nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

`

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP








NGUYỄN THỊ HÕA



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT
HAI BẬC TỰ DO





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

THÁI NGUYÊN – 2014







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





NGUYỄN THỊ HÕA



NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT
HAI BẬC TỰ DO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.
NGUYỄN THANH HÀ





THÁI NGUYÊN – 2014


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản
thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào
khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công
bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái nguyên, tháng 5 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thị Hòa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ii
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ
Lời cam đoan i
Mục lục ii
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt iv
Danh các hình ảnh (Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) v
LỜI NÓI ĐẦU 1
PHẦN MỞ ĐẦU 2
1. Lý do chọn đề tài 2
2. Mục đích nghiên cứu 2
3. Đối tượng nghiên cứu 2
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
a) Ý nghĩa khoa học 2
b) Ý nghĩa thực tiễn 2
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 4
1.1. Lịch sử phát triển 4
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng 7
1.3. Ứng dụng robot công nghiệp 8
1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 8
1.5. Kết cấu tay máy 9
1.6. Kết luận 11
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 12

2.1 Các hệ điều khiển kinh điển 12
2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 12
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến 12
2.2 Logic mờ và điều khiển mờ 14
2.2.1. Giới thiệu 14
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ 16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iii
2.3. Điều khiển thích nghi : 28
2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi 28
2.3.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi 29
2.3.3. Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT: 35
2.3.4. Phương pháp ổn định của Lyapunov. 37
2.4. Kết luận 40
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO
CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 41
3.1 Mô hình toán học cánh tay robot 43
3.2 – 43
3.3 Kết luận 55
Chương 4. THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN
ROBOT RD5NT 56
4.1. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI 56
4.2. Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller) cho tay máy 2
bậc tự do 58
4.3. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC 66
4.4. Kết luận 66
Kết luận chung và kiến nghị 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU
Ý NGHĨA
ET
Đầu vào thứ nhất đặt vào bộ điều khiển
dET
Đạo hàm dầu vào thứ nhất đặt vào bộ điều khiển
U
Điện áp một chiều
ĐKTN
Điều khiển thích nghi
e(t)
Sai lệch tind hiệu điều khiển
PID
Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

v

DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang

Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các 9
Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ 10
Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu 10
Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc 11
Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA 11
Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 16
Hình 2.2. Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ 17
Hình 2.3. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành Max-min 20
Hình 2.5. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-min 22
Hình 2.6. Hàm liên thuộc vào-ra theo luật hợp thành sum-prod 24
Hình 2.7. Giải mờ bằng nguyên tắc trung bình 25
Hình 2.8. Giải mờ bằng nguyên tắc cận trái 25
Hình 2.9. Giải mờ bằng nguyên tắc cận phải 26
Hình 2.10. Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm 27
Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ 27
Hình 2.13. Hệ thích nghi tín hiệu 33
Hình 2.14. Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2 35
Hình 3.1. Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 45
Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong phần mềm Matlab 45
Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab 46
Hình 3.4. Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần mềm Matlab 46
Hình 3.5. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 47
Hình 3.6. Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 47
Hình 3.7. Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 49
Hình 3.8. Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ 49
Hình 3.9. Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 50
Hình 3.10. Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

vi
Hình 3.11. Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 52
Hình 3.12. Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 52
Hình 3.13. Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng bộ điều khiển mờ 54
Hình 3.14. Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng bộ điều khiển mờ 54
Hình 3.15. Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 55
56
Hình 4.2. Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57
Hình 4.3. Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 57
Hình 4.4. Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 57
Hình 4.5. Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 58
Hình 4.6. Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 59
Hình 4.7. Hàm thuộc của sai lệch e(t) 60
Hình 4.8. Hàm thuộc của đạo hàm sai lệch de(t) 60
Hình 4.9. Quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63
Hình 4.10. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 63
Hình 4.11. Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot 64
Hình 4.12. So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển 65
Hình 4.13. Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ 1,2 66
Hình 4.14. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67
Hình 4.15. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1

LỜI NÓI ĐẦU

Robot là đối tượng phi tuyến nên rất khó xác định được chính xác các thông số
đo lường tại các thời điểm nhất định. Do vậy, bài toán điều khiển cánh tay robot là

bài toán khá phức tạp. Vì vậy, áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trong bài toán
điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả góp phần nâng cao
hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác đối tượng trong các
môi trường làm việc.
Hiện nay trong nước và trên thế giới đã có một số nghiên cứu điều khiển cánh
tay robot. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được các kết quả như mong muốn. Chính vì lý do
trên tác giả quyết định chọn đề tài:
“Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do”.
Luận văn chia làm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy
Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự
do và mô phỏng
Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT.
Mặc dù hết sức nỗ lực song do quỹ thời gian và kinh nghiệm khoa học còn
nhiều hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận
được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp!
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn PGS TS Nguyễn Thanh Hà và các
thầy cô khác đã tận tình giúp đỡ, định hướng và giúp tôi hoàn thành bản luận văn này!
Và qua đây xin dành lời biết ơn sâu sắc đến người thân đã hết lòng động viên,
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn này!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2014
Tác giả



Nguyễn Thị Hòa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều
nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều khiển tay máy hiện
nay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo phương
pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ
điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất
lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển
mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh
đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại. Trong mấy năm
gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng
phi tuyến. Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn.
Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển tay
máy hai bậc tự do.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ
thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do"
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các yêu
cầu chất lượng.
3. Đối tượng nghiên cứu
Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ
thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt
khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến.

Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối
tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3
b) Ý nghĩa thực tiễn
Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa thực tiễn rất
lớn. Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng buộc
phải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác định trước và thay đổi.
Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bất chấp
sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot
sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả lao động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY
Robot công nghiệp là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau. Có thể định nghĩa
là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện
những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con
người. Theo ISO thì “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc
tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật
dụng khác”.
Do chương trình thao tác có thể thay đổi, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng nên
có thể nói robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động, linh hoạt, bắt chước
được các chức năng lao động của con người. Theo đó, robot công nghiệp cũng là một
hệ thống tự động hóa lập trình được, giống như NC, CNC, DNC và AC. Điểm khác
biệt giữa robot và NC là NC điều khiển các chuyển động trên bề mặt, theo các trục
của hệ tọa độ thì robot điều khiển các chuyển động trong không gian.
Yếu tố đa chức năng nhấn mạnh robot có khả năng thực hiện nhiều chức năng,
phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc. Ví dụ trong dây chuyền sản xuất ô
tô, một robot có thể được gắn mỏ hàn để thực hiện công nghệ hàn trong một phân
xưởng. Tại phân xưởng khác, robot có cấu hình tương tự với khâu tác động cuối thay
thế mỏ hàn bằng các bàn kẹp có thể được điều khiển để vận chuyển các chi tiết và lắp
ráp nó vào các vị trí yêu cầu. Ứng với mỗi chức năng khác nhau, chương trình điều
khiển của robot sẽ được lập trình lại cho phù hợp. Yếu tố đa chức năng là một trong
những điểm chính để phân biệt robot với các máy tự động đang sử dụng trong sản
xuất hiện nay.
1.1. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) là “Robota” (có nghĩa là công
việc tạp dịch) trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek vào năm
1920. Trong vở kịch này, nhân vật Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những

chiếc máy có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

5
người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người đồng nghĩa robot phải thoả
mãn ba nguyên tắc cơ bản sau:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra, quy
tắc này không vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Robot phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không vi phạm hai nguyên
tắc trên.
Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư cấu này
khoa học viễn tưởng robot được giới kỹ thuật hình dung như chiếc máy đặc biệt để
thay thế mình trong một số công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc,
vận chuyển, lắp ráp, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài khoảng không vũ trụ,
trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân…
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy
công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool). Năm 1952, mẫu
máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công Nghệ Massachuasetts sau
một vài năm nghiên cứu chế tạo.
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh
trong Chiến tranh thế giới lần thứ II nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người
thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài
cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ
xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ)
và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng
một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp.
Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu
cầu gia công các chi tiết trong nghành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực
chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập
trình của máy công cụ điều khiển số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

6
Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của
công ty AMF của Mỹ vào năm 1960. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện
loại robot Unimate được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh-1967,
Thụy Điển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức-1971; Pháp-1972;
Ý-1973…
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận
biết và xử lý. Năm 1968, trường đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu
robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn
kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.
Năm 1974, Công ty Cincinnati của Mỹ đã đưa ra loại robot được điều khiển bằng
máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này
có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg.
Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian trên tàu thám hiểm Viking
của cơ quan không gian Nasa Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều
đến sự lắp đặt thêm các cảm biến để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại
học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot dùng để lắp ráp tự động và được
điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác.
Cũng vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác
và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Năm 1990, có hơn 40 công ty của Nhật Bản trong đó có những công ty khổng lồ

như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại
robot nổi tiếng.
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học-
Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt. Có thể nói robot là sự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

7
tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri
thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như
kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí không
nhân tạo, hệ chuyên gia…
Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot
công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng
Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) đã đạt tới trình độ rất cao như trong công nghiệp sản
xuất kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có sử dụng máy tính.
- Tự động hoá cũng được hình thành dưới dạng thiết bị hoặc dây chuyền chuyên
môn hoá theo đối tượng nó áp dụng cho sản xuất hàng khối với khối lượng lớn các
sản phẩm cùng loại.
- Tự động hoá khả trình được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất hàng loại vừa, nhỏ
đáp ứng phần lớn nhu cầu sử dụng. Sản phẩm công nghiệp dạng này có thể lập trình
hàng loạt để thay đổi chủng loại sản phẩm.
- Tự động hoá linh hoạt là dạng phát triển của TĐH khả trình nó thích hợp với
công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, có thể thay đổi đối tượng
sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người. TĐH linh hoạt được biểu diễn
dưới 2 dạng tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống linh hoạt.
- Hai đặc trưng cơ bản của robot công nghiệp:

+ Thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lập trình lại để
đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác.
+ Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng nh-
xếp dỡ nguyên vật liệu, láp ráp…
- Định nghĩa robot công nghiệp
Robot công nghiệp là tay máy tự động được đạt cố định hoặc di động bao
gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

8
chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều
khiển trong quá trình sản xuất.
1.3. Ứng dụng robot công nghiệp
- Một trong các lĩnh vực đó là kỹ nghệ đúc. Thường trong các phân xưởng
đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng luôn luôn
thay đổi…
- Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt
mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công
nghiệp.
- Trong ngành hàn và nhiệt luyện bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở
nhiệt độ cao. Do vậy ngành này cũng nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp.
- Ngành gia công và lắp ráp thường sử dụng robot vào các việc tháo lắp phôi và sản
phẩm trong các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…
1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Robot công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:
+ Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo
các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao
tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn

động lực của các cơ cấu chấp hành.
+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần
thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản
thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của
môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt
động của robot.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

9
1.5. Kết cấu tay máy
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp, đó
là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc như nâng hạ vật. Ban đầu người ta
chế tạo tay máy phỏng theo tay người còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại
khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay
và khớp để chỉ các bộ phận của nó. Trong thiết kế tay máy người ta quan tâm đến các
thông số ảnh hưởng khả năng làm việc
- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay.
- Tầm với của vùg làm việc.
- Khả năng định vị, định hướng phần công tác.
Chúng có đặc điểm chung sau:
Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi
động học hở các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trượt tuỳ theo cách bố chí mà
các khớp có thể tạo ra tay máy có toạ độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, tọa độ goác và
SCARA.
+ Tay máy kiểu tọa độ Đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật.
Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm

bảo vì vậy nó thường dung để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

10
+ Tay máy kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường
khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ
1.2. Có nhiều robot tọa độ trụ như: Robot Versatran của hang AMF (Hoa Kỳ)

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ
+ Tay máy kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độ
cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do,
cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu (Hình 1.3)

Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu
+ Robot kiểu tọa độ góc: Đây là kiểu robot được dung nhiều hơn cả. Ba chuyển
động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia.
Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của
tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng
thẳng đứng nên các tính toán cơ bản lầ bài toán phẳng, ưu điểm nổi bật của các loại
robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn
so với kích cỡ của bản than robot, độ linh hoạt cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

11

Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc

+ Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời 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 gọ SCARA là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot
Arm”: Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp
nên SCARA đôi khi được giải thích là “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. Sơ đồ của robot SCARA như hình 1.5.

Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA

1.6. Kết luận
Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một số vấn đề sau:
- Lịch sử phát triển;
- Robot công nghiệp và các ứng dụng;
- Ứng dụng robot công nghiệp.
- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Kết cấu tay máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

12
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Các hệ điều khiển kinh điển
Trong các hệ thống điều khiển phân cấp hiện đại cũng như các hệ thống điều
khiển đa cấp, hệ điều chỉnh tự động là khâu cuối cùng tác động lên đối tượng điều
khiển. Chất lượng của các quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các
quá trình công nghệ bao gồm: chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và các chỉ
tiêu khác của dây chuyền công nghệ…

Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động được đánh giá bởi tính ổn định
và các chỉ tiêu khác của quá trình xác lập và quá độ. Ổn định mới chỉ là chỉ tiêu nói
lên rằng hệ thống có thể làm việc được hay không, còn chất lượng của quá trình quá
độ mới nói tới việc hệ thống có được sử dụng hay không. Vì vậy việc nâng cao chất
lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là đề tài được nhiều tác giả trong và ngoài
nước quan tâm.
Lý thuyết điều khiển kinh điển ra đời rất sớm và đã có nhiều đóng góp trong các
lĩnh vực của điều khiển học kỹ thuật như: trong lĩnh vực điện, điện tử, quốc phòng,
hàng hải…Việc tổng hợp các hệ điều khiển kinh điển có thể chia thành 2 loại: Tổng
hợp hệ điều khiển mờ tuyến tính và hệ điều khiển phi tuyến.
2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính
Các bộ điều chỉnh PID tuyến tính (bao gồm P, PI, PD và PID) đã được nghiên cứu và
phát triển tới mức hoàn thiện. Để xác định được thông số tối ưu (Kp, Ki, Kd) của PID
ta có thể dùng phương pháp môdul tối ưu, phương pháp môdul đối xứng và các phần
mềm chuyên dụng (ví dụ MATLAB) để tự động xác định tối ưu các thông số PID.
Đặc điểm của phương pháp này là cần phải biết chính xác mô hình của đối tượng.
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến
Thực tế các hệ thống và các đối tượng vật lý ít nhiều đều có tính phi tuyến, chúng
chỉ tuyến tính trong 1 vùng làm việc nào đó. Vì vậy việc nghiên cứu tổng hợp hệ phi
tuyến có ý nghĩa phổ biến và thực tiễn. Các phương pháp phân tích và tổng hợp hệ
phi tuyến không tiến bộ nhanh như hệ tuyến tính và hiện nay còn đang trong giai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

13
đoạn phát triển, hệ phi tuyến có những đặc điểm riêng khác hẳn hệ tuyến tính, ví dụ
tính tạo tần, tính phi tuyến. Vì vậy để phân tích và tổng hợp hệ phi tuyến ta phải dùng
các phương pháp gần đúng, các phương pháp gần đúng thường dùng là:
- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng: được áp dụng cho các hệ gần tuyến tính,
lúc đó sai lệch so với tuyến tính không quá lớn. Khi hệ thống làm việc ở lân cận một

điểm nào đó ta có thể coi vùng làm việc đó của hệ là tuyến tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà: là phương pháp khảo sát hệ thống trong
miền tần số gần giống với tiêu chuẩn Naiquyt, phương pháp này còn được gọi là
phương pháp hàm mô tả. Việc dùng hàm mô tả là một cố gắng để mở rộng gần đúng
hàm truyền của hệ tuyến tính sang hệ phi tuyến.
Hàm mô tả (hay hệ số khuếch đại phức) của khâu phi tuyến là tỉ số giữa thành cơ
bản của đáp ứng đầu ra với kích thích hình sin ở đầu vào. Nếu một hệ có chứa nhiều
khâu phi tuyến ta phải gộp tất cả chúng lại để được hàm mô tả tổ hợp.
Phương pháp tuyến tính điều hoà cho phép đưa ra kết quả hợp lý và có thể dùng
cho các hệ thống bậc bất kỳ, nhưng vì là phương pháp gần đúng nên ta phải kiểm tra
lại độ chính xác bằng các kỹ thuật khác hoặc bằng mô phỏng trên máy tính.
- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn: Từ đặc tuyến phi tuyến của hệ ta chia
thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn nhỏ coi là đoạn thẳng và được mô tả bởi phương
trình tuyến tính. Phương pháp này có ưu điểm là tạo ra lời giải tương đối chính xác
cho hệ phi tuyến bất kỳ. Phương trình vi phân dẫn ra trên mỗi phân đoạn là tuyến tính
và có thể giải được dễ dàng bằng các kỹ thuật tuyến tính thông dụng.
- Phương pháp mặt phẳng pha: Tiện dùng cho các hệ phi tuyến bậc 2.
Trong điều khiển kinh điển, sự tác động của máy điều chỉnh được phân thành 2 vùng:
vùng tác động lớn và vùng tác động nhỏ. Vùng tác động lớn tồn tại khi hệ thống ở xa
trạng thái cân bằng, khi có tác động lớn hệ thống sẽ nhanh chóng dịch chuyển về
trạng thái cân bằng, với tốc độ dịch chuyển lớn như vậy hệ thống dễ dàng
vượt qua trạng thái cân bằng và gây độ quá điều chỉnh lớn, điều này không mong
muốn. Vì vậy khi hệ thống gần đến trạng thái cân bằng, cần phải chuyển sang vùng
tác động nhỏ để giảm độ quá điều chỉnh. Xuất phát từ ý tưởng đó các bộ điều chỉnh
có cấu trúc thay đổi ra đời phát triển đã đáp ứng phần nào yêu cầu nâng cao chất

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

14
lượng hệ điều khiển phi tuyến.

Tóm lại trong một thời gian dài kể từ khi ra đời, lý thuyết điều khiển kinh điển đã
có nhiều đóng góp để giải quyết hàng loạt bài toán điều khiển đặt ra trong thực tế.
Tuy nhiên chất lượng của hệ thống cũng chỉ đạt được ở mức độ khiêm tốn, nhất là đối
với hệ phi tuyến. Với sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển
thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…đã tạo điều kiện thuận lợi để các nhà kỹ
thuật nghiên cứu ứng dụng nhằm ngày càng nâng cao chất lượng của hệ thống điều
khiển tự động, nhất là đối với các hệ thống lớn, hệ có tính phi tuyến mạnh và khó mô
hình hoá.
2.2 Logic mờ và điều khiển mờ
2.2.1. Giới thiệu
Trong lịch phát triển của công nghệ hiện đại, sự đóng góp của điều khiển lôgic là
cực kỳ to lớn. Nó đã đóng vai trò rất quan trọng không chỉ trong các ngành khoa học
tự nhiên mà còn là một môn khoa học không thể thiếu được đối với khoa học xã hội
ngay cả trong suy luận đời thường. Ngày nay, lôgic toán học kinh điển đã tỏ ra còn
nhiều hạn chế trong những bài toán nảy sinh từ công việc nghiên cứu và thiết kế
những hệ thống phức tạp. Đặc biệt là những lĩnh vực cần sử dụng trí tuệ nhân tạo hay
trong công việc điều khiển và vận hành các hệ thống lớn có độ phức tạp cao cần sự
giúp đỡ của hệ các chuyên gia.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin nhất là kỹ thuật vi xử lý và
công nghệ phần mềm đã đặt nền móng cho việc ứng dụng hệ thống điều khiển thông
minh vào các nghành công nghiệp. Các hệ thống điều khiển thông minh được xây
dựng trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã giúp con người có khả năng khống chế những đối
tượng mà trước kia tưởng chừng như không điều khiển được như trong rất nhiều bài
toán điều khiển khi đối tượng không thể mô tả bởi mô hình toán học, hoặc mô hình
của nó quá phức tạp, cồng kềnh…
Trong thực tế khi thiết kế bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những
bài toán có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, thường xuyên thay đổi
trạng thái hoặc cấu trúc của đối tượng…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

15
Phát hiện thấy nhu cầu tất yếu ấy, năm 1965 L.A.Zadeh - tại trường đại học
Berkelye bang California -Mỹ đã sáng tạo ra lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Sets
Theory) và đặt nền móng cho việc xây dựng một loạt các lý thuyết quan trọng dựa
trên cơ sở lý thuyết tập mờ. Đây là một trong những phát minh quan trọng có tính
bùng nổ và đang hứa hẹn giải quyết được nhiều vấn đề phức tạp và to lớn của thực tế.
Năm 1970 tại trường Marry Queen London - Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng
logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ
thuật cổ điển. Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết
định. Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fụi Electrinic
vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987, đường sắt Sendai.
Các ứng dụng đã và đang được phát triển với các vấn đề theo vết, điều chỉnh, nội suy,
phân loại, chữ viết tay, nhận dạng lời nói, ổn định hình dạng trong các máy quay
video, máy giặt, máy hút bụi, điều hòa, quạt điện, Một thí nghiệm con lắc ngược đã
được chứng minh vào năm 1987 với “các đáp ứng cân bằng được sinh ra gần 100 lần
ngắn hơn những đáp ứng của bộ điều khiển PID truyền thống”.
Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ
nhất ở Nhật. Trong lĩnh vực tự động hóa logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi,
nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, phức
tạp, không xác định, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển
không làm được.
Phương pháp điều khiển mờ chính là nhằm vào việc xây dựng các phương pháp
có khả năng bắt chước cách thức con người điều khiển. Vì đối tượng điều khiển là
một hệ thống phức tạp, bản chất chưa rõ, không thể hiển thị bằng các mô hình toán lý.
Nên dưới dạng mô hình mờ một tập các mệnh đề IF …THEN (các luật) với các dữ
liệu ngôn ngữ mô tả mối quan hệ giữa các biến vào, các biến ra đã ra đời. Ta lấy một
ví dụ phận biệt cá voi có tính khoa học. Ở những trường tiểu học, nhiều điều làm mọi
người ngạc nhiên, rằng cá voi là động vật có vú bởi vì: nó là loại máu nóng, đẻ con,
nuôi con bằng sữa mẹ, và cũng mọc lông. Hệ thống phân biệt này là một ví dụ hoàn

hảo của logic hai trị truyền thống mà thống trị khoa học suốt nhiều thế kỷ. Mặc dù

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

16
thực tế là nó trông giống cá, nó bơi giống cá, nó có mùi cá, và cứ ba học sinh lại có
một người nghi ngờ khi nói rằng cá voi không phải là cá, cá voi 100% động vật có vú,
0 % là cá. Nếu một nhà logic mờ phân biệt cá voi, ông ta sẽ cho cá voi thuộc về cả
hai bộ động vật có vú và bộ cá, tới mức độ tự nhiên.
So với phương pháp điều khiển truyền thống thì phương pháp tổng hợp hệ thống
điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu điểm sau:
Điểm mạnh nổi trội cơ bản của điểu khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển
là nó áp dụng rất hiệu quả và linh hoạt trong các quá trình điều khiển ở điều kiện chưa
xác định rõ và thiếu thông tin
Nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được điều khiển
cho một quá trình, một thiết bị…và mang lại chất lượng mong muốn.
Với nguyên tắc mờ bộ điều khiển tổng hợp được có cấu trúc đơn giản so với bộ
điều khiển kinh điển khác có cùng chức năng. Sự đơn giản đó đã đóng vai trò quan
trọng trong việc tăng độ tin cậy cho thiết bị, giảm giá thành sản phẩm.
Điều khiển mờ là những cải tiến liên tiếp của kỹ thuật vi xử lý, một cầu nối không
thể thiếu giữa kết quả nghiên cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế.
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ
a) Sơ đồ khối: Sơ đồ các khối chức năng của hệ điều khiển mờ được chỉ ra trên
hình 1.1. Trong đó các khối chính của bộ điều khiển mờ là khối mờ hóa, khối thiết bị
hợp thành và khối giải mờ. Ngoài ra cò có giao diện vào và giao diện ra để đưa tín
hiệu vào bộ điều khiển và xuất tín hiệu từ ngõ ra bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành.

Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

Mờ

hoá
Thiết bị
hợp thành
Giải
mờ
Giao
diện ra
Giao diện
vào

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

17
b) Giao diện vào, ra: Hệ mờ là một hệ điều khiển số do đó tín hiệu đưa vào bộ
điều khiển mờ phải là tín hiệu số. Giao diện vào có nhiệm vụ chuẩn hóa tín hiệu
tương tự thu nhận được từ đối tượng điều khiển và chuyển đổi thành tín hiệu số. Giao
diện ra có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số thành tương tự, khuyếch đại tín hiệu điều
khiển cho phù hợp với đối tượng cụ thể. Trong thực tế, giao diện vào, ra được tích
hợp trong một CARD xử lý số chuyên dụng hoặc lắp thêm vào khe cắm mở rộng của
máy tính.
c) Khối mờ hóa: Là khối đầu tiên của bộ điều khiển mờ có chức năng chuyển
mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành véc tơ µ có số chiều bằng số tập mờ
đầu vào. Số tập mờ đầu vào do người thiết kế qui định tùy thuộc đối tượng cụ thể,
nhưng thông thường không chọn quá 9 tập mờ. Hình dạng các hàm liên thuộc cũng
được tùy chọn theo hình tam giác, hình thang, hàm Gaus … Mỗi loại hàm liên thuộc
có ưu, nhược điểm riêng. Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào chỉ rõ dùng dạng hàm
liên thuộc nào là tốt nhất. Hình 1.2 minh họa phương pháp mờ hóa biến điện áp trong
khoảng từ 100V - 300V bằng 5 tập mờ dạng hàm Gaux. Khi đó ứng với mỗi giá trị rõ
x
0

ta có véc tơ

)(
)(
)(
)(
)(
0
0
0
0
0
x
x
x
x
x
RC
Cao
TB
T
RT
, Ví dụ với x
0
= 220V ta có:
0
4,0
7,0
0
0

Hình 2.2. Các hàm liên thuộc của một biến ngôn ngữ