Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động tay máy hai bậc tự do

1

LỜI NÓI ĐẦU
Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu năm 1921 để chỉ một nhân vật viễn
tƣởng có khả năng làm việc mềm dẻo nhƣng khỏe gấp nhiều lần con
ngƣời.Nhân vật đó đã thực hiện vào năm 1960 và năm 1961. Robot công
nghiệp đã đƣợc ứng dụng trong công nghiệp, trong dây chuyền sản xuất với
mức độ tự động hóa cao. Robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng trong
việc giảm cƣờng độ lao động cho ngƣời lao động, tăng năng xuất và độ chính
xác gia công, góp phần tăng chất lƣợng, số lƣợng, giảm giá thành sản phẩm.
Luận văn với đề tài: “ Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển
chuyển động tay máy hai bậc tự do” có nội dung phân tích, thiết lập mô
hình toán học, phân tích cấu trúc điều khiển mờ, mô phỏng hệ thống tay máy
hai bậc tự do trên Matlab – Simulink.
Luận văn đƣợc trình bày thành 4 chƣơng đƣợc xắp xếp theo trình tự hợp
lý, có nội dung cơ bản trong lĩnh vực robot công nghiệp. Trình tự nhƣ sau:
Chƣơng I – Robot và các ứng dụng của robot trong công nghiệp: Trình
bày một cách tổng quan về lịch sử phát triển, các đặc tính của robot và ứng
dụng của robot trong công nghiệp.
Chƣơng II – Phƣơng trình động lực học robot : Trình bày phƣơng trình
động học thuận robot, phƣơng trình động học ngƣợc robot, phƣơng trình động
lực học robot
Chƣơng III – Một số phƣơng pháp điều khiển robot : Trình bày về các
phƣơng pháp điều khiển robot truyền thống và điều khiển thông minh. Trình
bày tổng quan về điều khiển mờ và ứng dụng trong điều khiển.
Chƣơng IV – Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động
của tay máy hai bậc tự do và mô phỏng
2

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về những hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo hƣớng dẫn Ths.Nguyễn Đức Dƣơng. Em xin cảm ơn các thầy cô

trong Khoa Điện – Điện Tử - Trƣờng ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp
bạn bè và gia đình đã đóng góp động viên em hoàn thành luận văn này.
Tuy đã dành rất nhiều thời gian để thực hiện, nhƣng do kiến thức còn
hạn chế, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em xin chân thành
cảm ơn và mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô.
Hà Nội, ngày 16 tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Lê Văn Tuyển









3

CHƢƠNG I: ROBOT VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA
ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. ROBOT CÔNG NGHIỆP
Do nhu cầu nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm ngày càng đòi
hỏi ứng dụng rộng rãi các phƣơng tiện tự động hoá sản xuất.Xu hƣớng tạo ra
những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành.
Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một
việc nhất định trong lúc thị trƣờng luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về
chủng loại, về kích cỡ, và về tính năng v.v…Điều này dẫn đến nhu cầu ứng
dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.

Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học
của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek.Trong đó ông đã mô tả một
nhân vật có thể ứng xử nhƣ con ngƣời, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con
ngƣời, nhƣng không có cảm tính, cảm giác nhƣ con ngƣời. Sự phát triển phát
triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó.
Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa
là hai công nghệ quan trọng trong sự phát triển của robot. Điều khiển đƣợc
phát triển cho máy công cụ vào cuối năm 1940, đầu năm 1950. Năm 1952,
Viện Massachusetts (MIT, Mỹ) đã trình diễn máy phay ba trục điều khiển số.
Lĩnh vực điều khiển từ xa lien quan đến việc sử dụng cơ cấu điều khiển xa
(Teleoperator). Đó là một cơ cấu cơ khí thực hiện chuyển động ở khoảng cách
xa dƣới sự điều khiển của con ngƣời. Các cơ cấu tự động này đƣợc chế tạo và
sử dụng để mang vác các vật chất độc hại nhƣ chất phóng xạ vào những năm
1940.
Robot đƣợc định nghĩa các khía cạnh khác nhau. Robot đƣợc coi là một
tay máy có một vài bậc tự do, có thể đƣợc điều khiển bằng máy tính. Một
định nghĩa khác về robot công nghiệp hiện nay đƣợc chấp nhận là: Robot
4

công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình đƣợc và có thể thực hiện
những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp từ
con ngƣời. Hiệp hội những nhà chế tạo – nhà sử dụng đƣa ra định nghĩa robot
nhƣ sau: Robot là một thiết bị có thể thực hiện các chức năng bình thƣờng
nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh để có đƣợc trí
tuệ nhƣ con ngƣời. Trong Bách khoa toàn thƣ mới (phiên bản 7.0 1995) viết:
“ Robot có thể định nghĩa là một thiết bị điều khiển hoàn toàn bao gồm các bộ
phận điện tử, cơ khí…”
Các xu thế phát triển Robot công nghiệp
- Trong giai đoạn đầu phát triển ngƣời ta rất quan tâm đến việc tạo ra
những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, đƣợc trang bị nhiều loại cảm biến

(sensor) để có thể thực hiện đƣợc những công việc phức tạp.
- Khi tìm đƣợc các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp thì đơn giản hóa
kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tƣ lại là những yêu
cầu thực tế đối với thì trƣờng hàng hóa cạnh tranh. Ngày càng có nhiều cải
tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của thiết
bị điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình.
- Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp nhằm thay thế
lao động nhiều loại công việc ngày càng rõ nét về xu thế tăng cƣờng khả năng
nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trƣờng làm việc, các thành tựu khoa học và
tiến bộ kỹ thuật xử lý ảnh…
- Cùng với các xu thế trên, robot công nghiệp luôn luôn đƣợc định hƣớng
tăng cƣờng xử lý công việc để trở thành các robot tinh khôn nhờ các kết quả
nghiên cứu về hệ điều khiển Nơ ron, điều khiển mờ và trí khôn nhân tạo…
Robot hiện đại là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển số và cơ cấu tự
động điều khiển từ xa. Thực vậy, robot là một cơ cấu cơ khí với chuyển động
đƣợc điều khiển bằng lập trình tƣơng tự nhƣ đã sử dụng trong các máy điều
khiển số. Cyril Walter Kenward (Anh) là một nhà phát minh đầu tiên đã dăng
5

ký bản quyền cho thiết bị robot vào tháng 3/1954 và phát minh của ông đƣợc
thực hiện vào những năm 1957. Ngƣời thứ hai là nhà phát minh George
C.Devol (Mỹ) đã có hai phát minh góp phần vào sự phát triển của robot hiện
đại ngày nay. Đó là một thiết bị ghi các tín hiệu điện bằng từ hóa và sử dụng
cho điều khiển các máy. Thiết bị này đƣợc chế tạo và công bố vào những năm
1952. Phát minh thứ hai là “ Thiết bị truyền bài báo đƣợc lập trình” đƣợc
công bố vào năm 1961. Với sự hợp tác nghiên cứu của Joseph Engelberger là
chủ tịch Công ty Unimate và G.C.Devol, robot Unimate là robot công nghiệp
đầu tiên đƣợc sản xuất trên thị trƣờng năm 1962 ở Mỹ.
Những năm sau đó, nhiều đóng góp giá trị về ngôn ngữ lập trình cho
robot đã dánh dấu những bƣớc phát triển quan trọng của robot hiện đại. Đó là

công trình nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng cho robot của
viện nghiên cứu robot Stanford: Ngôn ngữ thực nghiệm WAVE (1973) và
ngôn ngữ AL (1974). Ngôn ngữ VAL của công ty Unimate là ngôn ngữ lập
trình robot thƣơng mại đầu tiên.
1.2. CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH ROBOT CÔNG NGHIỆP
Một robot thƣờng có bốn phần chính:
- Tay máy
- Bộ phận dẫn động
- Bộ phận điều khiển
- Cảm biến
1.2.1. Tay máy
Tay máy công nghiệp là bộ phận cơ khí quan trọng đóng vai trò bộ phận
chấp hành của robot. Tay máy giống bàn tay con ngƣời nên nó có các bộ phận
chính nhƣ sau:
- Cánh tay robot
- Khớp robot
6

- Bàn tay robot
- Khuỷa tay và cẳng tay
- Bậc tự do của robot
- Bàn tay robot
- Cơ cấu kẹp
Cánh tay đƣợc nối với chân đế bằng khớp vai, còn bàn tay nối với cánh
tay bằng khớp cổ tay. Nhƣ vậy, giữa bàn tay và chân đế có nhiều khâu và
khớp trung gian, số lƣợng và các khâu và khớp để tạo nên một tay máy tùy
thuộc vào chức năng, nhiệm vụ của robot mà cấu tạo của tay máy cũng rất
khác nhau.
Vì thế, tay máy có thể là một cơ cấu phẳng hay không gian. Tay máy có
nhiều bậc tự do có khả năng thực hiện các thao tác trong mặt phẳng hoặc

không gian với một phạm vi nhất định. Không gian hoạt động của tay máy
còn đƣợc gọi là trƣờng hoạt động của tay máy.
Tùy thuộc vào yêu cầu từng loại robot mà ngƣời ta thƣờng đƣa ra các
thông số kỹ thuật để đánh giá khả năng hoạt động của robot. Một số thông số
cơ bản thƣờng gặp của robot:
- Tải trọng: khả năng mang tải của robot
- Trƣờng hoạt động của robot: là phạm vi không gian mà khả năng robot
có thể với tới
- Độ phân giải không gian: là khả năng dịch chuyển bé nhất của các khớp
bao gồm các dịch chuyển về góc quay và chuyển dịch tịnh tiến
- Độ chính xác: là khả năng robot có thể đạt đƣợc.
1.2.2. Bộ phận dẫn động
Bộ phận dẫn động của robot thông thƣờng là các động cơ:
- Động cơ điện một chiều
- Động cơ điện xoay chiều
- Động cơ bƣớc
7

- Động cơ khí nén và thủy lực
Động cơ khí nén và thủy lực sử dụng trong các trƣờng hợp yêu cầu công
suất lớn, tốc độ chậm mà các loại động cơ điện không đáp ứng đƣợc.
Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống dẫn động robot bằng thủy lực thì kết
cấu robot khá cồng kềnh và phức tạp hơn so với dùng động cơ điện.
1.2.3. Bộ phận điều khiển
Để điều khiển các hoạt động của robot, bộ điều khiển robot giữ vai trò
quan trọng nhƣ bộ não của con ngƣời. Bộ phận điều khiển thƣờng đƣợc thực
hiện thong qua một hệ thống các chƣơng trình điều khiển – mỗi chƣơng trình
đảm nhiệm một nhiệm vụ cụ thể. Tùy thuộc vào đặc điểm làm việc của từng
robot mà các chƣơng trình điều khiển nói trên đƣợc xây dựng khác nhau cho
phù hợp

Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ cung cấp một chuỗi logic cho chƣơng
trình vận hành tay máy. Ngoài ra bộ điều khiển còn có nhiệm vụ giải quyết
các bài toán lý thuyết cần cho mỗi bƣớc của chƣơng trình và lien tục đo đạc,
xử lý sai số giữa vị trí thực của robot và các tọa độ tính toán trong quá trình
chuyển động dƣới dạng: điểm – điểm, hoặc theo một quỹ đạo liên tục
- Động học thuận: có chức năng thiết lập và giải các bài toán động học
trên cơ sở tham số đầu vào bao gồm góc quay và độ dịc chuyển tịnh tiến của
các biến khớp.
Lƣu trữ và chuyển giao: có chức năng tiếp nhận và chuyển giao các kết
quả vừa giải ra động học thuận robot. Cụm lập trình có chức năng lập trình để
sao cho quỹ đạo của robot đi qua các điểm đã định trƣớc hay thực hiện trọn
vẹn quỹ đạo do yêu cầu đặt ra.
1.2.4. Cảm biến
Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: cảm biến trạng thái bên
8

trong và cảm biến trạng thái bên ngoài. Cảm biến trạng thái bên trong có chức
năng đo lƣờng các biến, tham số nhƣ: vị trí hay tốc độ khớp đƣợc sử dụng cho
các mạch trong hệ thống điều khiển robot. Cảm biến trạng thái bên ngoài sẽ
đo lƣờng các biến khoảng cách, mức, tiếp xúc.
Sử dụng cảm biến bên ngoài cho phép robot tiếp xúc với môi trƣờng một
cách mềm dẻo và thông minh hơn. Với các cảm biến bên ngoài, các robot có
thể nhìn và cảm giác để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong khi cần ít các
cơ cấu điều khiển hơn các robot đƣợc lập trình sẵn. Đồng thời robot cũng có
khả năng thích nghi với các công việc khác nhau, đạt đƣợc độ vạn năng cao
hơn.
1.3. ĐẶC TÍNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.3.1. Tải trọng
Tải trọng là trọng lƣợng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo
một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng đinh mức nhiều,

nhƣng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức. Tải trọng cảu robot
thông thƣờng rất nhỏ so với trọng lƣợng của robot. Ví dụ: Robot LR mate của
hãng Fanuc có trọng lƣợng 40kg chỉ mang đƣợc tải trọng 3kg, robot M-16i
c0s trọng lƣợng 269kg mang đƣợc tải trọng 18.5 kg
1.3.2. Độ phân giải không gian.
Độ phân giải không gian là gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi
di chuyển trong không gian. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều
khiển và độ chính xác cơ khí. Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân
giải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di
chuyển và số bƣớc di chuyển của khớp đƣợc địa chỉ hóa trong bộ điều khiển
robot:
Số bƣớc di chuyển = 2
n

Với n là số bít bộ nhớ
9

Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó độ
phân giải của cả robot là tổng các độ phân giải của từng khớp robot
1.3.3. Tầm với
Tầm với là khoảng cách lớn nhất mà robot có thể vƣơn tới trong phạm vi
làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc robot
1.3.4. Độ chính xác
Độ chính xác đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt đƣợc. Độ
chính xác đƣợc định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành. Độ chính
xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ
nhất của khớp. Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao, có thể định
nghĩa sơ bộ độ chính xác bằng một nửa độ phân giải điều khiển
Độ chính xác sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay robot.
Phạm vi di chuyển càng xa bệ robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính

xác cơ khí càng lớn. Độ chính xác của robot sẽ đƣợc cải thiện nếu di chuyển
của robot đƣợc giới hạn trong phạm vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hƣởng
đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm
độ chính xác di chuyển.
Độ lặp lại
Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm
trong nhiều lần hoạt động ( Ví dụ: 100 lần ). Do một số yếu tố mà robot
không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với
của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong. Bán kính của
đƣờng tròn đó là độ lặp lại. Độ lặp lại là đại lƣợng có ý nghĩa quan tronhj
hơn độ chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định
có thể phán đoán đƣợc và có thể hiệu chỉnh bằng chƣơng trình. Nhƣng sai số
ngẫu nhiên khó có thể khử đƣợc. Độ lặp lại cần phải đƣợc xác định bằng thực
nghiệm với tải trọng và các hƣớng di chuyển khác nhau( phƣơng thẳng đứng
10

và phƣơng nằm ngang…). Độ lặp lại của các robot công nghiệp thong thƣờng
0.025mm.
1.3.5. Độ nhún.
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại
lực hoặc momen tác dụng. Độ nhún lớn có ý nghĩa là tay robot dịch chuyển
nhiều khi lực tác động nhỏ và ngƣợc lai. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó
làm giảm độ chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng. Nếu robot mang
tải trọng nặng, trọng lƣợng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch
chuyển…Nếu robot đƣợc lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay,
độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc có tải.
1.4. PHÂN LOẠI ROBOT
1.4.1. Phân loại theo không gian hoạt động của tay máy.
Không gian hoạt động của tay máy là không gian mà bàn tay của tay
máy có thể với tới đƣợc. Để tìm không gian hoạt động của tay máy trƣớc hết

phải gắn tay máy với một hệ trục tọa độ và lấy hai hình thức chuyển động
nguyên thủy làm chuẩn bao gồm:



Hình 1.1. Khớp tịnh tiến robot
- Chuyển động quay các trục x, y, z đƣợc kí hiệu là R


Hình 1.2. Khớp quay robot
Thanh vào

Thanh ra
Thanh vào
Thanh ra
Thanh vào
Thanh ra
Thanh ra
Thanh vào
11

- Chuyển động thẳng theo các hƣớng x, y, z trong không gian ba chiều để
tạo nên các hình khối có góc cạnh, kí hiệu là P.
Không gian làm việc của tay máy phụ thuộc vào phƣơng án tổ hợp các
khớp nối và độ dài hình học của các thanh nối. Cụ thể nhƣ sau:
Không gian làm việc của tay máy là một mặt cầu với cấu trúc RR
Không gian làm việc của tay máy là một khối cầu với cấu trúc RRR hay
RRP
Không gian làm việc của tay máy là một khối trụ với cấu trúc RPP
Không gian làm việc của tay máy là một khối lăng trụ với cấu trúc PPP

Trên đây chỉ là giới thiệu một số cấu trúc đơn giản và không gian hoạt
động của tay máy. Ngoài ra với những cấu trúc khác nhau của tay máy ta sẽ
nhận đƣợc những không gian hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của
từng tay máy.
Ngày nay ngƣời ta còn chế tạo các laoij robot với trƣờng công tác của nó
rộng hơn, để đáp ứng các thoa tác ngày càng khéo léo, tinh vi.
Trong không gian hoạt động của tay máy nhiều trƣờng hợp đòi hỏi bàn
tay máy phải thực hiện tại các điểm nhất định hoặc di chuyển theo một quỹ
đạo nhất định. Vì vậy, việc điều khiển robot hoạt động trong trƣờng công tác
của nó cũng đƣợc tiến hành dựa trên nguyên tắc: điều khiển điểm và điều
khiển theo quỹ đạo liê tục.
Hiện nay ngƣời ta còn đặt nhiều hệ tọa độ trung gian cũng nhƣ các hệ tọa
độ mở rộng khác để số bậc tự do không bị hạn chế trong khuôn khổ cá khớp
đã nêu ở trên nhƣ: PPP, PPR, RRR.
Khi số bậc tự do của robot tăng lên, độ linh hoạt của robot cũng cao hơn
và thỏa mãn tốt hơn các yêu cầu đề ra, tuy nhiên các giải pháp kỹ thuật kèm
theo cũng sẽ phức tạp hơn, giá thành chế tạo robot cao hơn.
12

1.4.2. Phân loại theo phƣơng pháp điều khiển.
1.4.2.1. Điều khiển hở
Quãng đƣờng hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển, trong hệ
thống điều khiển hở không có tín hiệu phản hồi để điều chỉnh tín hiệu điều
khiển. Hệ thống điều khiển hở làm việc theo nguyên tắc: Cho tín hiệu điều
khiển tác động tới đối tƣợng đƣợc điều khiển, ta nhận đƣợc tín hiệu đầu ra
Hệ thống điều khiển hở có các ƣu điểm:
- Cấu tạo đơn giản
- Giá thành thấp
- Độ bền và độ tin cậy cao.
Nhƣợc điểm của bộ điều khiển hở là thiếu chính xác, tín hiệu đầu ra có

nhiều khả năng bị sai lẹch so với yêu cầu. Hệ thống điều khiển hở không có
khả năng tự động phát hiện và điều chỉnh sai số của cơ cấu chấp hành. Vì thế
điều khiển hở chỉ dung trong trƣờng hợp yêu cầu độ chính xác thấp.
1.4.2.2. Điều khiển kín
Ngƣời ta sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác của quá
trình điều khiển
Hệ điều khiển tự động có phản hồi có cấu tạo phức tạp hơn nhiều so với
điều khiển hở. Tuy nhiên tín hiệu ra ổn định hơn, sai số bé hơn, nhƣng giá
thành cao. Mạch điều khiển bao gồm các thành phần nhƣ sau:
- Bộ phận so sánh
- Bộ điều khiển
- Hệ thống đo
- Ngoài ra còn các hệ thống chống nhiễu hay hệ thống điều chỉnh
1.4.2.3. Điều khiển hỗn hợp
13

Trên cơ sở của hai hệ thống điều khiển hở và kín ngƣời ta kết hợp lại
thành hệ thống điều khiển hỗn hợp. Qua sơ đồ nguyên lý cho thấy từ hệ thống
dữ liệu, tín hiệu đƣợc truyền qua khối điều khiển, khối điều khiển điều khiển
bộ phận động lực hoạt động, thông qua bộ chƣơng trình làm cho tay máy và
bộ phận chấp hành hoạt động
Thế hệ điều khiển hỗn hợp đƣợc sử dụng rộng rãi để điều khiển. Ngoài
ra còn có bộ phận kiểm tra nhờ vào hệ thống cảm biến để phát hiện sai số của
các thông số điều khiển. Trong trƣờng hợp xuất hiện những sai lệch thì hệ
thống điều khiển có chức năng điều chỉnh để sao cho thỏa mãn thông số yêu
cầu đối với robot hiện nay.
Có ba nguyên tắc điều khiển cơ bản:
- Điều khiển tự do và điều khiển tƣơng tác với đối tƣợng
- Điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian làm
việc

- Điều khiển phân tán và điều khiển tập trung
Cách phân loại trên đây chủ yếu dựa vào tính chất đặc trƣng của quỹ đạo
điều khiển. Về mặt kỹ thuật điều khiển đối với robot ngƣời ta vẫn áp dụng
điều khiển theo chƣơng trình số NC. Ngoài ra do tính năng kỹ thuật đặc biệt
của robot, vấn đề điều khiển thƣờng gắn với kỹ thuật đều cảm nhận thông qua
bộ cảm biến.
Trong điều khiển robot ngƣời ta thƣờng quan tâm đến việc điều khiển
tọa độ điểm cuối của khâu chấp hành. Tọa độ điểm cuối có thể phải di chuyển
theo một quỹ đạo định trƣớc gọi là điều khiển theo quỹ đạo. Trƣờng hợp thứ
hai yêu cầu tọa độ điểm cuối của bộ phận chấp hành phải di chuyển lần lƣợt
theo các điểm định trƣớc gọi là điều khiển điểm
1.4.3. Phân loại theo hệ thống truyền động
1.4.3.1. Hệ thống truyền động gián tiếp.
14

Khi các khâu của robot truyền động khi đƣợc dẫn động từ một động cơ
rồi truyền qua một hệ thống bao gồm một hoặc một số các bộ truyền thƣờng
dung trong kỹ thuật.
Hệ thống truyền động gián tiếp trong các robot thƣờng sử dụng các bộ
truyền nhƣ: bộ truyền bánh răng, bộ truyền trục vít, bộ truyền xích, bộ truyền
đai, bộ truyền vít - đai ốc…
1.4.3.2. Hệ truyền động trực tiếp
Hệ truyền động trực tiếp là trƣờng hợp các khâu chấp hành đƣợc nối trực
tiếp với nguồn động lực nhƣ các loại động cơ một chiều, xoay chiều hay động
cơ bƣớc. Bộ truyền động trực tiếp thông thƣờng có kết cấu rất nhỏ gọn nên
tổn hao công suất ít, không gây ồn và đồng thời tránh đƣợc sai số do mòn sau
một thời gian hoạt động.Tuy nhiên một khó khăn phải giải quyết trong trƣờng
hợp này là cần có các động cơ với số vòng quay phù hợp, phạm vi điều chỉnh
rộng
1.5. ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.5.1. Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng của robot công gnhieepj là để thay thế từng phần
hoặc toàn bộ lao động nặng nhọc của con ngƣời hoặc thay thế con ngƣời khi
phải làm việc trong những điều kiện kỹ thuật, môi trƣờng đặc biệt, đồng thời
góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao
chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều
kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ƣu điểm của robot:
- Robot có thể thực hiện đƣợc một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc
hơn ngƣời thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì
thế, robot góp phần nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm.
- Khả năng giảm giá thành của sản phẩm do ứng dụng robot
15

- Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ
- Ứng dụng của robot cải thiện môi trƣờng lao động.
1.5.2. Tình hình ứng dụng của robot công nghiệp trên thế giới
Nhìn chung việc sử dụng robot ở các nƣớc công nghiệp phát triển nhƣ
Nhật, Mỹ, Đức… rất phổ biến và tốc độ phát triển hàng năm rất nhanh.Theo
thống kê chƣa đầy đủ, tỷ lệ phân bố phạm vi ứng dụng robot công nghiệp
trong ccs lĩnh vực nhƣ sau: oto 31%, thiết bị điện 16%, dầu khí và thực phẩm
16%, hóa thực phẩm 12%, thiết bị viễn thông 8%, máy công cụ 6%, kim khí
4% và các nghành khác chiếm khoảng 20%.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thuộc các nghành tạo
ra bƣớc nhảy vọt về các loại hình robot trên thế giới. Hiện nay, có nhiều loauij
robot thông minh, loại robot này có các giác quan nhận thức nhƣ con ngƣời.
Ngoài ra, ngày càng có nhiều robot siêu nhỏ dung trong y học để quan sát
chụp các bộ phận bên trong cơ thể con ngƣời. Trong tƣơng lai không xa sẽ
xuất hiện nhiều loại robot có khả năng phục vụ gia đình.
1.5.3. Ứng dụng của robot công nghiêp.

Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống
của con ngƣời, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và
đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc. Thƣờng
trong phân xƣởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực,
bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lƣợng vật đúc phụ thuộc nhiều vào
quá trình thao tác.
Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây
truyền tự động thông thƣờng với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải
có các thiết bị phức tạp, đầu tƣ khá lớn. Ngày nay ở nhiều nƣớc trên thế giới
robot đƣợc dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhƣng chủ yếu là để
16

phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm đƣợc nhiều việc nhƣ rót kim
loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền
vật đúc bằng cách phun cát Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có
nhiều ƣu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian
thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép bởi thế
chất lƣợng vật đúc tăng lên.
Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ
gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xƣởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng
robot công nghiệp. Trong phân xƣởng rèn, robot có thể thực hiện những
công việc: đƣa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó
đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc
thùng Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đƣa năng xuất lao
động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So
với các phƣơng tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì
dùng robot có ƣu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thƣờng bao gồm nhiều công việc nặng
nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng

robot công nghiệp.
Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn
chạy theo đƣờng cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh đƣợc
phƣơng và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn. Nhiệm
vụ đó cần đƣợc xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng
hệ thống có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt
công việc nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn đƣợc
điều khiển bằng một chƣơng trình thống nhất, đồng thời nếu đƣợc trang bị
các bộ phận cảm biến, kiểm tra và điều chỉnh. Ngoài robot hàn còn phát huy
tác dụng lớn khi hàn trong môi trƣờng đặc biệt.
Robot đƣợc dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp giáp. Thƣờng
17

thƣờng ngƣời ta sử dụng robot vào các việc thóa lắp phôi và sản phẩm cho
các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…
Nói chung ứng dụng của robot chủ yếu trong các lĩnh vực sau:
- Phục vụ máy NC và các hệ thống tự động linh hoạt.
- Đúc
- Lắp ráp, đóng gói
- Phun, phủ
- Tự động hàn
- Đảm nhận thực hiện cấp phôi phục vụ các nguyên công trong dây chuyền
sản xuất tự động.
- Chế tạo máy
- Kiểm tra sản phẩm hàng hóa
- Sơn
- Bảo vệ.

18

CHƢƠNG II : PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC ROBOT
2.1. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT
Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hƣớng tay của robot.Ta sẽ
xây dựng hệ phƣơng trình mô tả động học cấu hình robot và sử dụng hệ
phƣơng trình này sẽ tính toán đƣợc vị trí và hƣớng của tay robot.





Hình 2.1. Cấu trúc động học của tay máy hai khâu hai bậc tự do
Trong đó: 
1
, 
2
: Góc quay của từng khâu
l
1
, l
2
: Chiều dài của hai khâu
l

g1
, l
g2
: Chiều dài từ trục quay đến trọng tâm của từng khâu
m
1
, m
2
: Khối lƣợng toàn bộ của mỗi khâu
J
1
, J
2
: Mômen quán tính của mỗi khâu
m
t
, J
t
: Khối lƣợng tải và mômen quán tính của tải
g
1
, g
2
: trọng tâm của mỗi khâu

2.1.1. Gắn hệ tọa độ ( Hình 2.2 ).
Hệ tọa độ { O
0
} gắn liền với chân đế robot
Y

l
1
l
g1
X
l
g2
l
2

1
m
1
, J
1
m
2
, J
2

2
m
t
, J
t
19

Hệ tọa độ {O
1
} là hệ tọa độ { O

0
} sau phép quay góc θ
1
quanh trục Z
0

và tịnh tiến đoạn l
1
trên trục X
0

Hệ tọa độ { O
2
} là hệ tọa độ {O
1
} sau phép quay góc θ
2
quanh trục Z
1
và
tịnh tiến đoạn l
2
trên trục X
1
. Đây là hệ tọa độ gắn với tay kẹp – khâu tác động
cuối cùng

Hình 2.2. Hệ trục tọa độ
2.1.2. Bảng thông số D – H ( Denavit – Hartenberg) :
Thực hiện phép biến đổi đồng nhất dựa trên hệ tọa độ thanh nối
(Denavit - Hartenberg) mối quan hệ giữa hệ toạ độ tay Robot (End effector)
và hệ toạ độ các khớp (Joints) đƣợc xác định nhƣ sau.

0
T
E
=
0
T
2
=
0
A
1
1
A
2
(2-1)
Từ mô hình cơ cấu động học của robot ta xây dựng đƣợc bảng Denavit –
Hartenberg nhƣ sau

Khâu
α
i
a
i
d
i
θ
i
1
0
l
1
0
θ
1

2
0
l
2
0
θ
2

Z
0
X
0

Z
1

Y
1
X
1
X
2
Y
2

Y
0
O
0
O
1
O
2
20

Ma trận biểu diễn sự chuyển đổi từ hệ tọa độ (i - 1) sang hệ tọa độ i là :















1000
d100
sθacθcθsθ
cθasθsθcθ
Ai
i
iiiii
iiiiii
1-i
ii
i
sc
sc



















1000
0100
sθl0cθsθ
cθl0sθcθ
A
1111
1111
1
















1000
0100
sθl0cθsθ
cθl0sθcθ
A
2222
2222
2

(cθ = cosθ ; sθ = sinθ)
Thay vào (2.1) ta đƣợc :

     
     
















1000
0100
θθslsθl0θθcθθs
θθclcθl0θθsθθc
T
212112121
212112121
E
0

=












1000
paon
paon
paon
zzzz
yyyy
x

·
xxx
(2-2)
Với :
       
;θθsinθθs;θθcosθθc
21212121


P là điểm thuộc hệ toạ độ gắn với tay robot, có vị trí đƣợc xác định bằng
vectơ cột thứ tƣ của
0
T
E
.
Từ (2-2) ta đƣợc phƣơng trình động học thuận biểu diễn mối quan hệ
giữa hệ tọa độ tay Robot và hệ tọa độ các khớp :
21









0z
)θsin(θlsinθly
)θcos(θlcosθlx

T
21211T
21211T
(2-3)
2.2. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƢỢC ROBOT
Bài toán động học ngƣợc sẽ tính toán các góc quay của các khớp hoặc độ
dịch chuyển của khớp tịnh tiến tƣơng ứng với vị trí và hƣớng của tay
robot.Nghĩa là sẽ tính toán các giá trị biến khớp cần thiết để đặt tay robot ở vị
trí và hƣớng mong muốn.
Cho ma trận biểu diễn vị trí tay robot:













1000
paon
paon
paon
T
zzzz
yyyy

x
·
xxx
E
0

Theo (2-1) ta có:
0
T
E
= A
1
A
2

Nhân hai vế của (1) với
1
1
A

ta có : (A
1
-1
)*
0
T
E
=
1
A

2
(2-4)



























1000

0100
sl0cs
cl0sc
1000
0fff
0fff
0fff
2222
2222
333231
232221
131211
θθθ
θθθ
(2-5)
Trong đó :








































1000
paon
paon
paon
*

1000
0100
00cθsθ-
l-0sθcθ
1000
ffff
ffff
ffff
T*A
zzzz
yyyy
x
·
xxx
11
111
34333231
24232221
14131211
E
01
1

















1000
paon
cpspcasacosocnsn
lspcpsacasocosncn
zzzz
1y1x1y1x1y1x1y1x
1y1xy1xy1x1y1x
θθθθθθθθ
θθθθθθθθ

22

Cân bằng vế trái và phải của (2-5), ta có:






2224
2214
sθlf

cθlf








221y1x
2211y1x
sθlcθpsθp
cθllsθpcθp
(2-6)
Với :







.py;px
1θsθc
yx
2
2
2
2

Bình phƣơng hai vế của hai phƣơng trình trong (2-6) và cộng vế ta có:
 
)l(l)y(x
)l(l)y(x2)lly(x
tgθ
l2l
)l(l)y(x
cθ
2
2
2
1
22
4
2
4
1
22222
2
2
1
22
2
21
2
2
2
1
22
2






(2-7)
Đặt :
 







)l(l)y(xk
)l(l)y(x2)lly(xk
2
2
2
1
22
2
4
2
4
1
22222
2
2

1
22
1

Ta có :

)k,atan2(kθ
212

(2-8)
Thay (2-7) vào (2-6) ta đƣợc:
1
2
2
2
1
22
11
2l
llxy
ysθxc θ



Giải ra ta có:
)k,atan2(kx)atan2(y,θ
311

. (2-9)
Trong đó:

)l(l)y(xk
2
2
2
1
22
3

.
Vậy phƣơng trình động học ngƣợc của hệ đã cho đƣợc biểu diễn dƣới dạng
23







),(2tan
),(2tan),(2tan
212
311
kka
kkaxya


(2-10)
Với :
 











)l(l)y(xk
)l(l)y(xk
)l(l)y(x2)lly(xk
2
2
2
1
22
3
2
2
2
1
22
2
4
2
4
1
22222
2

2
1
22
1

2.3. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC
2.3.1. Bài toán động lực học.
Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc với môi trƣờng sẽ sinh ra một
lực cần thiết để di chuyển vật và thực hiện công việc, ví dụ: robot lắp ráp
mang một chi tiết đến vị trí định trƣớc lắp ráp vào một chi tiết máy khác
Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể
theo quan hệ sau:
amF

Tƣơng tự mômen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thể
là:

aJM

Để làm khớp robot di chuyển tịnh tiến hoặc quay, cơ cấu chấp hành cần
sinh ra một lực hoặc mômen đủ lớn. Mối quan hệ giữa lực, mômen của các
khớp với vị trí, tốc độ và gia tốc đƣợc biểu diễn trong phƣơng trình chuyển
động, còn gọi là phƣơng trình động lực học. Trong phƣơng trình động lực
học, sẽ tính đƣợc lực, mômen cần thiết để khớp robot có thể chuyển động
đƣợc với tốc độ và gia tốc mong muốn. Phƣơng trình động lực học cũng đƣợc
sử dụng cho đánh giá ảnh hƣởng của khối lƣợng tải đối với các chuyển động
của robot. Giải phƣơng trình động lực học sẽ nhận đƣợc các chuyển động của
robot với các đầu vào là lực và mômen của các khớp, là cơ sở cho thiết kế hệ
24

thống điều khiển robot. Ta sẽ sử dụng phƣơng pháp Lagrange để xây dựng
phƣơng trình động lực học.
2.3.2.Phƣơng trình Lagrange
Trong phƣơng trình Lagrange, các biến tọa độ tổng quát sẽ đƣợc sử dụng
để xác định duy nhất vị trí của vật. Phƣơng trình Lagrange sẽ nhận đƣợc từ
phƣơng trình Niutơn.
Giả sử hệ thống gốm n phần tử vật chất với n bậc tự do mô tả bởi các
biến tọa độ tổng quát q
1
, q
2
,…,q
n
( đối với chuyển động khớp quay, tọa độ
tổng quát là góc quay của khớp q
i
= θ
i
; đối với khớp chuyển động tịnh tiến,
tọa độ tổng quát là độ di chuyển q
i
= d
i
). Một véctơ vị trí trong không gian 3
chiều

X
đối với mỗi phần tử vật chất P
µ
đƣợc ký hiệu là:

 
tqqq
n
,, ,,XX
21


(2-11)
Khối lƣợng của mỗi phần tử vật chất P
µ
là m
µ
và lực đặt lên P
µ
là F
µ
,
phƣơng trình chuyển động Niutơn có dạng:





 XF m
(2-12)
Lấy đạo hàm
i
q



X
và lấy tổng đối với tất cả cá phần tử vật chất của hệ thống
ta nhận đƣợc phƣơng trình sau:















i
T
i
T
q
Xm
q
F
XX
, q
i

= 1, 2, …, n (2-13)
Mặt khác từ phƣơng trình (2-11) ta có:

t
i
n
i
i
d
q
q


XX
X
1









(2-14)
25


i

i
q
q








XX
(2-15)
Nhƣ vậy phƣơng trình (4-13) có thể đƣợc viết lại ở dạng sau:

i
i
t
i
q
K
q
K
d
d
Q


















(2-16)
Trong đó:






 X
2
T
X
m
K
: động năng của hệ thống
i
T

i
q
FQ







X
: lực tổng quát tƣơng ứng với tọa độ q
i

Lực

F
gồm 2 thành phần: thành phần trọng lực (F
µa
) và thành phần các
lực còn lại (F
µb
). Thành phần trọng lực đƣợc tính từ thế năng của phần tử:



X
P
F
a




(2-17)
Khi đó nhận đƣợc thành phần Q
ib
có dạng sau:

i
T
b
ib
q
FQ







X
(2-18)
Hàm Lagrange là hiệu của động năng và thế năng của vật có dạng:

PKL 
(2-19)
Sử dụng các biểu thức (2-16) và (2-18), sau một phép biến đổi, phƣơng trình
chuyển động Lagrange đƣợc viết nhƣ sau: