Nghiên cứu động học, động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho robot hai khâu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU






Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Phương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 10
CHƢƠNG 1: 12
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 12
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 12
1.1.1. Robot và robotic: 12
1.1.2. Robot công nghiệp: 13
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 14
1.1.3.1. Cấu trúc chung: 14
1.1.3.2. Kết cấu tay máy: 15
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot 16
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot 16
1.1.4.2.Truyền động điện 17
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực 17
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 18
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 18
1.1.6.1. Khái quát 18
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 19
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng 22
1.2.1.Bài toán động học thuận: 22
1.2.2.Bài toán động học ngược 23
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ 25
1.2.3.1. Giới thiệu 25
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian 27
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ 27

1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu 28
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot 31
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD 32
1.4.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 33
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 33
1.4.4 Nhận xét chung 34
CHƢƠNG 2: 35
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU 35
2.1 Khái quát 35
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều. 36
2.2.1 Các thông số ban đầu. 36
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều 36
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều 38
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều 39
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 39
2.2.1.3 Biến dòng: 40
2.2.1.4 Máy phát tốc: 40
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 41
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 41
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (
R

): 44
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (
R


). 47
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 51
2.3.1 Mô hình simulink 51
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 53
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho
cánh tay Robot 2 khâu. 56
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. 56
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 57
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 59
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 60
2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 62
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function). 63
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển 65
2.4.3.5 Luật hợp thành 68
2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả 69
2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. 69
2.4.4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí Robot dùng bộ chỉnh định mờ 70
2.5 Kết luận Chƣơng 2 72
CHƢƠNG 3: 73
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 73
3.1 Mô hình các khối chức năng 73
3.1.1 Bộ điều khiển 73
3.1.2 Động cơ 74
3.2. Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh
định mờ và bộ điều khiển PID. 74
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID 75
3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 75
3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. 75

3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. 77
3.3.1.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. 78
3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 79
3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. 79
3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. 79
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. 81
3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 81
3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. 81
3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. 82
3.3.3.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. 83
3.4 Nhận xét chƣơng 3 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85
1. Kết luận. 85
2. Kiến nghị. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot 13
Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot 20
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu 22
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 38
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp 66
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd 67
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp 14
Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển 15
Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy 16
Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu 19
Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 21
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 23
Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 26
Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu 28
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín 31
Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 32
Hình 1.11: Điều khiển PD 32
Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng 33
Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 33
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 34
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 36
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 39
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển. 39
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. 41
Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện rút gọn 42
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. 44
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 45
Hình 2. 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí 47
Hình 2. 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 50
Hình 2.11: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 51

Hình 2.12 : Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 51
Hình 2.13: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 52
Hình 2.14: Mô hình khối subsystem1 52
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
Hình 2.15: Mô hình khối subsystem2 52
Hình 2.16: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 52
Hình 2.17: Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 52
Hình 2.18: Mô hình Robot 2 khâu 53
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID. 54
Hình 2.21: Đồ thị góc quay 54
Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc 55
Hình 2.23: Dòng điện của động cơ 1,2 55
Hình 2.24: Tốc độ của động cơ 1,2 56
Hình 2.25. Quan hệ giữa  và . 57
Hình 226: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 59
Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP 61
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD 61
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI 62
Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 64
Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki 64
Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et 64
Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det 65
Hình 2.35: Đặc tính quá độ thƣờng gặp của hệ điều khiển dùng PID 65
Hình 2.36: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển 69
Hình 2.37: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D 69
Hình 2.38: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD 70
Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo Robot dùng Fuzzy 70
Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 70

Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy 71
Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy 71
Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy 71
Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động cơ dùng Fuzzy 72
Hình 2.45: Đồ thị dòng điện động cơ dùng Fuzzy 72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Hình 3.1: Các khối chức năng 73
Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D 73
Hình 3.3: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD 73
Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển động cơ DC 74
Hình 3.5: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định mờ 74
Hình 3.6: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 75
Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu 76
Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 76
Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77
Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77
Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 77
Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 79
Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 79
Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 80
Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 80
Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 80
Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 81
Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 81
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 82

Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 82
Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 82
Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 83
Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 83
Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 83
Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ………… 84

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10
MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ khi con
ngƣời biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tƣởng điều khiển tự động đã đƣợc đặt
lên hàng đầu.
Con ngƣời đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.
Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot. Ngày nay
Robot đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn
trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng
nhƣ trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống
sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động. Robot ngày càng thông
minh và linh hoạt, chính vì thế robot đƣợc xem là sản phẩm điển hình của nền khoa
học kỹ thuật.
Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ đã ban hành quyết định số: 82/2001/QĐ-
TTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một
trong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ. Vì thế việc nghiên cứu các
phƣơng pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm và đã đƣợc áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong
công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng của
hệ thống.
Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG

HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC
NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng:
Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển
động robot 2 khâu.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn
Nhƣ Hiển – ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thế Phương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT

1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:
1.1.1. Robot và robotic:
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:
Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chƣơng trình hoá, lập lại các
chƣơng trình, tổng hợp các chƣơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng
định vị, di chuyển các đối tƣợng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những
hành trình thay đổi đã chƣơng trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ
khác nhau.
Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:
Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chƣơng
trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến
tính hay phi tuyến của động trình. Chúng đƣợc điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất
ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chƣơng trình; chúng đƣợc trang
bị dụng cụ hoặc các phƣơng tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản
xuất trực tiếp hay gián tiếp.
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:
Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều
khiển chƣơng trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với
sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tƣơng tự của con ngƣời.
Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể
hiểu nhƣ sau:
Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế
tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội
loài ngƣời nhƣ nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều
khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử
(mechatronics).

1.1.2. Robot công nghiệp:
Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng đƣợc mở rộng
thêm, song theo thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng đƣợc sử dụng chủ
yếu trong công nghiệp, vì vậy khi nhắc đến robot ngƣời ta thƣờng liên tƣởng đến
robot công nghiệp.
Lĩnh vực
1985
1990
Hàn
Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH
Đúc
Lắp ráp
Phun phủ
Sơn
Các ứng dụng khác
35%
20%
10%
10%
10%
5%
10%
5%
25%
5%
35%
5%
15%
10%
Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot

Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trƣng riêng:
- Là thiết bị vạn năng đƣợc TĐH theo chƣơng trình và có thể lập trình lại
để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
- Đƣợc ứng dụng trong những trƣờng hợp mang tính công nghiệp đặc trƣng
nhƣ vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lƣờng.
Do có hai đặc trƣng trên nên robot công nghiệp có thể định nghĩa nhƣ sau:
Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chƣơng trình và có thể lập trình
lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong
công nghiệp, nhƣ vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị
chuyên dùng khác.
Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau:
RBCN là tay máy đƣợc đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành
dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chƣơng
trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong
quá trình sản xuất.
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
1.1.3.1. Cấu trúc chung:
Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp
Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khâu. Chúng hình
thành cánh tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc điểm tác động cuối (End Effector) để trực tiếp

hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng.
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các
robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của
robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trƣờng.
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động
lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thƣờng là hệ thống điều khiển số
có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển
1.1.3.2. Kết cấu tay máy:
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm
việc nhƣ nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa
với tay ngƣời. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc
để chỉ các bộ phận của tay máy nhƣ vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist),
bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hƣởng lớn đến khả năng
làm việc của robot nhƣ:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thƣớc và hình dáng vùng mà phần làm
việc có thể với tới.
- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hƣớng phần công tác trong vùng
làm việc.

Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với
nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần
công tác.
Các khớp đƣợc dùng phổ biến là khớp trƣợt và khớp quay. tuỳ theo số lƣợng
và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian),
toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay ngƣời
(Anthropomorphic).
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot
Robot có thể đƣợc điều khiển bằng các hệ truyền động nhƣ: truyền đồng
điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17
1.1.4.2.Truyền động điện
Với nhiều ƣu điểm nhƣ: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ,
không gây ô nhiễm môi trƣờng đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ truyền
động điện đƣợc sử dụng phổ biến trong kỹ thuật robot.
Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhƣợc điểm nhƣ thƣờng cần
hộp giảm tốc, công suất thấp,
Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn
động (điều khiển) robot. Nhƣng do có nhiều ƣu điểm nổi bật, động cơ điện một
chiều (DCM) và động cơ bƣớc đƣợc sử dụng nhiều hơn cả. Cùng với sự tiến bộ của
khoa học điều khiển, ngày nay ngƣời ta cũng đang có xu hƣớng sử dụng động cơ
điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị bộ
nguồn một chiều, ) và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM – Direct
Current Brushless Motor).
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực
Ngoài truyền động điện, ngƣời ta cũng thƣờng dùng các loại truyền động khí
nén và/hoặc thuỷ lực trong kỹ thuật điều khiển robot.

Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi nhƣ: tận dụng các hệ
thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xƣởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ
đơn giản hơn. Hệ truyền động khí nén cũng tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo
chiều, Tuy vậy cũng có nhƣợc điểm nhƣ: chuyển động của chất khí thƣờng kèm
dao động do tính nén đƣợc của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn, giảm ồn,
Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ƣu điểm là khả năng vận hành với tải
trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động. Nhƣợc
điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều nhƣ thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc,
bình tích dầu, các van điều chỉnh, đƣờng ống, làm cho hệ truyền động-robot khá
cồng kềnh so với các hệ truyền động khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot
Nhiệm vụ quan trọng hàng đầu khi thiết kế hệ điều khiển robot là đảm bảo
cho điểm tác động cuối của tay máy dịch chuyển bám theo một quĩ đạo định trƣớc,
đảm báo vị trí mong muốn. Ngoài ra, phải đảm bảo hƣớng di chuyển và tối ƣu về
năng lƣợng.
Để hoàn thành tốt nhiệm vụ nêu trên, khi tính toán thiết kế bộ điều khiển ta
phải thiết lập đƣợc phƣơng trình năng lƣợng và giải bài toán động học ngƣợc. Tuy
nhiên, việc tính toán theo lý thuyết thƣờng không xét đầy đủ đƣợc các yếu tố vật lý
thực tế nhƣ mô men ma sát của các khớp, ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng,
Do vậy, tuỳ thuộc yêu cầu chất lƣợng điều khiển, điều kiện sử dụng để xét
đến các yếu tố ảnh hƣởng, qua đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển thích hợp. Sau
đây là một số phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử dụng trong điều khiển robot, nhƣ:
Các phƣơng pháp điều khiển bằng bộ điều chỉnh kinh điển PID (Propotional
Integral Derivative);
Các phƣơng pháp điều khiển hiện đại nhƣ điều khiển thích nghi, điều khiển
mờ, điều khiển nơ-ron, điều khiển mờ-nơ-ron,
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

1.1.6.1. Khái quát
Cấu trúc của robot thƣờng bao gồm các thành phần chính nhƣ:
- Cánh tay robot
- Hệ thống
- Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối
- Các cảm biến
- Các bộ điều khiển
Cánh tay robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) đƣợc liên kết với
nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thƣờng gồm hai loại: khớp nối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19
cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay robot, ta cần quan tâm
đến số bậc tự do (DOF), trƣờng công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải,
Mô hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu nhƣ Hình 1.4.






Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu
Mỗi khớp của cánh tay robot thƣờng đƣợc điều khiển độc lập thông qua các
bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, ) có thể đƣợc gắn trực
tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp.
Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích
hợp nào đó nhằm đạt đƣợc mục tiêu thiết kế và sử dụng. Các cảm biến đo lƣờng gắn
trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển đƣợc về hệ thống
điều khiển để xử lý và đƣa ra quyết định. Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều
khiển cánh tay robot, ta cần quan tâm đến véc-tơ dịch chuyển q = [q

1
, q
2
, , q
n
]
T

(q R
n
).
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay robot nhằm thực hiện
một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phƣơng
thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến
điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. Bảng 1.6 minh hoạ đặc điểm của hai
chuyển động đó.
z
1

z
2

z
3

z
n

khâu 1

khâu 2
khâu n
z
0

x
0

y
0

khớp 1
khớp 2
q
1

q
2

q
3

q
n

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20

CP
PTP
Sự dịch
chuyển
Vị trí bắt đầu và kết thúc và
đƣờng dịch chuyển từ điểm bắt
đầu đến điểm kết thúc rất quan
trọng
Vị trí bắt đầu và kết thúc là
quan trọng nhƣng đƣờng dịch
chuyển từ điểm bắt đầu đến
điểm kết thúc là không
Ví dụ ứng
dụng
Robot làm việc có đòi hỏi về độ
chính xác bề mặt nhƣ: mạ, mài,

Robot làm việc tại các công
đoạn lắp ráp, nâng hạ,
Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot
Điều khiển robot nói chung và cánh tay robot nói riêng, đó là việc điều khiển
các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc
mô men để làm dịch chuyển các khâu tƣơng ứng. Ta gọi lực hoặc mô ment cần tạo
ra để điều khiển robot là véc-tơ

= [

1
,


2,



n
].
Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển
cánh tay robot với những giới hạn sau:
- Điều khiển cánh tay robot hai khâu (Hình 1.5) với thông số cho ở
Bảng 1.3
- Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để
tạo ra mô men quay cho hai khâu của robot;
- Phƣơng thức dịch chuyển theo quỹ đạo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

Thông số
Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị tính
Chiều dài khâu 1
l
1
0,26
m
Chiều dài khâu 2
l

2
0,26
m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1
l
c1
0,0983
m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2
l
c2
0,0229
m
Khối lƣợng khâu 1
m
1
6,5225
kg
Khối lƣợng khâu 2
m
2
2,0458
kg
Mô men quán tính của khâu thứ nhất
I
1
0,1213
kg.m
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22
Mô men quán tính của khâu thứ nhất
I
1
0,1213
kg.m
2
Gia tốc trọng trƣờng
g
9,81
m/s
2
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng
1.2.1.Bài toán động học thuận:
Động học là hình học của sự chuyển động. Đó là một trong những thành
phần cơ bản nhất của robot, cung cấp những công cụ mô tả cấu trúc và hoạt động
của robot. Bất kỳ một robot cũng có thể coi là tập hợp các khâu (links) gắn liền với
các khớp (joints).
Nhiệm vụ của bài toán thuận là khi cho trƣớc các biến khớp phải xác định vị
trí và định hƣớng của tất cả các khâu trên cánh tay, thông thƣờng nếu không khống
chế quỹ đạo của các khâu trên cánh tay nhằm tránh va chạm với các đổi tƣợng khác
trong vùng làm việc, ngƣời ta thƣờng chỉ xác định vị trí và định hƣớng của điểm tác
động cuối.
Trên cánh tay có các khâu và các khớp tổ hợp với nhau mà tạo thành, cánh
tay có hai hình thức cơ bản, có thể chuỗi động hình thành nên nó là kín, hoặc hở.
Các khâu và các khớp đƣợc mô tả qua các thông số đƣợc chia ra hai loại, các
thông số không thay đổi (chiều dài khâu) gọi là tham số. Các thông số thay đổi (góc
quay của khâu, lƣợng di chuyển dài của khâu tịnh tiến) gọi là biến khớp.

Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểm
tác động cuối là
e
x
và
e
y
. Tức là xác định [
e
x
,
e
y
] thông qua [
1

,
2

]. Giả sử quan
hệ của chúng đƣợc thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

 
12
,
e
e
x
y
  






Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23

Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

1 1 2 1 2
1 1 2 1 2
sin( ) sin( )
cos cos( )
e
e
y l l
x l l
  
  
  
  
(1.1)
Phƣơng trình trên mô tả vị trí và hƣớng của điểm tác động cuối của robot hay
còn gọi là phƣơng trình động học của cánh tay robot trong mặt phẳng.
1.2.2.Bài toán động học ngược
Mô hình động học ngƣợc của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều
khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trƣớc
hoặc mong muốn. Đối với robot 2 khâu đã nêu, ta có:

 
1
12
,
e
e
x
y
  






Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ

,
T
ee
xy


, khi đó
từ phƣơng trình động học ngƣợc, ta xác định đƣợc góc quay của trục khớp

12
T
  




bằng việc giải phƣơng trình
 
1
1
2
,
ee
xy








.Cụ thể:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
 
 
11
22
1
1 2 2
2 2 2 2
1

12
2
12
sin
tan tan
cos
cos
2
e
e
ee
l
x
y l l
x y l l
ll

















  



(1.2)
Chú ý rằng, do tính đối xứng nên phƣơng trình trên sẽ có hai cặp nghiệm
thoả mãn. Nghĩa là ứng với

,
T
ee
xy


ta luôn tìm đƣợc hai đáp án

1 11 21
T
  



hoặc

2 21 22
T
  




. Trong phạm vi bài toán nghiên cứu, ta chọn đáp án với các điều kiện
ràng buộc sau: 0 <
i

<  (i = 1; 2).
Để xác định vị trí của các khớp trên toàn mặt phắng oxy, ta thay hàm arctan
bằng hàm atan2 đƣợc định nghĩa : atan2(y,x)=arg(x+jy) ; với x+jy là số phức biểu
diễn trên mặp phẳng oxy.
Với điều kiện quỹ đạo cánh tay Robot thoả mãn:
2 2 2 2
1 2 1 2
( ) ( )l l x y l l    
,
ta xác định đƣợc phƣơng trình động học ngƣợc nhƣ sau:
1 1 2
2 1 3
tan 2( , ) tan2( , )
tan 2( , )
a y x a k k
a k k







(1.3)

Với :

   
22
2 2 2 2 2 2 4 4
1 1 2 1 2
2 2 2 2
2 1 2
2 2 2 2
3 1 2
k = 2
k =
k =
x y l l x y l l
x y l l
x y l l

      


  
  
(1.4)



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ
1.2.3.1. Giới thiệu
Tính toán về động học robot khi di chuyển nhỏ sẽ nhận đƣợc những quan hệ
vi phân. Chúng có tầm quan trọng nhất định trong một số trƣờng hợp, ví dụ nhƣ khi
lắp ráp cần vi chỉnh các giá trị di chuyển của các khớp để đáp ứng yêu cầu có những
thay đổi nhỏ về vị trí và hƣớng của hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối của
cánh tay robot. Các quan hệ vi phân này còn dùng để tính toán độ chính xác cơ cấu
về sự biến thiên của lực tác động lên các khâu và về sự ổn định tốc độ di chuyển.
Từ phƣơng trình (1.1), bằng cách lấy vi phân ta đƣợc:

(1.5)

Trong đó,
e
x
,
e
y
là biến của
1

,
2

. Từ đây, phƣơng trình trên bao gồm hai
phần và đƣợc rút gọn lại nhƣ sau:

dx Jdq

Trong đó: ,

1
2
.
,
e
e
dx
x
dy
d
dx dq
J dq
d
dt dt
dx J q











(1.6)

Và J là một ma trận 2 hàng , 2 cột:
(1.7)

1 2 1 2
12
12
1 2 1 2
12
12
( , ) ( , )
( , ) ( , )
ee
e
ee
e
xx
dx d d
yy
dy d d
   


   








1 2 1 2

12
1 2 1 2
12
( , ) ( , )
( , ) ( , )
ee
ee
xx
J
yy
   

   











