Nhận dạng hệ thống acrobot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ NGỌC TRUNG

NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Thái Nguyên - 2014

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!!


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐỖ NGỌC TRUNG

NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

T.S Nguyễn Hoài Nam

Thái Nguyên - 2014

i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đỗ Ngọc Trung
Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật
công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề n Bái
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của bản
thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý thưởng của các tác giả khác nếu có
đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận
văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tơi tự tìm
hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của
Việt Nam.
Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo
vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa từng được công bố trên bất kỳ một phương tiện
thơng tin nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tơi đã cam đoan ở trên.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Học viên

Đỗ Ngọc Trung

năm 2014

ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại nhà trường tơi đã tích lũy
được khá nhiều kiến thức chuyên nghành. Sau gần hai năm học tập tại nhà
trường những học viên chúng tôi được nhận luận văn tốt nghiệp đó là một vinh
dự lớn của bản thân.
Sau 6 tháng nghiên cứu và làm việc khẩn trương với sự hướng dẫn, giúp
đỡ tận tình của T.S Nguyễn Hồi Nam (Trường Đại học Công Nghiệp – Đại
học Thái Nguyên) luận văn “Nhận dạng hệ thống Acrobot” đã cơ bản hồn
thành. Trong q trình thực hiện luận văn ngồi sự cố gắng của bản thân, tôi
đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy
giáo, cơ giáo trong nhà trường. Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tôi
xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo trong khoa
Điện trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi giúp đỡ tôi trong q trình học tập và hồn thành luận văn.
Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hồi Nam đã
tận tâm hết lịng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
tơi trong suốt q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp này. Tuy đã rất cố gắng,
nhưng luận văn cịn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý để đề tài
được hồn thiện hơn.
Tơi xin trân trọng cảm ơn!


iii

MỤC LỤC
Trang phụ bìa...............................................................................................
Lời cam đoan ...............................................................................................

i

Lời cảm ơn ...............................................................................................

ii

Mục lục........................................................................................................

iii

Danh mục các hình vẽ .................................................................................

vi

Danh mục các bảng .................................................................................

vii

MỞ ĐẦU……………………………………………………………….….

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT……………….

4

1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT……………………………………………..

4

1.1 Sơ lược quá trình phát triển……………………………………………

4

1.2. Những ứng dụng điển hình của robot………………………………...

5

1.3. Phân loại robot………………………………………………..………

7

2. TỔNG QUAN VỀ ACROBOT…………………………………………

9

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT…….

13

2.1 Lựa chọn mơ hình ACROBOT……………………………….………

13

2.2 Chế tạo mơ hình ACROBOT………………………………………...

14

2.2.1. Thanh 1……………………………………………….……………

15

2.2.2 Encorder của động cơ số 1…………………………………………

16

2.2.3 Động cơ số 2………………………………………………………

16

2.2.4 Encoder 334 xung…………………………………………………...

18

2.2.5 Thuật toán đo tốc độ động cơ……………………………………….

19


iv

2.2.6 Điều khiển tốc độ và chiều động cơ…………………………………

20

2.2.7 Giới thiệu hộp số (giảm tốc)……………………………….………..

20

2.2.8. Thanh 2…………………………………………………………..

21

2.3. Giới thiệu Card Arduino……………………………..……………...

22

CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT………………

23

3.1. Phương pháp nhận dạng ACROBOT………………………………

23

3.2. Xây dựng mơ hình tốn trong simulink…………………………….

25

3.2.1. Hệ thống ACROBOT………………………………………………

25

3.2.2. Xác định các tham số cho mơ hình ACROBOT………………….

28

3.3. Xác định các thông số của acrobot………………………………….

31

3.4. Nhận dạng động cơ điều khiển thanh thứ hai……………………...

33

3.4.1. Các phương pháp nhận dạng hệ tuyến tính………………………

33

3.4.2 Nhận dạng tham số mơ hình ARMA………………………………

34

3.4.2.1 Nhận dạng bị động tham số mơ hình ARMA ………………….

34

3.4.2.2 Nhận dạng bị động khi các tín hiệu vào ra là tiền định ………

35

3.4.3. Nhận dạng động cơ

38

3.4.3.1. Thu thập dữ liệu mẫu từ động cơ……………………………….

41

3.4.3.2. Nhận dạng sử dụng công cụ Ident trong Matlab………………

44

3.4.3.3 Xây dựng hàm truyền của động cơ………………………………

53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………

56

PHỤ LỤC………………………………………………………………….

57

Phụ lục 1…………………………………………………………………...

57


v

Phụ lục 2. ………………………………………………….………………

58

Phụ lục 3…………………………………………………………………..

59

Phụ lục 4…………………………………………………………………..

60

Phụ lục 5……………………………………………….………………….

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................

62


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Nơi dung hình vẽ

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot

9

Hình 1.2: Hệ thống hụt

11

Hình 2.1: Một hệ thống acrobot trong phịng thí nghiệm

13

Hình 2.2: Hình ảnh của mơ hình Acrobot thực.

14

Hình 2.3: Thanh 1 và 2 động cơ

15

Hình 2.4: Encorder của động cơ số 1.

16

Hình 2.5: Động cơ và các dây nối

17

Hình 2.6: Hình ảnh động cơ DC Encodor 334 xung + giảm tốc

18

Hình 2.7: Hình ảnh Encoder 334 xung

18

Hình 2.8: Hình ảnh và kích thước hộp giảm tốc

20

Hình 2.9: Thanh 2

21

Hình 2.10: Card Arduino Mega

22

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đo vị trí góc cách tay máy

24

Hình 3.2 Hệ thống Acrobot

25

Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu thanh thứ nhất

28

Hình 3.4 Mơ hình acrobot trong simulink

31

Hình 3.5: Vị trí góc thực và ước lượng từ mơ hình tốn

32

Hình 3.6: Sai số giữa vị trí góc thực và vị trí góc từ mơ hình tốn

33

Hình 3.7: Nhận dạng bị động tham số mơ hình ARMA.

35

Hình 3.8-a Đặc tính cơ N-T

39

Hinh 3.8-b Họ các đường đặc tính N-T

40

Hình 3.8-c Đặc tính điện

40

Hình 3.8-d Đặc tính cơ điện

41

Hình 3.9: Sơ đồ tạo tín hiệu tốc độ góc mẫu

42


vii

Hình 3.10: Tín hiệu điện áp cung cấp cho động cơ

43

Hình 3.11: Tốc độ góc của động cơ

43

Hình 3.12: Giao diện nhận dạng đối tượng

44

Hình 3.13: Giao diện nhận dang sau khi nhập dữ liệu mẫu

45

Hình 3.14: Giao diện nhận dạng sau khi chọn Preprocess

45

Hình 3.15: Tín hiệu gốc và mới

46

Hình 3.16: Di chuyển dữ liệu mydatad vào Working Data

47

Hình 3.17: Bộ dữ liệu mydatade và mydatadv

47

Hình 3.18: Dữ liệu mydatade và mydatadv

48

Hình 3.19: Di chuyển mydatade và mydatadv vào vùng làm việc

49

Hình 3.20: Giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt

50

Hình 3.21: Hàm truyền đạt sau khi ước lượng

51

Hình 3.22: Hàm truyền đạt

52

Hình3.23: Mơ hình động cơ điện một chiều

53

DANH MỤC BẢNG
Nội dung bảng

Trang

Bảng 3.1 Các thông số của acrobot

25

Bảng 3.2 Các thông số của acrobot thực

30


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước đang bước vào thời kỳ
công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và những
khó khăn thách thức lớn. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành
tự động hóa đã có những bước tiến quan trọng. Quá trình đó góp phần khơng
nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ
đồng đều về chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc
của con người, đặc biệt trong một số cơng việc có độ an tồn thấp hoặc có
tính độc hại cao. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ nhân tương lai của
đất nước những nhiệm vụ nặng nề.
Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung
và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến
đổi từng ngày. Để đáp ứng được những yêu cầu đó, chúng em những chủ
nhân tương lai của đất nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chun
mơn của mình trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp một cách đúng đắn
và sâu sắc.
Acrobot là một ví dụ tiêu biểu cho các hệ thống hụt (số đầu vào điều

khiển nhỏ hơn bậc của mơ hình). Đây là một hệ thống phi tuyến và rất khó
điều khiển, có thể sử dụng làm đối tượng thử nghiệm cho các thuật toán điều
khiển phi tuyến mới. Thấy được tầm quan trọng đó, tơi đã chọn đề tài: “Nhận
dạng hệ thống acrobot ”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo một hệ thống acrobot trong phịng thí nghiệm.
- Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống acrobot.


2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Mơ hình tốn của acrobot.
- Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng cho acrobot.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phục vụ việc nghiên cứu trong phịng thí nghiệm tại Trường Đại học Kỹ
thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt. Đây là một hệ thống
phi tuyến rất khó điều khiển. Có thể sử dụng hệ thống này như một đối tượng để
thử nghiệm các lý thuyết điều khiển điển kinh điển cũng như lý thuyết điều
khiển mới.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Hệ acrobot là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: Xe hai bánh
tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, cơng trình biển…
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống acrobot.

- Xác định tham số của mơ hình cho hệ thống acrobot.
5.2. Phương pháp thực nghiệm
- Xác định các thông số cơ, điện của acrobot như hệ số ma sát, mô men
quán tính, chiều dài và khối lượng của các thanh và khớp.


3

- So sánh đầu ra của mơ hình tốn với đầu ra thực của acrobot để kiểm
nghiệm độ chính xác của mơ hình.
6. Các cơng cụ, thiết bị cần thiết cần thiết cho nghiên cứu
- 1 máy tính.
- Phần mềm Matlab/Simulink.
- 1 động cơ chấp hành.
- 2 cảm biến đo tốc độ và góc.
- 1 card Arduino hoặc tương đương.
- Các thiết bị hỗ trợ thiết kế và chế tạo acrobot phần cơ khí.


4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT

1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Sơ lược quá trình phát triển
Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng
dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà
nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa
đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử
dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành trình.

Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đơi sử dụng động cơ
servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành
quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong
công việc khảo sát đáy biển. Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General
Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m,
nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có cơng suất gắn 100 mã lực. Cũng
trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được
vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1
được điều khiển từ trái đất.
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện
Cơng nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol
đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một
thiết bị do ơng phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.
Joseph Engelberger người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot
công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của
Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương
trình. Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng
General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã


5

được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của
Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả.
Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot cơng nghiệp có hình dạng
của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đơi khi ta gặp thuật ngữ người
máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot, một
cánh tay cơ khí khác xa với robot, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích
to lớn.
1.2. Những ứng dụng điển hình của robot.

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp:
Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun
sơn:
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn
kim loại ở nhiệt độ cao. Các cơng việc này địi hỏi cơng nhân di chuyển phơi
có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng
công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó
khăn đối với ngành cơng nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để
thay thế công nhân làm việc trong
điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn.
Đối với robot thì nhiệt độ cao lại khơng đáng sợ.
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng
robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di
chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng
vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được
lập trình trước.
Sơn là một cơng việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con
người, nhưng lại hồn tồn khơng nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con
người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành
mộtthợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ


6

trong vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức
tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất
và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi
trường độc hại. Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên
nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi
lại; và khi robot thực hiện cơng việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi

đã được định sẵn đó. Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người
thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự phát
triển một loại tay robot dạng ‘vịi voi’ có độ linh hoạt cao.
Ứng dụng robot trong lắp ráp:
Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn
toàn, ở đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính,
khơng có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình
dung một mơi trường sản xuất tự động hồn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm
các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật
liệu, lập ra chương trình gia cơng, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong
nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự
động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động.
Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được
đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy
lớn hiện đại đều áp dụng mơ hình tự động hố hồn tồn, đặc biệt là phần
thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại
chính là liên kết các tầng với nhau. Một khó khăn khác là nhu cầu phương
pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mơ hình máy tính của sản phẩm. Sự phát
triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản
để ứng dụng robot trong lắp ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ,
nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng
lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt,


7

lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên. Việc lắp ráp
còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia,
đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay hun keo,
v.v... Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong

cơng đoạn lắp ráp hay không. Trong thực tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo
léo thì người cơng nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn.
Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất.
Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động
hố hồn tồn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và cịn có khả
năng hiệu chỉnh các cơng việc của mình, hầu như ở đây khơng cần sự giúp đỡ
của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Chỉ với vài
người giám sát cơng việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm;
các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản
xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm
vào kho.
Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên
các dây chuyền hiện đại. Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất
phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số
lượng không lớn. Robot khơng phải lúc nào cũng thích hợp với những cơng
việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách
trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có
khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với
nhiều dạng công việc khác nhau.
1.3. Phân loại robot
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản
nhất của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Có 4 yếu tố chính để
phân loại robot như sau: Phân loại theo dạng hình học của khơng gian hoạt


8

động, phân loại theo thế hệ robot, phân loại theo bộ điều khiển, phân loại theo
nguồn dẫn động.
Ví dụ: Phân loại theo dạng hình học của khơng gian hoạt động.

Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối
tượng thao tác được cho trước trong khơng gian làm việc cần phải có ba bậc
chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh
tiến và khớp quay loại 5). Những robot công nghiệp thực tế thường không sử
dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của
tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử
dụng đến bốn bậc chuyển động định vị. Robot được phân loại theo sự phối
hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng
thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt
động của robot được gọi là không gian làm việc.
- Robot toạ độ vng góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc
chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vng
góc.
- Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm
hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay.
- Robot toạ độ cầu (spherical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm
một trục tịnh tiến và hai trục quay.
- Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm
ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA.


9

2. TỔNG QUAN VỀ ACROBOT
Acrobot là rô bốt phẳng, hai bậc tự do nhưng chỉ có khớp thứ hai được
điều khiển như hình 1. Các thơng số như chiều dài, khối lượng, vị trí trọng
tâm và mơ men qn tính của các thanh (link) trong hình 1 được giải thích cụ
thể trong phần 3.2.1. Hệ phương trình động lực học của acrobot là một hệ phi
tuyến có hai bậc tự do, một đầu vào điều khiển và hai đầu ra. Vấn đề đặt ra là
tìm thuật tốn điều khiển cho khớp thứ 2 để đưa acrobot từ điểm ban đầu bất

kỳ lên vị trí thẳng đứng và điều khiển duy trì nó ở trạng thái thẳng đứng cân
bằng khơng ổn định này.

y

x

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot
x – phương ngang
y – phương thẳng đứng
Thuật ngữ “Acrobot” được đưa ra tại Berkeley, ở đó những nghiên cứu
đầu tiên về điều khiển acrobot được thực hiện bởi Murray và Hauser [1]. Các
kết quả thử nghiệm đầu tiên cho Acrobot được thực hiện bởi Bortoff [2], kỹ


10

thuật giả tuyến tính đã được sử dụng để điều khiển acrobot kỹ thuật tuyến tính
giả đã được sử dụng để thiết kế cả quan sát và điều khiển để cân bằng
Acrobot cùng (không ổn định) cân bằng đa dạng của các cấu hình cân bằng.
Tác giả trình bày một thuật toán để xây dựng xấp xỉ với cả hai điều khiển phi
tuyến và chuyển đổi phối hợp theo đó một hệ thống phi tuyến đơn đầu vào có
một mơ hình tiếp tuyến tuyến tính độc lập của các điểm hoạt động của nó.
Nhóm R'emi và Loria [3] đã sử dụng mạng nơ ron để đễ xấp xỉ hàm với độ
chính xác cao để điều khiển acrobot.
Năm (1995), một thuật toán sử dụng năng lượng cho các acrobot được
đề xuất. Phương pháp này liên quan đến việc đặt các hệ thống acrobot trong
một quỹ đạo có điểm khơng ổn định, sử dụng một luật điều khiển PD và như
vậy không đảm bảo sự ổn định. Fantoni et al. (2000), Fantoni và Lozano
(2001) đã trình bày một chiến lược điều khiển đảm bảo cho pendubot với quỹ

đạo có điểm khơng ổn định sử dụng một phương pháp tiếp cận dựa trên năng
lượng và các thuộc tính thụ động. Một cách tiếp cận tương tự (Shiriaev và
Kolesnichenko 2000) được sử dụng bởi Shiriaevet ổn định pendubot ở vị trí
thẳng đứng của nó.
Gần đây, các nhà nghiên cứu (Xin và Kaneda 2002) đã trình bày một
chiến lược xoay lên dựa vào năng lượng cho acrobot.

Nhóm nghiên cứu Sam Duong Châu, Hiroshi Kinjo, Eiho Uezato, và
Tetsuhiko Yamamoto [4] đã nghiên cứu điều khiển tương tự cho acrobot
thơng qua máy tính. Scott và Kevin [5] đã phát triển bộ điều khiển thông minh
cho acrobot. Gần đây Mahindrakar và Banavar đã đề xuất một chiến lược điều
khiển cho acrobot dựa trên nguyên lý điều khiển con lắc ngược [6]. Tuy nhiên
các tác giả mới chỉ đưa ra một mơ hình tốn của acrobot và mơ phỏng hệ
thống điều khiển sử dụng nguyên lý điều khiển con lắc ngược. Tác giả Quân
[7] đã kiểm tra những kết quả trong bài báo [6] thông qua thiết kế bộ điều


11

khiển và mô phỏng trong Simuink/Matlab. Kết quả mô phỏng cho thấy có thể
áp dụng thuật tốn điều khiển trong [6] cho acrobot thực. Kết quả trong [7]
cho thấy điều kiện chuyển từ bộ điều khiển phi tuyến sang bộ điều khiển
tuyến tính lớn hơn so với [6], cụ thể là 0.5. Tác giả trên đã xây dựng một mơ
hình acrobot trong phịng thí nghiệm dựa vào mơ hình tốn trong [6]. Tuy
nhiên acrobot này cịn có nhiều hạn chế, khó có thể dùng làm mơ hình để thí
nghiệm.
Việc điều khiển các hệ thống hụt là một vấn đề mở và có được nhiều sự
quan tâm trong điều khiển, mặc dù có một số trường hợp đặc biệt ở đó các hệ
thống hụt được điều khiển, có tương đối ít các phương pháp tổng quát. Sự khó
khăn đó là hầu hết những vấn đề được quan tâm trong rô bốt hiện nay đều là

hụt cơ cấu chấp hành.
Các rô bốt có chân bị hụt cơ cấu chấp hành. Xét một rơ bốt có chân có
N khớp và N cơ cấu chấp hành. Nếu nó khơng được chốt xuống nền, thì các
bậc tự do của hệ thống bao gồm cả các khớp và 6 bậc tự do định nghĩa vị trí
và hướng của rơ bốt trong khơng gian. Vì số cơ cấu chấp hành là N nhỏ hơn
N+6 bậc tự do của hệ thống, các rơ bốt có chân là hụt cơ cấu chấp hành.
Tương tự các rô bốt bay, bơi và các cánh tay máy đều có thể xem là các hệ
thống hụt cơ cấu chấp hành.

Hình 1.2: Hệ thống hụt


12

Acrobot là một cánh tay máy hai thanh phẳng trong mặt phẳng thẳng
đứng với một cơ cấu chấp hành ở khớp 2 nhưng khơng có cơ cấu chấp hành ở
khớp 1. Lần đầu tiên nó được mơ tả chi tiết ở trong tài liệu số [16]. Một hệ
thống tương tự như vậy, nhưng có cơ cấu chấp hành ở khớp 1 nhưng khớp 2
khơng có cơ cấu chấp hành, và có tên gọi là Pendubot theo tài liệu [17].
Nhiệm vụ điều khiển thông thường nhất được nghiên cứu cho acrobot là dựng
ngược acrobot, trong đó hệ thống phải sử dụng mô men khớp 2 (hoặc khớp 2)
để dịch chuyển hệ thống thẳng đứng và sau đó là cân bằng.
Acrobot là đại điện cho thử thách chính trong các rơ bốt hụt. Để dựng
đứng và cân bằng toàn bộ hệ thống, bộ điều khiển phải tạo ra sự điều chỉnh và
khai thác sự tương tác phụ thuộc vào trạng thái giữa bậc tự do có chấp hành
và bậc tự do khơng có chấp hành. Nó là một hệ thống quan trọng, bởi vì nó rất
giống với một trong những mơ hình của rô bốt đi bộ.
Trong luận văn này, một mô hình acrobot trong phịng thí nghiệm sẽ
được xây dựng và các phương pháp nhận dạng sẽ được sử dụng để xác định
các tham số của mơ hình tốn của acrobot. Acrobot trong [7] sẽ được nâng

cấp với cấu trúc mới khả thi hơn cho quá trình nhận dạng và điều khiển.
Kết luận
Chương 1 đã tìm hiểu về sự phát triển của robot ,ứng dụng của robot và
phân loại của robot trong ngành cơng nghiệp. Tìm hiểu về sự phát triển của
Acrobot.


13

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT
2.1. Lựa chọn mơ hình ACROBOT
Trong việc thiết kế và chế tạo acrobot, đã có một số mơ hình acrobot
được chế tạo. Gần đây Hà Mạnh Quân [7] đã thiết kế và chế tạo ra một mơ
hình acrobot như hình 2.1.

Hình 2.1: Một hệ thống acrobot trong phịng thí nghiệm
Chúng ta thấy rằng đối với mơ hình này việc nhận dạng và điều khiển
nó rất khó khăn. Thanh 1 được thiết kế có dạng hình chữ T. Một đầu gắn động
cơ điều khiển khớp thứ 2 thông qua hệ thống dây đai và bánh, còn đầu kia gắn
một thiết bị đối trọng. Cho nên việc tính tốn các thơng số như là mô men và
tọa độ tâm của Thanh 1 rất khó khăn. Hệ thống acrobot này chưa phù hợp với
mơ hình tốn đã được chọn. Để khắc phục khó khăn này chúng tôi sẽ cải tiến


14

Thanh 1 bằng cách chế tạo Thanh một có dạng thẳng và đồng đều như Thanh
2 và khi đó động cơ sẽ được gắn với đầu cuối của Thanh 1. Như thế việc tính
tốn mơ men và trọng tâm của Thanh 1 sẽ đơn giản hơn là trường hợp chữ T.
2.2 Chế tạo mơ hình ACROBOT

Dựa trên ý tưởng ở trên, chúng tơi đã chế tạo mơ hình acrobot mới như
hình 2.2. Các thanh 1 và 2 ở đây đều có cấu tạo dạng hình trụ rỗng và được
làm bằng vật liệu là inox.

Mặt bên

Mặt trước

Hình 2.2: Hình ảnh của mơ hình Acrobot thực.
Do chúng ta gắn động cơ vào đầu cuối của Thanh 1, cho nên phải có
thêm hệ thống các giây nối giữa động cơ và card Arduino.


15

2.2.1. Thanh 1
Thanh 1 được làm bằng inox với kích thước và khối lượng như sau:
- Chiều dài của thanh: 0,24 m.
- Khối lượng của thanh: 0,04 kg.
Thanh 1 được gắn với 2 động cơ điện một chiều. Một đầu của Thanh 1
được gắn với trục của rotor của động cơ điện một chiều số 1 và đầu còn lại
được gắn với stator của động cơ số 2. Trục của động cơ số 2 sẽ được gắn với
Thanh 2.

Hình 2.3: Thanh 1 và 2 động cơ

Ở đây chỉ có động cơ số 2 là được điều khiển, còn động cơ số 1 chúng
ta chỉ sử dụng Encorder sẵn có của nó để đo tốc độ và góc của Thanh 1. Việc
sử dụng động cơ số 1 cho khớp thứ nhất sẽ giảm được việc phải thiết kế hệ

16

thống trục đỡ và cảm biến đo góc và tốc độ của Thanh 1. Động cơ này khơng
có hộp giảm tốc.
2.2.2. Encorder của động cơ số 1
Encoder có 448 xung và 2 kênh. Một kênh dùng để đo góc thuận và
một kênh dùng để đo góc ngược. Trên cơ sở số xung phát ra từ 2 kênh chúng
ta có thể xác định được góc và tốc độ của Thanh 1.

Hình 2.4: Encorder của động cơ số 1.
Ở phần sau chúng tơi sẽ tính tốn hệ số quy đổi từ xung về giá trị góc
và tốc độ của Thanh 1.
2.2.3. Động cơ số 2
Động cơ số 2 là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có gắn thiết bị
đo góc và tốc độ Encoder. Động cơ này sẽ được dùng để tạo moment quay
cho khớp 2.
Phần thân của động cơ được gắn với Thanh 1, còn trục động cơ được
gắn với hộp giảm tốc. Trục quay của hộp giảm tốc được gắn với Thanh 2.