Nhận dạng và điều khiển robot song song Delta bằng hệ suy luận mờ dựa trên mạng thích nghi

A.

PHẦN MỞ ĐẦU

TRANG 1


A. PHẦN MỞ ĐẦU

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên
gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962
và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart
vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên
cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường số chân
bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot
có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song
thường có khả năng chịu tải lớn.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều
lĩnh vực:
- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
- Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ.
- Ngành Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
- Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt

trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu ngầm.
Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo
laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến.
Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song nói chung và Robot
Delta nói riêng đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,
A.

PHẦN MỞ ĐẦU

TRANG 2


các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy
khai thác mỏ
Ưu điểm :
- Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của
các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tác động
đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu trúc động học một cách đặc biệt của
các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của
các chân.
- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác
cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ
cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy.
- Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
- Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và
khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng
và kích thước nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.

- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi
tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính
xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp
- Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển
tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên
thuyền và treo trên trần, tường
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn
so với máy CNC có tính năng tương đương.
Nhược điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh
với các Robot chuỗi như:
A.

PHẦN MỞ ĐẦU

TRANG 3


- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
- Bài toán điều khiển vị trí và tốc độ khá phức tạp.
Parallel Robot là chuỗi nhiều khâu khép kín cho nên nó hết sức đa dạng và
điều khiển rất phức tạp, để thực hiện một tác động điều khiển cho khâu động học
cuối, các khâu động học phải được điều khiển đồng thời. Đây là một đòi hỏi khó
khăn cho việc điều khiển Parallel Robot.
Để điều khiển Parallel Robot (PR- robot song song) hoạt động nhanh nhẹ và
chính xác thì không chỉ dựa vào bài toán động học thuận hay động học ngược, mà
phải dựa trên bài toán động lực học của robot để từ đó ta có thể xác định từng thời
điểm vận tốc của các khâu, các khớp là bao nhiêu là phù hợp nhất. Từ đó ta sẽ lựa

chọn phương pháp điều khiển thích hợp. Tuy nhiên, bài toán động lực học đối với
robot song song rất khó tìm ra được nên để điều khiển robot song song mà chưa biết
bài toán động lực học thì người ta sẽ dùng các phương pháp điều khiển hiện đại để
điều khiển robot như: Fuzzy logic (logic mờ), Neuron network (mạng thần kinh nơ
ron),
+ Phương pháp Fuzzy logic
Đối với phương pháp này thì người điều khiển phải hiểu rõ về quỹ đạo hoạt
động của robot song song và kết cấu cơ khí của robot thì mới đưa ra được hàm quan
hệ giữa các khâu và khớp một cách chính xác, từ đó mới xây dựng các luật điều
khiển “ Nếu thì ” chính xác.
Ưu điểm:
• Điều khiển bằng các luật đơn giản khi đã hiểu rõ hệ thống.
• Có khả năng “nhớ được quá khứ”.
• Tối ưu hóa quá trình học động của robot ở từng thời điểm.
Nhược điểm:
• Người điều khiển phải hiểu rõ hoạt động của robot và kết cấu cơ khí.
• Không dựa đoán trước được kết quả.
A.

PHẦN MỞ ĐẦU

TRANG 4


+ Phương pháp Neuron network
Bằng phương pháp cho robot học thì phương pháp mạng thần kinh nơ
ron không đòi hỏi người điều khiển phải nắm rõ hệ thống mà cũng điều khiển hệ
thống tốt.
Ưu điểm:
• Khả năng linh hoạt trong điều khiển hoạt động của robot.

• Loại bỏ được các thành phần phi tuyến và liên kết chéo trong robot.
• Dựa đoán trước được kết quả.
• Người điều khiển không cần hiểu rõ hoạt động của robot và kết cấu cơ
khí.
Nhược điểm:
• Các tham số phi tuyến thường không được ước lượng chính xác.
• Quá trình tính toán phức tạp đòi hỏi thời gian thực.
Từ những ưu nhược điểm của hai phương pháp trên, để điều khiển robot
song song hoạt động tốt hơn khắc phục được nhược điểm và phát huy được ưu điểm
của phương pháp logic mờ và mạng nơ ron, em chọn đề tài nghiên cứu là “Nhận
dạng và điều khiển robot song song Delta bằng hệ suy luận mờ dựa trên mạng
thích nghi”.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
o Tính toán bài toán động học thuận và nghịch của Delta robot.
o Tính toán bài toán động lực học của Delta robot.
o Kiểm tra động lực học của Delta robot là bài toán phi tuyến.
o Điều khiển vận tốc và vị trí của Delta robot bằng phương pháp điều nơ
ron- mờ.
o So sánh và đánh giá kết quả phương pháp điều khiển mạng nơ ron – mờ
với các phương pháp điều khiển kinh điển (PID) và các pháp điều khiển
hiện đại khác (Logic mờ, mạng thần kinh noron).
3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
o Nghiên cứu nhận dạng và điều khiển robot song song Delta ba bậc tự do.
A.

PHẦN MỞ ĐẦU

TRANG 5

o Tính toán động học, động lực học, mô phỏng vùng làm việc của robot
trên mặt phẳng 2D.
o Điều khiển vị trí của Delta robot bằng phương pháp điều khiển mờ dựa
trên mạng thích nghi.
4. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
4.1. Phương pháp
• Tìm hiểu ứng dụng của Delta Robot trong thực tế.
• Phân tích kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động của Deta Robot ở
phòng OpenLad của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Bình Dương.
• Tìm các thông số điều khiển của Delta Robot.
• Nghiên cứu giải thuật điều khiển mờ dựa trên mạng thích nghi.
• Mô phỏng giải thuật điều khiển trong Matlab.
4.2. Phương tiện
• Tài liệu từ các bài báo về Delta robot.
• Tài liệu sách, phim ảnh từ Internet.
• Mô hình Delta robot của phòng OpenLab.
• Các phần mềm thiết kế cơ khí và mô phỏng Delta robot.







CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 6


PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ
ĐIỀU KHIỂN
1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG
1.1.1. Cấu trúc cơ cấu
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc
vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động,
từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn
trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động
học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác
nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động
lực học.
1.1.2. Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song
Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.
Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên cứu
các cơ cấu, Robot được dễ dàng và đơn giản hơn. Tuy nhiên, với các cơ cấu tốc độ
cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể
và chúng ta phải xét đến.
Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu.
Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu. Bề
mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp. Hai thành phần
khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp
cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc.
- Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt.
- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 7

Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ
cấu máy và các Robot, đó là:
- Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của
khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Nghĩa là khớp quay hạnchế 5 khả
năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do . Khớp quay
thường được gọi là khớp quay bản lề.
- Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên nhau theo
một trục. Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai
khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến.
- Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập, gồm
một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục quay. Do đó,
khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do.
- Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục đồng
thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển
động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối
hai khâu và còn lại một bậc tự do.
- Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động quay giữa
hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển
động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này. Do đó, khớp cầu hạn chế 3 khả năng
chuyển động và có ba bậc tự do.
- Khớp phẳng (Plane Joint - E): Cho hai khả năng chuyển động tịnh tiến theo
hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt
phẳng tiếp xúc. Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba bậc tự do.
- Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): Cho hai bánh răng ăn khớp với
nhau. Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau. Do đó, khớp
bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần
khớp, còn lại hai bậc tự do.
- Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, hai

thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự do.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 8


Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các khớp
thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao.
Chuỗi động: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. Robot
nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín. Chuỗi
động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định. Trong cơ cấu có
thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trước.
Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác sẽ
phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển
động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác.
Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực
và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng hoặc
dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu. Để cơ cấu
này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hóa
và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát,
phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù
máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy, do không
thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động.
1.1.3. Bậc tự do của Robot cấu trúc song song
Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn vào
A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động
tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động
tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối .
Các khả năng chuyển động độc lập là :
- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz.

- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz kí hiệu là R
x
, R
y
, R
z.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 9



Hình 1.1 Các khả năng chuyển động tương đối giữa các vật thể
(Nguồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)
Định nghĩa : Bậc tự do của cơ cấu là thông số độc lập tuyến tính cần thiết
hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định được các biểu thức tổng
quát về số bậc tự do của robot theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu .
Để thống nhất cho việc tính toán cho việc tự do của cơ cấu, ta sử dụng ký hiệu sau:
: số ràng buộc của khớp i
F: số bậc tụ do của cơ cấu
: số chuyển động tương đối được phép của khớp i, j
Số khớp trong cơ cấu .
: số khớp với i bậc tự do.
L : số vòng độc lập trong của cơ cấu.
n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định.
λ : số bậc tự do trong không gian lam việc của cơ cấu .
Ta giả thiết tất cả các khớp đều là 2 chiều, khớp 3 chiều được coi là 2 khớp
hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp hai chiều , ngoai ra còn giả thiết một
giá trị λ được dùng cho tất cả các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động,

chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối với cơ cấu không
gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu .
Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu hoạt
đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 10


của cơ cấu là n khớp vói một khớp cố định sẽ bằng λ(n 1). Tuy nhiên tổng các rằng
buộc của các khớp bằng
Do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:
f = λ(n 1)
(1.1) (1.1)
số ràng buộc của một khâu và sô bậc tự do của khâu đó , bằng thông số chuyển
động λ do đó .
λ = +
(1.2)

do tổng các ràng buộc của các khâu là :
= j*λ -
(1.3)
Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1)
f = λ(n – j – 1 ) (1.4)
phương trình (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach.
theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc tại các
khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay co
trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu bậc tự do này gọi
là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục được xác định
từ 2 khớp đó. Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc mô men và chuyển

động cho các khâu khác , nhưng nó không có khả năng truyền mô men cho trục chủ
động. Nói chung, các khâu hai chiêu với các cặp S – S, S – E, E – E đều có bậc tự do
thụ động, bảng 1.1 thống kê sự phối hợp các khâu loại hai chiều với các khâu S – S, S
– E, E– E với các khớp cuối cùng của chúng có một bậc tự do.
Bảng 1.1- Các loại khâu hai chiều với các khớp cuối cùng của chúng
STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa)
1
S S
Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu.
2
S E
Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 11


mặt
3
E E
Trượt dọc trục song song với giaotuyến tạo bởi các mặt
phẳng của khớp phẳng. Nếu hai mặt phẳng này song song
sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa ).
Bậc tự do thụ động không thể truyền mô men và chuyển động cho trục thụ
động. khi có một loại khớp loại này tồn tại trong cơ cấu , cần trừ đi một bậc tự do từ
phương trình tính bậc tự do. Giả sử, f
p
là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì số bậc
tự do chủ động trong cơ cấu là:
f = λ(n – j 1 )

Hình 1.2 Cơ cấu không gian Stewart – Gough
(Nguồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)
Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động được nối với đế cố định bởi
sáu chân trượt thông qua các khớp cầu. mỗi chân được tạo thành từ hai khâu và được
nối với nhau bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này gọi là cấu trúc S P – S . Do sựu phối
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 12


hợp S P – S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa từ hình vẽ ta có: λ = 6,n =14 , j
i

=6, j
3
= 12, f
p
=6 số bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trinh (1.5):
f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6
sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá trị λ
. cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấu được
xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này. Đặc biệt λ =
3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. với cơ cấu không gian thì λ = 6.
Nói chung tiêu chuẩn Grubler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do. Nếu f = 0 cơ
cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định. Nếu f <0 cơ cấu sẽ
có số ràng buộc thừa. Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn
Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính linh động
cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớp phát

động phải được chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác đọng cuối phải được điều
khiển theo yêu cầu. Nói chung số khớp phát động bằng số bậc tự do của cơ cấu, vị trí
của khớp phát động phải được chọn sao cho chúng có thể tao thanh một tập hợp các
tọa độ độc lập. Nếu số lượng khâu phát đọng nhỏ hơn số bậc tự do thì chuyển động
của khâu này phải theo tọa độ tương ứng các ràng buộc động học của chúng. Một
robot có bậc tư do dư thi điều khiển được linh hoạt hơn.
1.1.4. Các bài toán cơ bản về robot
Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý
thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot. việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là
nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công
tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công tác lập trình và
tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng
lượng lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ thông cơ khí. Việc
nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động học và động lực học.
1.1.4.1. Động học
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 13


Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến
nguyên nhân gây ra chúng như là lực và mô men. Sự thay đổi các khâu của robot
liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng với sụ ràng buộc của các
khớp. những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot.
Bài toán động học được chia thanh hai dạng: bài toán động học thuận và
bàitoán động học ngược.
Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâu
dẫn,yêu cầu lập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối
cùng cũng như khâu trung gian bất kỳ.
Bài toán động học ngược: từ yêu cầu về vị trí và hướng, vận tốc và gia tốc của

khâu tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó .
(bài toán động học ngược).
1.1.4.2. Động lực học
Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực,
trọng tải và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot vẫn là vấn đề
rất phức tạp và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu.
1.1.5. Phân loại robot
Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc
động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc tính
chuyển động…
1.1.5.1. Phân loại theo số bậc tự do
Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tưởng,
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không
gian ba chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot dư có hơn 6
bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do. Robot dư có thêm một bậc tự do để
di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các không gian hẹp. Mặt
khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp các chi tiết trên mặt
phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 14



Hình 1.3 Robot Fanuc 4 bậc tự do

Hình 1.4 a. Tay máy REVOLUTE Hình 1.4 b. Tay máy POLAR

Hình 1.5.a Tay máy CYLINDRICAL Hình 1.5.b Tay máy CARTERSIAL

Hình 1.6 Tay máy SCARA
(Nguồn: Tổng quan về robot có cấu trúc song song và phân loại)
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 15


1.1.5.2. Phân loại theo cấu trúc động học
Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng
hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗi vòng hở và
vòng kín.
* Phân loại theo hệ thống truyền động
Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén được dùng cho
robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ
động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên, khi cần tốc độ cao và khả
năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén. Nhược điểm
của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu. Ngoài ra, truyền động khí nén có
tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều
khiển do không khí là lưu chất nén được .
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển
chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng
một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của
khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối
tiếp qui ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động
không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực
tiếp.
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm
quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánh răng trong
hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vi trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền động
trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp

hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng. Do đó,
chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động
cơ được lắp ở đế. Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở đế để truyền động
khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để
truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 16


qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp
hành kiểu đó được gọi là vòng kín.
*Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:
Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không
gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về
không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian
trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai
là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới
từng điểm theo mọi chiều có thể. Không gian linh hoạt là một phần của không gian
có thể với tới.
Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối
tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại. Do đó ba khâu này
được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển
hướng của đầu tác động. Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu
còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6,
cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thường
được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được gọi là tâm cổ tay.
Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác
nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất robot

cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm việc. Tay máy được gọi
là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của robot Decartes được thay bằng
khớp quay.
Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và
khớp thứ ba là khớp lăng trụ (tay máy SCARA). Vị trí tâm cổ tay của robot cầu là
tập hợp các tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối. Do đó không gian làm việc
robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay. Không
gian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều
robot công nghiệp là loại robot quay(tay máy REVOLUTE).
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 17


Robot Song Song Delta
Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL) đã nảy ra một ý
tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành để tạo ra một robot song song có ba
bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay như hình 1.7. Không như một số bài báo
đã xuất bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải
bắt chước từ cơ cấu song song đã được Willard L. Polard đăng ký bản quyền vào
năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L. Polard cũng không hề biết đến giáo sư
Clavel. Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot
song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới.
Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award do
hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạt động sáng tạo
của ông về robot song song Delta.

Hình 1.7 Sơ đồ robot delta.
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)

Thiết kế của robot Delta:
Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành. Các
hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 18


vào. Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy
trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với
các cánh tay quay bằng các khớp quay. Các khớp quay của tay quay được truyền
động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng
các bộ tác động tuyến tính. Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để chuyển truyền
chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển.
Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ cho
phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm và 12
G trong các ứng dụng công nghiệp. Chính điều này làm cho robot Delta trở thành
một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối tượng nhẹ
(từ 10 gr đến 1 kg). Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờ tròn,
nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng làm việc hình trụ với
đường kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m.

Hình 1.8 Robot Delta
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)
Demaurex cũng cấp giấy phép cho một công ty Nhật Bản có tên là Hitachi Seiki
được quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (sản phẩm có tên
là DELTA) và khoan (PA35). Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện của
Demaurex tại Nhật Bản.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 19



Hình 1.9 Robot IRB 340 FlexPicker
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)
ABB Flexible Automation đã giới thiệu các robot Delta của mình vào năm
1999, đó là robot có tên IRB 340 FlaxPicker. Ba phân khúc thị trường mà họ hướng
tới là các ngành công nghiệp thực phẩm, dược và điện tử. PlexPicker được trang bị
hệ thống chân không được tích hợp luôn vào robot, có khả năng nhấc và nhà nhanh
đối với các vật có khối lượng đến 1 kg. Robot được dẫn hướng bởi một thiết bị quan
sát của hãng Cognex và được trang bị bộ điều khiển ABB S4C. Robot cũng có thể
được trang bị một bộ điều khiển chuyển động và hệ thống quan sát của hãng Adept
Technology. Vận tốc mà robot này đạt được khoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng
150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lên đến 100 m/s
2
và 1,2 rad/s
2
. Robot này
có tới 2 phiên bản.
Sau hơn 15 năm giữ vai trò chủ đạo trên thị trường, Demaurex đột nhiên phải
đối diện với quyết định của ABB gia nhập vào thị trường robot loại này. Demaurex
đã thay đổi dòng sản phẩm từ các robot Delta rời rạc chuyển sang sản xuất các cụm
robot hoàn chỉnh. Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIG Pack Systems giới
thiệu là C23, C33 (do Demaurex sản xuất) và CE33 (do SIG Pack Systems sản
xuất).
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 20

Hình 1.10 C33 và CE33
(Nguồn: Delta Parallel Robot — the Story of Success)
1.2 CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG
1.2.1 Fuzzy logic điều khiển robot song song 3 bậc tự do (Nguồn: Fuzzy
Control of a 3 Degree of Freedom Parallel Robot):
Fuzzy logic (FZ- logic mờ) là kỹ thuật điều khiển hiện đại, nó thích hợp cho
các đối tượng điều khiển không xác định được các phương trình toán học hoặc
phương trình trạng thái đối với các hệ thống điều khiển phức tạp ví dụ như: nhiều
thông số hệ thống thay đổi theo thời gian, không tìm được các thông số của mô hình
hoặc hệ thống có độ phi tuyến cao. Để thiết kế được một hệ điều khiển mờ thì người
điều khiển cần quan tâm: luật điều khiển, kết cấu cơ khí của đối tượng, tập mờ, tập
giải mờ, dữ liệu ngõ vào và ngõ ra. Hình 1.12 thể hiện mô hình điều khiển robot
Isoglide3 bằng hệ logic mờ.

Hình 1.11 Mô hình robot song song Isoglide3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 21









Hình 1.12 Mô hình điều khiển robot song song Isoglide3 bằng Fuzzy logic

a. Hàm thành viên ngõ vào b. Hàm thành viên ngõ vào
Hình 1.13 Hàm thành viên ngõ vào và ngõ ra của khâu 1

a. Dạng sóng lực tác động của khâu 1 b. Fuzzy logic mô phỏng tracking error
Hình 1.14 Fuzzy logic điều khiển robot Isoglide3 về lực và tracking error
BÀI
TOÁN
NGHỊCH
FZ

KHÂU 1




Robot
KHÂU 2
KHÂU 3
FZ

FZ

x
p
y
p
z
p
q

1
q
2
q
3
e
1
e
2
e
3
y

u
1
u
2
u
3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 22



a. Quỹ đạo chuyển động của robot b. Mô phỏng chuyển động 3D của robot
Hình 1.15 Mô phỏng chuyển động của robot song song Isoglide3
1.2.2 PID mờ điều khiển tay máy song song Stewart 6 bậc tự do (Nguồn:
Fuzzy Logic Tuned PID Controller for Stewart Platform Manipulator):
Robot song song Stewart 6 bậc tự do có độ cứng vững cao và hoạt động

chính xác hơn so với các robot nối tiếp. Bộ PID được xem như một giải pháp đơn
giản để điều khiển các hoạt động của robot song song. Việc thiết kế bộ PID kinh
điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish … Ngày nay
người ta thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầm mềm), một
phương pháp phổ biến để hiệu chỉnh PID mềm là kỹ thuật điều khiển PID mờ. Hình
1.17 thể hiện sơ đồ điều khiển tay máy song song 6 bậc tự do Stewart bằng PID mờ.

Hình 1.16 Mô hình của robot song song Stewart
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 23







Hình 1.17 Mô hình PID mờ điều khiển một chân của robot Stewart

a. Hàm thành viên ngõ vào E b. Hàm thành viên ngõ vào ER
Hình 1.18 Hàm thành viên ngõ vào của bộ điều khiển mờ

a. Quỹ đạo chuyển động của robot b. Mô phỏng sai số chuyển động của robot
Hình 1.19 Mô phỏng chuyển động của robot song song Stewart
Các chân
i của
robot
Stewart
PID

Fuzzy
logic

q
id
e
i
q
i
C

d/dt

Hồi tiếp từ
các chân khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 24


1.2.3 Điều khiển tay máy song song 3-PRS bằng mạng nơ ron (Nguồn: A 3-
PRS Parallel Manipulator Control Based on Neural Network):
Mạng nơ ron thích hợp để giải quyết bài toán động học thuận của robot 3-
PRS với các biến khớp phức tạp và phi tuyến. Hình 1.21 Mô hình điều khiển tay
máy song song 3-PRS bằng mạng nơ ron.

Hình 1.20 Mô hình của tay máy song song 3-PRS

Hình 1.21 Mô hình điều khiển tay máy song song 3-PRS
Mạng
nơ ron

X
d
(t)
e(t)
-

d/dt

K

J(X)

ʃ
X(t)

+

+

+

Ẋ
d
(t)
Ẋ(t)
ḋ d
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG VÀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

TRANG 25



Hình 1.22 Cấu trúc của các lớp trong mạng nơ ron (sử dụng từ 9-11 lớp ẩn trong
mô hình huấn luyện).

Hình 1.23 Sai số của việc huấn luyện

Hình 1.24 Kết quả chuyển động của tay máy 3-PRS