ứng dụng luật điều khiển phi tuyến phân tán cho điều khiển súng hàn của hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
oOo
LÊ VĂN MAI
ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN
SÚNG HÀN
CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT
HỢP TAY MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TP. HCM 10- 2013
2
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
oOo
LÊ VĂN MAI
ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI
TUYẾN PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN
SÚNG HÀN
CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI BÁNH KẾT
HỢP TAY MÁY

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGÔ MẠNH DŨNG
TP. HCM 10- 2013
3

LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGÔ MẠNH DŨNG
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. NGÔ CÔNG PHƯƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM
ngày 02 tháng 11 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
PGS.TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG
Chủ tịch Hội đồng;
2.
TS. NGÔ CÔNG PHƯƠNG
Ủy viên, phản biện;
3.
PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Ủy viên, phản biện;
4.
TS VŨ THANH SƠN
Ủy viên, thư ký;
5.
PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ
Ủy viên.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
VIỄN THÔNG
LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian làm việc và nỗ lực của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình
của Thầy TS Ngô Mạnh Dũng, luận văn đã hoàn thành kế hoạch yêu cầu đề ra.

4
Luận văn đã nghiên cứu triển khai và ứng dụng luật điều khiển phân tán cho
điều khiển súng hàn của hệ thống robot 2 bánh kết hợp với tay máy Scara 3 link dựa
trên ý tưởng : luật điều khiển cho tay máy Scara và luật điều khiển cho thân robot
hai bánh được thiết kế độc lập và dựa trên các điều kiện “bắt tay” giữa hai hệ thống
độc lập này nhằm đạt được mục đích của hệ thống robot hàn kết hợp. Tính hội tụ
của từng bộ điều khiển đã được chứng minh dựa trên tiêu chuẩn hội tụ Lyapunov,
và khả năng phối hợp giữa hai luật điều khiển được kiểm chứng thông qua mô
phỏng trên máy tính bằng phần mềm Matlab để thử nghiệm tính hội tụ của robot
hàn nói trên. Cuối cùng luật điều khiển được triển khai tính hội tụ trên mô hình
robot thân 2 bánh kế hợp tay máy Scara có kích thước dài x rộng x cao (270mm x
270mm cao 70mm tầm với của Scar robot là 350mm) điều khiển trên nền vi xử lý
PIC18F cho thấy kết quả mô phỏng và thực nghiệm và lý thuyết theo đúng mục tiêu
đặt ra, việc này cho thấy tính đúng đắn và khả thi của bộ điều khiển này.
Tôi xin cam đoan trong quá trình thực hiện luận văn đã làm việc nghiêm túc. Tất
cả các mẫu hình, bảng biểu, tài liệu được trích và tham khảo theo đúng qui chế, qui
định.
TP.HCM, ngày 10 tháng 10 năm 2013
Người viết cam đoan
Lê Văn Mai
LỜI CẢM ƠN
5
Để hoàn thành luận văn này tác giả đã nhận được rất nhiều sự chỉ dẫn
giúp đỡ quý báu của nhiều người. Lời đầu tiên xin chân thành gửi lời cảm ơn
đến quý Thầy Cô Trường Đại học Giao Thông Vận Tải TP. Hồ Chí Minh và
đặc biệt là quý thầy cô Phòng Khoa học – Công nghệ, Quý thầy cô của khoa
Điện- Điện Tử Viễn Thông. Xin cảm ơn phòng thí nghiệm của trường Cao
Đẳng Nghề tỉnh Bà Rịa -Vũng Tàu và đặc biệt tác giả xin bày tỏ lỏng cảm ơn
sâu sắc tới Thầy TS Ngô Mạnh Dũng giảng viên trường Đại Học Bách Khoa TP
Hồ Chí Minh, Thầy đã tận tình giúp đỡ và động viên khi thực hiện luận văn.

Hơn nữa, xin gửi lời chân thành cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình, bạn
bè đồng nghiệp
Với kiến thức được học tập nơi nhà trường tác giả mong muốn được
chuyển hóa thành những ứng dụng thực tế để hoàn thiện mình hơn và giúp tác
giả trưởng thành và hiểu rõ hơn và qua đó phần nào đóng góp để xây dựng đất
nước ngày càng tốt đẹp.
TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 10 năm 2013
Lê Văn Mai
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU Trang 5
6
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về lịch sử phát triển robot Trang 7
1.2 Những ứng dụng điển hình hiện nay của robot Trang 11
1.3 Ưu và khuyết điểm của robot cánh tay Trang 12
1.4 Ưu và khuyết điểm của robot dạng bánh Trang 14
1.5 Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh Trang 16
CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG ROBOT HAI
BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY
2.1 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy mang súng
hàn Trang 20
2.2 Giải bài toán động học cho thân robot hai bánh Trang 24
2.3 Giải bài toán động lực học cho thân robot hai bánh Trang 26
2.4 Giải bài toán động học cho tay máy Scara Trang 28
2.5 Công cụ toán học Trang 29
2.5.1 Bổ đề Barbalat Trang 29
2.5.2 Hệ quả có ích của bổ đề Barbalat Trang 31
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN
PHÂN TÁN CHO ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT HAI
BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY

3.1 Tóm tắt về triển khai ứng dụng luật điều khiển phân tán cho robot hàn kết hợp
giữa thân robot hai bánh và tay máy Scara mang súng hàn Trang 33
3.2 Giới thiệu về robot hàn ứng dụng trong công nghiệp Trang 35
3.3 Đặt vấn đề lựa chọn luật điều khiển cho robot hai bánh Trang 35
3.4 Tóm tắt lại mô hình toán của thân robot hai bánh và tay máy Scara . Trang 36
3.5 Tính toán thiết kế luật điều khiển Trang 40
3.5.1 Thiết kế luật điều khiển bằng mô hình động học cho tay máy Trang 41
3.5.2 Thiết kế luật điều khiển cho thân robot hai bánh bằng phương pháp mặt trượt
có kết hợp điều kiện bắt tay với cánh tay máy bên trên Trang 47
3.5.3 Chứng minh sự hội tụ của bộ điều khiển u Trang 52
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN PHÂN TÁN CHO
ĐIỀU KHIỂN SÚNG HÀN CỦA HỆ THỐNG ROBOT 2 BÁNH KẾT HỢP TAY
MÁY TRÊN MATLAB
4.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab Trang 55
4.2 Mô phỏng robot hai bánh kết hợp tay máy scara Trang 59
4.3 Kết quả mô phỏng Trang 61
4.4 Kết luận Trang 66
CHƯƠNG V: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 2 BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY
MANG SÚNG HÀN CÓ ĐIỂM HÀN BÁM THEO ĐƯỜNG HÀN VỚI VẬN TỐC
KHÔNG ĐỔI
7
5.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Trang 67
5.2 Thiết kế và thực hiện phần cơ khí hệ thống Trang 70
5.3 Giới thiệu sơ lược về các chuẩn sử dụng trong điều khiển hệ thống robot hai
bánh kết hợp tay máy Trang 73
5.3.1 Sơ lược về chuẩn giao tiếp SPI Trang 73
5.3.2 SPI trong vi điều khiển Pic Trang 75
5.3.3 Mạch giao tiếp SPI trong robot Trang 77
5.4 Tổng quan về vi điều khiển PIC Trang 78
5.4.1 Vi điều khiển Pic 16F887 Trang 78

5.4.2 Vi điều khiển Pic 18F4431 Trang 80
5.5 Thiết kế các mạch điện tử cho robot điều khiển kết hợp tay máy và thân robot
hai bánh Trang 81
5.5.1 Mạch CPU trung tâm điều khiển Trang 81
5.5.2 Mạch điều khiển DC cho 2 bánh chủ động của thân robot Trang 86
5.5.3 Mạch điều khiển động cơ cho các khớp của tay máy Trang 89
5.5.4 Sơ đồ cung cấp điện tổng thể và sơ đố kết nối tín hiệu điều Trang 91
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
6.1 Kết luận và đánh giá Trang 93
6.2 Hướng phát triển của đề tài Trang 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 94
PHỤ LỤC Trang 97
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, robot hàn được sử dụng rộng rãi để nâng cao chất lượng mối hàn
8
và dần dần giúp con người tránh được tiếp xúc làm việc trong môi trường nguy
hiểm và độc hại của hồ quang hàn và khói hàn.
Thông thường robot hàn sử dụng trong nhà máy ô tô chủ yếu là tay máy
robot dạng tay máy Puma và tay máy Scara. Với đặc điểm của loại tay máy này có
đáp ứng nhanh vươn tới các điểm làm việc của tay máy, vì có đặc điểm giống cánh
tay con người. Tuy nhiên, các tay máy này thường được gắn cứng vào đế và các đế
của tay máy robot thường gắn cố định so với mặt đất nên không gian làm việc của
robot bị giới hạn trong không gian làm việc chủ yếu là một phần của khối cầu.
Vì ứng dụng hàn có tính chất chuyển động của điểm cuối có vận tốc khá
chậm trung bình vận tốc hàn khoảng 7mm/s, do đó để mở rộng không gian làm việc
cho robot hàn trong các vùng không gian rộng như trong công nghiệp đóng tàu (hàn
dọc theo boongke của tàu), thông thường trước đây người ta sử dụng mobile robot
(robot hai bánh thường được sử dụng trong trường hợp này). Theo lý thuyết thì
điểm tâm của robot hai bánh có khả năng di chuyển tới mọi điểm trên mặt phẳng
cần hàn và đáp ứng được góc hàn theo yêu cầu. Tuy nhiên, trong ứng dụng hàn thì

điểm hàn thông thường không nằm trùng với tâm của robot hai bánh và điểm hàn
của súng hàn thường nằm cố định ngoài robot và nằm trên đường nối tâm hai bánh
của robot. Với tính chất bánh không trượt trên mặt phẳng nên robot hai bánh không
thể chuyển dịch trực tiếp theo hướng trục của 2 bánh robot do đó sai số theo hướng
này hội tụ khá chậm theo hướng góc của robot hai bánh việc này làm cho sự di
chuyển điểm hàn của súng hàn hội tụ theo hướng này rất khó khăn và rất chậm.
Để mở rộng không gian làm việc của robot hàn và khắc phục nhược điểm
của robot hàn 2 bánh và nhanh chóng giúp cho điểm hàn của súng hội tụ nhanh theo
các đường hàn cho trước một cách dễ dàng, chúng ta kết hợp hai ưu điểm của robot
tay máy và robot hai bánh để tạo ra hệ thống di chuyển súng hàn robot hai bánh –
tay máy.
Vì vậy, trong luận văn này tác giả phát triển mô hình hình robot hai bánh kết
hợp tay máy Scara và thiết lập kết hợp luật điều khiển phân tán kết hợp giữa robot
hai bánh và tay máy scara để điều khiển điểm hàn của súng hàn trên mặt phẳng có
đáp ứng nhanh trong việc hội tụ các sai số và thỏa mãn cho việc mở rộng không
gian làm việc của tay máy.
Trong mô hình này thì tay máy Scara được gắn cứng trên tâm của robot hai
bánh. Tay máy Scara robot mang theo súng hàn. Một luật điều khiển phi tuyến phân
tán được xem xét và triển khai cho tay máy và robot hai bánh để di chuyển điểm
9
hàn của súng hàn bám theo đường hàn cong trơn cho trước với vận tốc không đổi
(được cài đặt tùy theo mỗi chế độ hàn). Bằng việc kết hợp với vận tốc di chuyển của
robot hai bánh, lợi dụng tính đáp ứng nhanh của tay máy Scara sẽ di chuyển súng
hàn dọc theo đường hàn cho trước với vận tốc không đổi. Thân robot hai bánh sẽ di
chuyển theo khuynh hướng làm cho tay máy trở về vị trí thoải mái nhất (vị trí này
được lựa chọn trước và có khả năng dự trữ vùng làm việc của tay máy Scara robot
tốt nhất). Dựa trên khuynh hướng giúp tay máy trở về vị trí tốt nhất, một luật điều
khiển phi tuyến được triển khai cho robot hai bánh kết hợp với các biến chuyển
động của tay máy (là thân đế của tay máy) để robot hai bánh này mang hệ thống
hoàn thành nhiệm vụ đề ra là di chuyển điểm làm việc của súng hàn dọc theo đường

hàn với vận tốc không đổi và có góc tiếp tuyến với đường hàn một góc cố định.
Hình 0.1. Mô hình cơ khí robot hai bánh kết hợp tay máy mang súng hàn.
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về lịch sử phát triển robot.
10
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng
sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922
trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp.
Karel Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo
tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch và nặng nhọc.
Hình 1.1. Những ý tưởng về robot đầu tiên trong vở kịch của Karel Capex.
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 cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục
chế tạo một dạng tay máy đôi 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 công suất
gắn 100 mã lực và năm 1996 hãng Boston Dynamics cũng đã chế tạo thành công
robot 4 chân sử dụng thủy lực di chuyển với tốc độ khá cao 5km/giờ như hình 1.2.
11
Hình 1.2. Robot 4 chân được phát triển và nghiên cứu bởi hãng Boston Dynamics.
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 (hình 1.3).
Hình 1.3. Xe tự hành thám hiểm mặt trăng (1970) Lunokohod 1.

Ngoài ra, viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã
thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều
khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.4). Robot
này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi
đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng.
12
Hình 1.4. Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera.
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công
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 ông 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.
Năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu
thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên
sao Hoả (hình 1.5) và đây cũng là cũng là điểm nhấn để mở ra thời ký ứng dụng tay
máy trong công nghiệp được mở rộng trong ứng dụng ngày càng nhiều.
Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng
của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy.
Tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot. Trên hình 1.6
trình bày một robot công nghiệp được lập trình phục vụ theo mục đích công
nghiệp cơ khí khác xa với robot R2D2, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi
ích to lớn.
13
Hình 1.5. Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1.
Hình 1.6. Robot Scara được ứng dụng trong công nghiệp.
Lịch sử ra đời của robot gắn liền với sự khao khát sáng tạo của con người,
mong muốn có một thiết bị máy móc hoạt động thay thế cho con người nhằm giải

phóng sức lao động và đảm trách những công việc nguy hiểm, độc hại…
Cho dù trong cả thời đại khoa học kỹ thuật ngày nay thì định nghĩa chính
xác robot vẫn là một vấn đề bàn luận. Những thành tựu vượt bậc về khoa học kỹ
thuật đã tạo ra những cơ cấu cơ khí hoạt động giống như con người, nó đã thay thế
công việc cho con người ở những môi trường nguy hiểm, độc hại, nặng nhọc… Các
cơ cấu này làm việc một cách tự động hóa, liên tục và không cần suy nghĩ. Những
tính năng này dường như khá phổ biến và có thể ở bất cứ thiết bị hiện đại nào. Đây
là định nghĩa được mọi người thường nghĩ đến về robot.
Gần một thế kỷ tiếp theo, robot đã liên tục được phát triển nhờ sự đóng góp
bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot.
1.2 Những ứng dụng điển hình hiện nay của robot.
Ngày nay 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
14
độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi 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
công 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 không 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
(hình1.7, fanucrobotics.com).
Hình 1.7. Robot hàm trong nhà máy sản xuất xe hơi.
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con
người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người
phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn

lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ 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
công 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
‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao. Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn
kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung
15
gian. Ở mục sau, ba ứng dụng của robot trong công nghiệp được khảo sát ở các
giai đoạn nghiên cứu khác nhau.
1.3 Ưu và khuyết điểm của robot cánh tay.
Thuật ngữ “tay máy” hay “robot cánh tay” ở đây ta hiểu tay máy là một
dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay
người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết
kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu
động. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay
còn gọi là các trục.
Thông thường dạng của tay máy robot là dạng tay máy Puma và tay máy
Scara. Robot Puma (Programmable Universal Machine for Assembly, or
Programmable Universal Manipulation Arm) là một cánh tay robot công nghiệp
được phát triển bởi Victor Scheinman tại Đại học Stanford năm 1972. Robot Puma
có thể hoạt động theo theo các trục X-Y-Z, nên khâu cuối (End-efactor) rất linh hoạt
và nhanh chóng đạt được các yêu cầu về vị trí và góc xoay với thao tác gần gống
tay người nên rất mềm dẻo và linh động trong vùng không gian hoạt động của nó.
Hình 1.8. Robot Puma của Unimate và ABB.

Robot Scara ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản)
là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Tên gọi
Scara là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot Arm” – Tay máy mềm
dẻo tùy ý. Cánh tay của nó là cứng nhắc ở trên trục-Z và mềm dẻo trên trục XY.
Loại robot này thường dựng trong công việc lắp rắp nên Scara đôi khi được giải
thích là từ viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm”. Ba khớp đầu
tiên của kiểu robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng
đứng. Với cấu trúc này tay máy Scara loại bỏ được phần lớn của yếu tố trọng lực
16
tác động lên tay máy. Tác động này gây khó khăn trong việc thiết kế chế tạo và điều
khiển tay máy.
Hình 1.9. Robot Scara của Toshiba và Epson.
Với đặc điểm của các loại tay máy này đáp ứng rất nhanh vươn tới các điểm
làm việc của tay máy, vì có cấu trúc vững chắc giống cánh tay con người làm việc
trong mặt phẳng ngang.
Tuy nhiên, hạn chế lớn nất của các tay máy là khâu đế của tay máy thường
được gắn cứng vào hệ qui chiếu mặt đất nên vùng làm việc bị giới hạn trong không
gian hẹp. Không gian làm việc của tay máy kiểu này phụ thuộc chủ yếu vào kích
thước của tay máy.
1.4 Ưu và khuyết điểm của robot dạng bánh.
Robot di chuyển dạng bánh nói chung bao gồm robot hai bánh, robot nhiều
bánh, robot bánh xích, robot bánh tròn, được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến trong
việc mở rộng tầm hoạt động hay còn gọi là vùng không gian làm việc của robot.
Đặc biệt robot này được ứng dụng nhiều trong quân đội và trong việc dò tìm các lỗi
trong các đường ống hoặc đường hầm như trong hình 1.10.
Hình 1.10. Robot ứng dụng trong quân đội và robot quan sát đường ống.
Robot hai bánh có ưu điểm là tầm hoạt động rộng trên mặt phẳng hoặc cong
trơn liên tục, về tính đáp ứng vị trí và góc theo yêu cầu thì tâm điểm của robot có
tính đáp ứng khá nhanh và thuận tiện. Mặt khác, nếu chúng ta điều khiển một điểm
17

nào đó gắn cứng trên thân robot hai bánh mà điểm này không trùng với điểm tâm
thì tính đáp ứng về vị trí và góc có nhiều giới hạn về tốc độ. Ví dụ: ví lý do gì đó
cho phù hợp với thiết kế như là điểm công tác không thể nằm trùng với tâm xoay
robot như là công việc hàn, chúng ta không thể hàn dưới gầm robot do đó chúng ta
phải di dời điểm hàn sang bên hông của robot. Lúc đó điểm làm việc “welding
point” sẽ có nhiều giới hạn về tính đáp ứng khi tiếp cận mục tiêu. Chúng ta cũng có
thể nhận thấy điều này trong phần nghiên cứu về robot hàn 2 bánh hình 1.11 dưới.
Khi sai số cần giảm về vị trí nằm trên ngay trục nối giữa hai bánh của robot. Vì nếu
muốn giảm sai số trên trục ngang thì robot phải xoay hướng di chuyển lúc này do
điểm làm việc không trùng với tâm xoay nên vị trí của điểm làm việc lại bị thay đổi
lớn không thỏa mãn về vị trí, do đó robot hai bánh phải từ từ và nhiều lần tới lui để
tiếp cận mục tiêu do đó tính đáp ứng sẽ bị hạn chế trong một số ứng dụng.
Hình 1.11. Robot hàn 2 bánh với tâm xoay không trùng với điểm hàn.
1.5 Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh.
Sự phối hợp giữa robot cánh tay và robot bánh được các nhà khoa học nghĩ
tới từ lâu vì trên sự phối hợp này mang lại tính năng và hiệu quả của robot gần
giống với tính năng của một con người với đôi chân và cánh tay linh hoạt. Ý tưởng
này đã được triển khai trong quân đội với ý tưởng robot rà phá bom mìn hình 1.12.
Hình 1.12. Robot bánh xích kết hợp tay máy để rà phá bom mìn.
18
Tiếp nối ý tưởng trên, kết hợp sự linh động của robot hai bánh, tính linh hoạt
và vững chắc của Scara robot tác giả muốn mở rộng không gian làm việc của robot
hàn cho các vùng không gian rộng như trong công nghiệp đóng tàu (hàn dọc theo
boong ke của tàu), với ý tưởng trên tác giả đưa ra mô hình robot hai bánh kết hợp
tay máy Scara như trong hình 1.13 dưới.
Hình 1.13. Robot hai bánh kết hợp tay máy ứng dụng trong hàn.
Robot hai bánh mang tay máy Scara 3 bậc tự do và có tâm đế của tay máy
trùng với tâm xoay của robot dự định ứng dụng vào lĩnh vực hàn các mối hàn ghép
giữa mặt phẳng và vách dựng đứng. Dựa vào tính linh hoạt của tay máy, súng hàn
được gắn cố định vào điểm cuối của link 3. Đồng thời trên link 3 cũng mang một bộ

phận cảm biến để dò tìm sai số khoảng cách và sai số góc tiếp cận với thành tường
hàn.
Dựa trên sai số thu thập được từ cảm biến, kết hợp với thông tin di chuyển từ
phần thân robot hai bánh, tay máy nhanh chóng đưa điểm hàn “welding point” vào
đúng vị trí và tư thế yêu cầu và với vận tốc hàn dọc theo tiếp tuyến của mối hàn với
vận tốc không đổi (là hằng số được thiết lập trước).
Nếu robot hai bánh đứng yên, tay máy sẽ nhanh chóng vượt quá tầm làm
việc của mình trong thời gian ngắn. Vì vậy tác phối hợp với thân di chuyển được
bằng robot hai bánh và thân này di chuyển với một luật điều khiển dựa trên các
chuyển động của các khớp tay máy kết hợp với vị trí hiện tại của các khớp này để
tính toán tốc độ điều khiển cho 2 bánh của robot hai bánh nhằm di chuyển sao cho
tay máy phục hồi lại chế độ dự trữ vùng làm việc lớn nhất có nghĩa là robot hai
bánh di chuyển sao cho tay máy ở vị trí thoải mái nhất được lựa chọn bởi người lập
trình.
Vì tốc độ di chuyển của điểm hàn khá nhỏ 7mm/ giây dọc theo tiếp tuyến của
mối hàn nên việc kết hợp của hai luật điều khiển độc lập dựa trên thông số hiện tại
19
của các đối tượng đối nhau trong trường hợp này dự đoán với khả năng thành công
của ứng dụng trên là rất cao và hi vọng sau khi triển khai mô hình thành công, ứng
dụng này sẽ được ứng dụng rộng trong lĩnh vực hàn công nghiệp cho những loại
mối hàn có chiều dài trải rộng trên mặt phẳng cong trơn.
Hình 1.14. Robot hàn với đầu hàn (5) gắn cứng vào thân robot 2 bánh.
Hình 1.15. Với ý tưởng thay thế phần gắn cứng điểm hàn vào thân robot được thay
thế bằng táy máy Scara.
Thuật toán điều khiển cho robot hàn kết hợp.
Việc triển khai thuật toán điều khiển cho robot hai bánh kết hợp tay máy có
thể được triển khai theo hai phương án:
• Coi robot hai bánh và tay máy Scarra là một hệ thống nhất và thiết lập mô
hình toán cho hệ thống này sau đó triển khai luật điều khiển cho hệ thống.
• Có thể xem hệ thống robot hàn trên gồm hai thành phần mô hình toán

tách biệt là thân robot hai bánh và tay máy Scara sau đó triển khai luật
điều khiển cho từng thành phần với điều kiện bắt tay nhau để hoàn thành
nhiệm vụ (decentralizie control methode)
20
Với phương án thứ nhất thì luật điều khiển cho hệ thống tính hội tụ cao đảm
bảo và thực thi nhiệu vụ đạt trạng thái xác lập nhanh, không xảy ra hiện tượng cộng
hưởng. Tuy nhiên, việc coi hệ thống trên là một nên việc triển khai mô hình toán sẽ
phức tạp.
Phương án hai có nhiều điểm thuận lợi là mô hình toán đơn giản, dễ dàng tìm
được luật điều khiển cho từng thành phần của hệ thống, nhưng nếu không cẩn thận
thì điều kiện hội tụ của toàn hệ thống sẽ không được đảm bảo. Trong ứng dụng điều
khiển tay súng hàn với tốc độ khá chậm nên việc phối hợp giữa hai luật điều khiển
sẽ dẽ dàng hơn và điều kiện này sẽ được thử mô phỏng trên phần mềm để tìm các
hệ số nhằm giúp hai luật bắt tay nhau tốt hơn trước khi triển khai thực nghiệm. Vì
vậy trong luận văn này ta sẽ chọn phương án hai để triển khai luật điều khiển cho
robot hai bánh kết hợp tay máy Scara.
Chương 2
THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN CHO HỆ THỐNG
ROBOT HAI BÁNH KẾT HỢP TAY MÁY
21
Như ở chương một đã trình bày, robot hai bánh kết hợp với cánh tay robot
Scara kết hợp tạo thành hệ thống robot hàn. Đặc biệt với ý tưởng ứng dụng luật điều
khiển phân tán để điều khiển điểm làm việc của súng hàn bám theo đường hàn với
vận tốc là hằng số trong suốt quá trình hàn. Luật điều khiển phân tán được triển
khai cho hai phần là robot hai bánh và tay máy Scara. Trong chương này chúng ta
sẽ xây dựng mô hình động học và động lực học của robot hai bánh và mô hình động
học của tay máy Scara có điểm tâm gốc trùng với điểm tâm của robot hai bánh cho
hệ thống robot hàn trên. Hệ thống robot hàn trên được phân tích trong hệ trục tọa độ
chuẩn, dựa trên mô hình này chương kế tiếp sẽ triển khai thử nghiệm luật điều khiển
phân tán cho thân robot và tay máy thông qua điều kiện phối hợp nhằm điều khiển

điểm hàn của súng hàn thỏa điều kiện hàn và cánh tay robot luôn ở vị trí tốt nhất.
2.1 Xây dựng mô hình toán cho hệ thống robot hai bánh kết hợp tay máy mang
súng hàn.
Mô hình hóa của tay máy di động (có gốc gắn cứng trên điểm tâm của robot
hai bánh) trong hệ trục tọa độ chuẩn .
Phương trình động học và phương trình động lực học của tay máy di
động trong hệ trục tọa độ chuẩn được xem xét dưới điều kiện những liên kết phi
holonomic (nonholonomic). Tay máy trong hình 2.1 có điểm chân đế di động
được mô hình hóa theo những giả thuyết sau:
o Bán kính cong của đường cong tham chiếu (hay đường hàn) phải lớn
hơn bán kính quay của robot hàn.
o Thân robot hai bánh có hai bánh dẫn động để di chuyển và vị trí của cặp
bánh dẫn động nằm trên trục qua tâm của robot.
o Bánh bị động được lắp ở phía trước bên dưới của thân để cân bằng cho
robot và khi robot di chuyển có thể bỏ qua động lực học.
o Trọng tâm và tâm quay của robot được xem như trùng nhau.
o Bánh xe robot di chuyển lăn không trượt.
o Hình dáng tay máy Scara được bảo toàn khi hoạt động.
22
• Hình 2.1. Robot hàn trong hệ trục tọa độ chuẩn.
•
•
• Hình 2.2. Hình chụp Robot hàn hai bánh mang tay máy Scara.
• Các thông số cơ bản trong hệ tọa độ của robot hàn:
XOY
: Toạ độ hệ cố định- Hệ toạ độ gốc.
xoy
: Toạ độ gắn cố định vào xe robot hai bánh- Hệ toạ độ di chuyển.
P
: Điểm tâm của robot hai bánh.

R
: Điểm hàn hay còn gọi điểm tham chiếu di chuyển trên đường hàn.
C
: Tâm khối lượng của robot hai bánh.
1
J
: Điểm gốc của tay máy Scara trùng điểm P.
23
E
: Điểm làm việc của tay máy (hay còn gọi là điểm hàn).
q
: Vectơ toạ độ tổng quát.
h
: Khoảng cách giữa điểm trung tâm của robot hai bánh
và điểm tâm khối lượng của tay máy.
[ ]m
i
L
: Chiều dài khâu thứ i của tay máy.

[ ]m
b
: Khoảng cách giữa bánh xe và tâm robot hai bánh.
[ ]m

r
: Bán kính của bánh xe.
[ ]m
d
:Khoảng cách giữa điểm trung tâm P và tâm khối lượng C của robot

hai bánh.

[ ]m
P
Φ
: Góc của robot hai bánh (góc của trục ox và trục OX)
[ ]rad
P
v
: Vận tốc dài của tâm robot hai bánh.
[ ]m s
P
ω
: Vận tốc góc của robot hai bánh.
[ ]rad s
R
v
: Vận tốc dài của điểm hàn tham chiếu.
[ ]m s
R
ω
: Vận tốc xoay của điểm hàn tham chiếu.
[ ]rad s
E
v
: Vận tốc dài điểm làm việc của tay máy.
[ ]m s

E
ω

: Vận tốc góc điểm làm việc của tay máy.
[ ]rad s

,
rw lw
ω ω
: Vận tốc góc của bánh trái và bánh phải .
[ ]rad s
i
m
: Khối lượng của khâu thứ i của tay máy.
[ ]kg
c
m
: Khối lượng thân robot hai bánh.
[ ]kg
w
m
: Khối lượng bộ dẫn động robot hai bánh.
[ ]kg

w
I
: Momen quán tính của bánh xe robot hai bánh.
2
[ ]kgm
m
I
: Momen quán tính của động cơ bánh dẫn động robot 2 bánh
2

[ ]kgm
c
I
: Momen quán tính của thân theo trục đứng qua tâm
khối lượng robot.
2
[ ]kgm

J
: Ma trận Jacobian.
1
E
p
: Vectơ vị trí điểm làm việc tay máy trong hệ toạ độ di chuyển.
0
1
Rot
: Ma trận quay chuyển đổi từ hệ toạ độ di chuyển về hệ toạ độ gốc.
E
V
: Vectơ vận tốc điểm làm việc của tay máy trong hệ toạ độ gốc.
24
1
E
V
: Vectơ vận tốc điểm làm việc của tay máy trong hệ toạ độ di chuyển.
P
V
: Vectơ vận tốc điểm tâm của robot hai bánh trong hệ toạ độ gốc.
i

θ
: Góc của khớp thứ i của tay máy.
[ ]rad
i
θ
&
: Vận tốc góc của khớp thứ i của tay máy.
[ / ]rad s
τ
: Vectơ momen ngõ vào điều khiển cho robot hai bánh.
[ ]kgm
rw
τ
,
lw
τ
: Momen tác động lên bánh trái và bánh phải.
[ ]kgm
( )M q
: Ma trận quán tính xác định dương đối xứng.
: Ma trận lực Coriolis và lực hướng tâm.
( )B q
: Ma trận chuyển ngõ vào.
( )A q
: Ma trận liên hệ với những liên kết phi holonomic.
λ
:Vectơ lực liên kết.
η
: Vectơ vận tốc.
e

: Vectơ sai số.
u
: Vectơ điều khiển.
2.2 Giải bài toán động học cho thân robot hai bánh
Trong cơ học lý thuyết, liên kết được định nghĩa như sau: Liên kết là điều
kiện ràng buộc chuyển động của hệ, không phụ thuộc vào lực tác dụng lên nó và
các điều kiện đầu của chuyển động.
Những điều kiện ràng buộc này được diễn tả dưới dạng những hệ thức xác
định những yếu tố xác định vị trí, vận tốc của những chất điểm phụ thuộc vào hệ và
thời gian, những hệ này được gọi là những phương trình liên kết:
k k
k 1,2, ,n
f (r , v ,t) 0
j 1,2,3 n
=

≥

=

ur uur
(1.1)
Nếu những phương trình liên kết không chứa những yếu tố vận tốc của
chuyển động, hoặc có chứa những yếu tố ấy nhưng lại có thể tích phân được để có
phương trình liên kết tương đương mà không chứa những yếu tố vận tốc, thì liên kết
được gọi là liên kết holonom. Liên kết này ràng buộc trực tiếp vị trí của các chất
điểm thuộc cơ hệ với nhau, nên còn được gọi là liên kết hình học. Ngược lại, nếu
25
phương trình liên kết có những yếu tố vận tốc của chuyển động mà không thể tích
phân được trực tiếp phương trình liên kết, thì liên kết được gọi là liên kết phi

holonom. Liên kết này ràng buộc vận tốc của các chất điểm thuộc cơ hệ, nhưng nó
lại không ràng buộc trực tiếp vị trí của các chất điểm thuộc cơ hệ với nhau. Vì vậy,
người ta còn gọi liên liên kết phi holonom là liên kết động học. Tính chất holonom
hay phi holonom có ảnh hưởng quan trọng đến cách lập phương trình vi phân của
hệ.
Xét một hệ thống robot có cấu hình không gian n chiều với vector tọa độ
tổng quát
1
( , , )
n
q q q
=
và những đối tượng liên kết m được biểu diễn bởi công thức
sau:

A(q)q 0
=
&
(1.2)
với
m n
A(q) R
×
∈
ma trận liên hệ với những liên kết phi holonom.
Phương trình động học dưới những liên kết phi holonom có thể được suy ra
như sau:

q = J(q)
η

&
(1.3)
với
J(q)
là ma trận hạng
( )n n m
× −
thỏa mãn
T T
J (q)A (q) = 0
, với
n m
R
η
−
∈

là vectơ
vận tốc.
Tâm robot

( , )P X Y
trong không gian Cartesian được xác định như sau:

T
v P P P
q = [X ,Y , ]
Φ
(1.4)
Nếu bánh xe robot di chuyển lăn không trượt A(q) trong biểu thức (1) có thể

được mô tả như sau:

[ ]
v
A(q ) sin cos 0
= − Φ Φ
(1.5)
từ (1.4) và (1.5),
3n
=

và
1m
=
; vectơ vận tốc ở (1.3) được xác định như sau:

T
v p p
v
η ω
 
=
 
(1.6)
ma trận J(q) được viết lại như sau: