên có thể xác
định mức độ khó dễ điều khiển, như một chỉ tiêu đánh giá cơ cấu tay máy.
Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp

Robot công nghiệp thường được đặc trưng bằng bảng các thông số kỹ thuật cơ
bản xem Bảng 2. Hệ truyền dẫn động được ghi rõ là thủy lưc, khi nén, động cơ điện một
chiều, động cơ bước...
Sai số định vị của tay kẹp (mm) là độ sai lệch giữa vị trí thưc so với vị trí yêu
câu. Mức chính xác thấp  >  1(mm) áp dụng cho các loại robot vận chuyển, phun
phủ...Mức chính xác trung bình 0,1    1,0(mm) thích hợp với các việc như lắp ráp
có khe hở, vặn vít, hàn hồ quang...Mức chính xác cao   0,1(mm) dùng khi đo lường,
lắp ráp khít...

Bảng 2. Các thơng số kỹ thuật của robot
Các bài tốn thường gặp đối với robot công nghiệp
Trong thưc tế, để chế tạo ra một robot cơng nghiệp hồn chỉnh và có thể
thương mại hóa nó phải trải qua rất nhiều bước. Tuy nhiên, ở đây ta chỉ giới hạn
ở các vấn đề tính tốn lý thuyết cơ bản thì các bài tốn liên quan đến robot cơng
nghiệp bao gồm:
+ Phân tích động học: Tìm mối quan hệ giữa chuyển động của khâu thao tác (tay kẹp,
đâu hàn, sơn, phun phủ…) và chuyển động của các khớp (góc quay của các động cơ

17


hoặc chuyển động tịnh tiến đặt ở mỗi khớp). Sau đó, chúng ta cân phải giải mối quan hệ
này theo cả hai chiều: cho trước chuyển động của khâu thao tác, cần tìm chuyển động
của các khớp hoặc ngược lại. Bên cạnh đó, vấn đề tính tốn vận tốc dài, vận tốc góc
cũng là 1 vấn đề quan trọng, làm đâu vào cho bài toán động lưc học. Các yếu tố đâu vào
của bài toán động học bao gồm cấu trúc động học và kích thước các khâu của robot.
+ Phân tich động lưc học: Ở bài toán động lưc học, chúng ta cần quan tâm đến nguyên
nhân gây ra chuyển động tức là mối quan hệ giữa momen ( hoặc lưc) đặt vào các khớp
quay (hoặc tịnh tiến) và chuyển động tương ứng của các khớp đó. Các yếu tố đâu vào
của bài toán động lưc học bao gồm kết quả của bài toán động học và các yếu tố về khối

lượng, momen quán tính khối của các khâu của robot.
+ Thiết kế quỹ đạo và điều khiển: Đây là bài toán sau cùng cũng là bài toán phức tạp
nhất của tính tốn robot. Chúng ta cân thiết kế đường di chuyển cho khâu thao tác và
chuyển động của các khớp cùng với các yếu tố về vận tốc, gia tốc để đáp ứng yêu câu
kỹ thuật trong sản xuất. Bài toán điều khiển nhằm đảm bảo robot sẽ hoạt động bám theo
đúng những thông số ta đã thiết kế trước, chất lượng của điều khiển quan hệ mật thiết
với chất lượng của một robot.
Quy hoạch quỹ đạo cho robot
Quy hoạch quỹ đạo là tạo các tín hiệu vào tham chiều cho bộ điều khiên robot để
robot di chuyền theo quỹ đạo mong muốn. Quỹ đạo điểm-điểm là quỹ đạo đi qua hai
điểm định trước trong thời gian xác định, quỹ đạo đường là quỹ đạo đi qua nhiều điềm
theo một đường liên tục xác định trước. Ta có thể qui hoạch trong khơng gian biến khớp
nghĩa là tín hiệu tham chiếu là giá trị đặt cho các biến khớp  d (t ) hoặc quy hoạch trong
không gian làm việc với tín hiệu tham chiếu xd (t ) là vị trí và hướng trong khơng gian.
Ta muốn điểm đầu cuối đi qua hai điểm xác định trong không gian, từ vị trí đầu
và cuối của điểm đầu cuối ta giải bài toán động học ngược hoặc dùng teach pendant di
chuyển điểm đầu cuối đến vị trí đã định và đọc các biến khớp tương ứng, xác định các
giá trị đầu và cuối cho các biến khớp  (0)  0 ,  (t f )   f (2.1) là hai ràng buộc đầu tiên.
Xét cho một biến khớp, ta tìm biểu thức cho  (t ) thỏa mãn điều kiện về vị trí và vận tốc
ở thời điểm đâu và cuối, đôi khi xét thêm điều kiện về gia tốc.

18