XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔMEN NHIỄU CẢN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO
CƠ CẤU ROBOT BÙ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔMEN NHIỄU CẢN

Trưởng bộ môn

: TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Mạnh Tiến

Sinh viên thực hiện

:

Lớp

:

MSSV

:

Hà Nội, 6-2016

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Xây dựng hệ thống điều khiển
chuyển động robot bù ảnh hưởng mômen nhiễu cản do em tự thiết kế dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn
đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ..................................................................................... ii
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1 ........................................................................................................................ 3
KHÁI QUÁT VỀ CẤU TẠO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT ................. 3
1.1. Tổng quan về robot ............................................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm robot công nghiệp ........................................................................ 3
1.1.2. Cấu trúc cơ khí của robot .............................................................................. 3
1.1.3. Hệ tọa độ robot .............................................................................................. 6
1.1.4. Hệ thống truyền động robot .......................................................................... 6
1.1.5. Phạm vi ứng dụng của robot công nghiệp..................................................... 7
1.2. Các hệ thống điều khiển robot ............................................................................. 8
1.2.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển robot ...................................................... 8
1.2.2. Hệ thống điều khiển phản hồi ....................................................................... 9
1.2.3. Hệ thống điều khiển động lực học ngược ................................................... 11

1.2.4. Hệ thống điều khiển thích nghi ................................................................... 12
1.3. Kết luận chương 1 .............................................................................................. 14
Chương 2 ...................................................................................................................... 15
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN LY ROBOT SCARA .................................. 15
2.1. Giới thiệu về robot Scara ................................................................................... 15
2.2. Mô hình toán học robot SCARA Serpent 1 ....................................................... 16
2.2.1. Bài toán động học thuận robot SCARA Serpent 1 ..................................... 16
2.2.2. Bài toán động học ngược robot SCARA Serpent 1 .................................... 18
2.2.3. Động lực học robot SCARA Serpent 1 ....................................................... 20
2.3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu của đối tượng ................................................. 29
2.3.1. Phương trình động học thuận ...................................................................... 29
2.3.2. Phương trình động học ngươc ..................................................................... 29
2.3.3. Phương trình động lực học .......................................................................... 30
2.4. Mô hình động lực học phân ly các khớp............................................................ 31
2.5. Kết luận chương 2 .............................................................................................. 34
Chương 3 ...................................................................................................................... 35
XÂY DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐỘC LẬP CÁC
KHỚP ........................................................................................................................... 35


3.1. Thiết kế sơ đồ điều khiển phân ly khớp của robot ............................................. 35
3.2. Tổng hợp các mạch vòng điều khiển ................................................................. 36
3.2.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển dòng điện RI(p) ...................................... 36
3.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí Rp(p) ............................................... 38
3.3. Tính toán momen nhiễu cản............................................................................... 40
3.4. Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 41
3.4.1. Các kết quả mô phỏng khớp 1..................................................................... 42
3.4.2 Các kết quả mô phỏng khớp 2...................................................................... 45
3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 47
Chương 4 ...................................................................................................................... 48

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÙ MOMEN NHIỄU CẢN ......... 48
4.1. Nhận dạng momen cản động cơ truyền động khớp ........................................... 48
4.2. Hệ thống điều khiển phân ly khớp có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản ........... 49
4.3. Các kết quả mô phỏng ....................................................................................... 51
4.3.1. Các kết quả mô phỏng cho khớp 1 .............................................................. 51
4.4.2. Các kết quả mô phỏng khớp 2..................................................................... 53
4.4.3. Nhận xét ...................................................................................................... 55
4.5. Kết luận chương 4 .............................................................................................. 56
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 57
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 59
1. Chương trình tính tham số bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển vị trí của robot
SCARA (thamso.m – matlab M-file) ........................................................................ 59
2. Chương trình tính momen nhiễu cản cho các khớp robot SCARA (Mc.m – Matlab
function) .................................................................................................................... 59
3. Các khối mô hình hóa mô phỏng robot SCARA .................................................. 60
3.1. Mô hình mô phỏng robot SCARA 2 thanh nối .............................................. 60
3.2. Mô hình các khớp robot SCARA ................................................................... 61
3.2. Bộ điều khiển các khớp robot SCARA ...................................................... 61
4. Các thông số robot và tham số bộ điều khiển ....................................................... 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 63


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot 3 bậc tự do ................................................................................ 4
Hình 1.2. Các dạng khớp quay............................................................................ 5
Hình 1.3. Các dạng khớp tịnh tiến. ..................................................................... 5
Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí tọa độ khớp .............................. 9
Hình 1.5. Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi ............................. 9

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với bộ điều khiển PD ...... 10
Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược ............................ 12
Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số ............ 13
Hình 1.9. Sơ đồ hệ thốn điều khiển thích nghie theo mô hình chuẩn ............... 14
Hình 2.1. Một số hình ảnh về robot SCARA ..................................................... 15
Hình 2.2. Cấu hình và khung tọa độ của robot SCARA Serpent 1 ................... 16
Hình 2.3. Sơ đồ động cơ điện 1 chiều ............................................................... 31
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc mô tả hệ truyền động cho một khớp độc lập............ 34
Hình 3.1. Sơ đồ bộ điều khiển phân ly khớp robot SCARA .............................. 35
Hình 3.2. Sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện RI ( p) .................................. 36
Hình 3.3. Sơ đồ mạch vòng điều khiển vị trí ..................................................... 38
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển khi bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu
cản ..................................................................................................................... 42
Hình 3.5. Góc quay của khớp 1 khi bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu cản 42
Hình 3.6. Sai lệch của góc quay khớp 1 với giá trị đặt khi bỏ qua ảnh hưởng
của momen nhiễu cản ........................................................................................ 43
Hình 3.7. Góc quay của khớp 1 khi có ảnh hưởng của momen nhiễu cản ....... 43
Hình 3.8. Sai lệch góc quay khớp 1 với giá trị đặt có ảnh hưởng của momen
nhiễu cản ........................................................................................................... 44
Hình 3.9. Đồ thị biểu thị giá trị của Momen cản M c1 ...................................... 44
Hình 3.10. Góc quay của khớp 2 bỏ qua ảnh hưởng của momen nhiễu cản .... 45
i


Danh mục hình vẽ

Hình 3.11. Sai lệch góc quay khớp 2 với giá trị đặt khi bỏ qua ảnh hưởng của
momen nhiễu cản............................................................................................... 45
Hình 3.12. Góc quay khớp 2 có ảnh hưởng của momen nhiễu cản .................. 46
Hình 3.13. Sai lệch góc quay khớp 2 với giá trị đặt có ảnh hưởng của momen

nhiễu cản ........................................................................................................... 46
Hình 3.14. Đồ thị biểu thị giá trị của momen cản M c 2 .................................... 47
Hình 4.1. Sơ đồ tính toán gia tốc động cơ ........................................................ 49
Hình 4.3. Hệ thống điều khiển vị trí khớp bù momen cản ................................ 50
Hình 4.4. Góc quay của khớp 1 khi có bù momen nhiễu cản với J   J đm ...... 51
Hình 4.5. Sai lệch của góc quay khớp 1 có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản. . 52
Hình 4.6. Momen cản tổng động cơ khớp 1 ...................................................... 52
Hình 4.7. Đồ thị góc quay khớp 1 khi J  thay đổi ( J   2 J đm ) ....................... 53
Hình 4.8. Góc quay của khớp 2 khi có bù momen nhiễu cản với J   J đm ...... 54
Hình 4.9. Sai lệch của góc quay khớp 2 có bù ảnh hưởng momen nhiễu cản. . 54
Hình 4.10. Momen cản tổng động cơ khớp 2 .................................................... 55
Hình 4.11. Đồ thị góc quay khớp 2 khi J  thay đổi ( J   2 J đm ) ..................... 55

ii


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của robot SCARA........................................... 16

ii


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
FMS

Flexible Manufacturing System

Hệ thống sản xuất linh hoạt

NC

Numerical control

Điều khiển số

iii


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Trong nền sản xuất hiện đại ngày nay, robot đóng một vai trò hết sức quan
trọng, đem lại lợi ích to lớn trong quá trình sản xuất. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát
triển các loại robot đang là một yêu cầu cần thiết trong quá trình hiện đại hóa nền công
nghiệp.
Robot là một hệ thống phi tuyến và ràng buộc, sự ràng buộc thể hiện ở sự ảnh
hưởng qua lại giữa các khớp. Hệ thống điều khiển robot sử dụng các bộ điều khiển
truyền thống sẽ khó đảm bảo được độ tin cậy và chính xác về vị trí chuyển động của
khớp robot. Vì vậy, với mục đích nghiên cứ bù sự ràng buojc của hệ thống chuyền
động robot, em thực hiện đồ án với tên đề tài: “Xây dựng hệ thống điều khiển
chuyển động cho cơ cấu robot bù ảnh hưởng của momen nhiễu cản”.
Đề tài trình bày thuật toán đơn giản cho phép ước lượng momen cản tổng biểu
thị sự ràng buộc phi tuyến giữa các khớp. Dựa trên mô hình toán học độc lập của một
khớp, sẽ xây dựng hệ thống điều khiển vị trí khớp bao gồm hai mạch vòng điều khiển:
mạch vòng dòng điện động cơ với bộ điều khiển cấu trúc PI và mạch vòng điều khiển
vị trí khớp robot với cấu trúc PD. Với hệ thống đề xuất, độ chính xác vị trí khớp sẽ

không phụ thuộc vào momen gây ra bởi sự ràng buộc phi tuyến các khớp và sự thay
đổi của các tham số cơ học. Phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho 2 khớp quay
trong mặt phẳng của robot SCARA,
Bài báo cáo này được trình bày trong 4 chương:
Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot
Chương 2. Mô hình động lực học phân ly robot SCARA
Chương 3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động độc lập các khớp
Chương 4. Hệ thống điều khiển chuyển động bù momen nhiễu cản
Do thời gian làm đồ án khá ngắn và khả năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em
còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cám ơn nhà trường đã tạo điều kiện về cở sở vật chất để em
có thể thực hiện được đề tài này.
1


Lời nói đầu

Em xin chân thành cám ơn Thầy giáo Ts. Nguyễn Mạnh Tiến, cùng các thầy cô
giáo trong bộ môn Tự động hóa công nghiệp đã tận tình hướng dẫn, góp ý để em có
thể hoàn thành được đồ án này.
Em xin chân thành cám ơn.

Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Phan Mạnh Trung

2

Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ CẤU TẠO VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN ROBOT
1.1. Tổng quan về robot
1.1.1. Khái niệm robot công nghiệp
Robot công nghiệp là thiết bị vạn năng để tự động hóa quá trình sản xuất nhiều
chủng loại chi tiết và được dung trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.
Robot là một cơ cấu đa chức năng với chương trình có thể thay đổi được, có
khả năng thay thế con người để thực hiện nhiều công đoạn trong quá trình sản xuất
như di chuyển nguyên vật liệu, sản phẩm, các chi tiết, thiết bị công nghệ…; thay thế
nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống như thiết bị cấp phôi, lắp ráp sản phẩm, tháo
dỡ chi tiết đã gia công, thiết bị thay dao,…
Tính đa chức năng của robot thể hiện ở chỗ nó có khả năng thực hiện nhiều
công việc khác nhau, phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc. Ví dụ, một
robot có thể được gắn thêm đầu kẹp để gắp, di chuyển sản phẩm, cũng với robot đó ta
có thể gắn thêm mỏ hàn để hàn, hay thiết bị phun sơn để phun sơn… Đây là yếu tố
chính để phân biệt robot với các máy tự động khác.
Chuyển động của robot được điều khiển bằng chương trình lập sẵn và chương
trình có thể thay đổi được để phù hợp với sản xuất. Khả năng này minh họa cho tính
linh hoạt trong điều khiển chuyển động của robot.
1.1.2. Cấu trúc cơ khí của robot
Cấu trúc cơ khí của robot bao gồm các thanh nối được gắn với nhau bằng các
khớp nối. Mỗi khớp được truyền động tạo nên một chuyển động độc lập, số bậc tự do
của robot phụ thuộc vào số chuyển động độc lập của nó. Độ linh hoạt của robot sẽ phụ
thuộc vào số bậc tự do của robot. Một robot có n bậc tự do sẽ có n khớp nối đánh số từ
1÷ n và n+1 thanh nối được đánh số từ 0÷ n. Khớp nối thứ i sẽ nối giữa 2 thanh nối là
i-1 và i. Thanh nối số 0 thường được gắn cố định, thanh nối thứ n gọi là khâu tác động
cuối, ví dụ robot 3 bậc tự do:

3


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.1. Robot 3 bậc tự do
Các khớp được truyền động nhờ cơ cấu chấp hành được gắn trên trục của nó.
Hai loại khớp cơ bản cơ bản trong hệ thống robot là khớp tịnh tiến và khớp quay. Nếu
khớp i là khớp quay, thanh nối i sẽ chuyển động quay quanh trục của khớp nối i. Khớp
quay có 3 dạng, khớp quay dạng R có trục của khớp vuông góc với trục của 2 thanh
nối vào và ra. Khớp quay dạng T có trục trùng với trục của hai thanh nối vào ra. Khớp
quay dạng V có trục của hai thanh nối vào ra vuông góc với nhau, trục quay của khớp
trùng với trục của thanh nối đầu vào. Các dạng khớp quay được mô tả trên hình 1.2.
Trong trường hợp khớp i là khớp tịnh tiến thì thanh nối i sẽ chuyển động tịnh
tiến theo trục của khớp i. Có 2 loại khớp tịnh tiến là khớp tuyến tính và khớp trực giao.
Khớp tuyến tính có trục của khớp trùng với trục của 2 thanh nối vào ra. Khớp trực giao
có trục của 2 thanh nối vào ra vuông góc với nhau, trục của khớp trùng với trục của
thanh nối vào. Các dạng khớp tịnh tiến được mô tả trên hình 1.3.

4


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.2. Các dạng khớp quay.

Hình 1.3. Các dạng khớp tịnh tiến.
Cấu tạo của robot được chia làm hai phần chính là phần cánh tay và phần cổ tay
robot. Phần cánh tay có nhiệm vụ định vị nhằm di chuyển cơ cấu tác động cuối đến vị
trí đặt mong muốn. Phần cánh tay robot có 3 bậc tự do sẽ đảm bảo di chuyển được cơ

cấu tác động cuối đến mọi điểm trong không gian làm việc của robot. Phần cổ tay có
nhiệm vụ định hướng cho khâu tác động cuối để phù hợp với yêu cầu của công việc, ví
dụ xoay bàn kẹp để gắp một chi tiết hay xoay đầu gắn tuốc nơ vít đúng hướng để tháo
lắp chi tiết… Với 3 bậc tự do, một cổ tay robot có thể có thể định hướng theo mọi
hướng trong không gian ba chiều. Như vậy, với cấu tạo 6 bậc tự do, một robot có thể

5


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

thực hiện công việc của mình tại mọi điểm trong không gian làm việc và theo mọi
hướng.
1.1.3. Hệ tọa độ robot
Khả năng công nghệ của robot công nghiệp phụ thuộc rất nhiều vào hệ tọa độ
không gian của robot.
Hệ toạ độ đơn giản nhất là hệ toạ độ hình chữ nhật, nó cho phép di chuyển tay
máy trong không gian hình hộp. Kết cấu của các robot với hệ toạ độ này rất đơn giản
và thuận tiện cho việc lập trình. Tuy nhiên, khả năng công nghệ của robot bị hạn chế.
Hệ toạ độ hình trụ cho phép di chuyển tay máy trong không gian có dạng hình
trụ. Kết cấu của các rôbôt trong trường hợp này không phức tạp lắm. Khả năng công
nghệ của các robot này lớn hơn, nhưng vẫn còn bị hạn chế nhiều.
Hệ tọa độ cầu cho phép di chuyển tay máy trong không gian hình cầu và là hệ
tọa độ vạn năng nhất. Hệ tọa độ này có khả năng công nghệ cao nhất, các robot hoạt
động trong diện tích sản xuất nhỏ và trang bị để phục vụ robot đơn giản. Tuy nhiên,
kết cấu của robot với hệ tọa độ cầu rất phức tạp và việc lập trình cũng không đơn giản.
1.1.4. Hệ thống truyền động robot
Các khớp nối thực hiện được chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp hành được
truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau, như truyền động thủy lực, khí nén,
điện.

Hệ thống truyền động khí nén được sử dụng với công suất nhỏ, cho các ứng
dụng đơn giản như trong các cơ cấu vận chuyển, gắp thả chi tiết. Cơ cấu khí nén có hai
loại là tịnh tiến (xi lanh) và quay (động cơ khí nén). Cơ cấu khí nén được sử dụng rộng
rãi trong nhiều ứng dụng của robot nhờ có ưu điểm:
 Kết cấu đơn giản, an toàn
 Giá thành chế tạo và vận hành thấp
 Nguồn khí nén có sẵn
 Không làm ảnh hưởng đến môi trường
 Chuyển động nhanh

6


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hệ thống truyền động thủy lực có ưu điểm là công suất lớn, chịu được tải trọng
lớn, nó cũng có hai loại cơ cấu chấp hành là tịnh tiến (xi lanh thủy lực) và quay (động
cơ thủy lực). Robot với hệ truyền động thủy lực có các nhược điểm như:
 Di chuyển chậm
 Độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ
 Áp lực dầu không ổn định do có thất thoát trong ống
 Hiện tượng rò rỉ dầu gây ảnh hưởng đến môi trường
 Có thể gây cháy khi ứng dụng để hàn
 độ ồn lớn, phải kiểm tra chất lượng dầu thường xuyên
Hệ thống truyền động điện bao gồm nguồn điện và động cơ điện. Động cơ điện
sẽ cung cấp momen quay cho các khớp trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua bộ truyền
động cơ khí như hệ thống puli và đai truyền, các hộp giảm tốc. Động cơ điện là loại cơ
cấu chấp hành được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống robot do có ưu điểm là
truyền động cho chuyển động nhanh chính xác, dễ dàng thực hiện luật điều khiển phản
hồi. Các robot với hệ truyền động điện có tính linh hoạt cao, đơn giản, an toàn, tiếp

xúc nhẹ nhàng với thiết bị công nghệ.
1.1.5. Phạm vi ứng dụng của robot công nghiệp
Các robot công nghiệp là một trong những thiết bị chủ yếu để đạt được tính linh
hoạt của hệ thống FMS. Các robot công nghiệp có thể làm việc với chức năng của
nhiều thiết bị khác nhau và có thể thực hiện nhiều nguyên công khác nhau. Dưới đây là
các ứng dụng của robot công nghiệp trong hệ thống FMS:
- Ứng dụng robot công nghiệp trong việc di chuyển chi tiết, nạp dỡ tải.
- Ứng dụng robot công nghiệp trong trong cung ứng dụng cụ.
- Ứng dụng robot công nghiệp trong trong các họt động gia công như phay, mài,
đánh bóng,…
- Ứng dụng robot công nghiệp trong các thiết bị kiểm tra.
- Ứng dụng robot công nghiệp để dọn dẹp, thug om chất thải sấn xuất.
- Ứng dụng robot công nghiệp trong lắp ráp rản phẩm.
7


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

1.2. Các hệ thống điều khiển robot
1.2.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển robot
Theo đặc điểm của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại:
Điều khiển thô và điều khiển tinh. Giải bài toán điều khiển thô là xác định luật điều
khiển thích hợp để điều khiển vị trí, tốc độ các khớp do đó quỹ đạo các khớp bám theo
quỹ đạo thiết kế trong khoảng thời gian quá độ nhỏ nhất. Bài toán điều khiển tinh phức
tạp hơn liên quan đến robot chuyển động trong môi trường như robot lắp ráp các chi
tiết máy, bài toán này yêu cầu cả điều khiển vị trí và lực.
Điều khiển chuyển động thô hay điều khiển quỹ đạo trong tọa độ khớp đảm bảo
sai lệch của khớp  q  qd  q  0 . Biến điều khiển ở đây là biến khớp. Yêu cầu điều
khiển là yêu cầu sao cho giá trị thực của biến khớp càng gần với giá trị đặt càng tốt.
Đặc điểm: Đây là phương pháp điều khiển đơn giản vì chỉ cần điều khiển trực tiếp

động cơ truyền động. Mặt khác, ta cũng có thể tính toán được các yếu tố ràng buộc
động cơ và khớp. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một nhược điểm cơ bản đó là
khó đảm bảo chính xác quỹ đạo chuyển động của tay robot.
Điều khiển quỹ đạo trong tọa độ decac biến điều khiển chính là vị trí của tay
robot bám vào sai lệch vị trí cánh tay   sd  s  0 .
Nhận xét: Điều khiển robot trong không gian có ưu điểm là đảm bảo được sai
lệch vị trí của tay tiến đến 0. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này khá phức tạp vì
khi điều khiển ta phải quy đổi từ vị trí của tay về vị trí của khớp thông qua bài toán
động học ngược do đó thời gian và khối lượng tính toán sẽ khá lớn.
Ngoài hai phương pháp điều khiển trên, người ta còn chia phương pháp điều
khiển theo cách thức bộ thiết kế bộ điều khiển: Điều khiển tập trung coi robot là một
hệ thống ràng buộc, khi thiết kế bộ điều khiển cần phải quan tâm đến vấn đề tác động
lẫn nhau giữa các khớp để thiết kế được bộ điều khiển hợp lý và điều khiển phân tán
coi robot có các khớp riêng rẽ, khi điều khiển không quan tâm đến sự ràng buộc giữa
các khớp đó, bộ điều khiển được thiết kế cho từng khớp.

8


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí tọa độ khớp
1.2.2. Hệ thống điều khiển phản hồi
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phản hồi robot được trình bày trên hình 1.4.

qd là vectơ tín hiệu đặt vị trí các khớp robot; M là vectơ momen của các khớp quay và
lực đối với khớp tịnh tiến.

Hình 1.5. Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi
Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng:

M  H q  q V q, q   G q 

9


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với bộ điều khiển PD
a – Bộ điều khiển với phản hồi tốc độ

b – Bộ điề khiển PD với lượng đặt tốc độ

Giả thiết thành phần momen trọng lực G  q  được bù hoàn toàn, sơ đồ hệ thống
điều khiển phản hồi với cấu trúc điều khiển PD có dạng đợn giản như trên hình 1. a.
Trên sơ đồ đó, tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí thực của khớp q ; sai lệch
được đặt vào khâu khuếch đại với hệ số Kp. Tín hiệu ra các khâu tỉ lệ được cộng đại số
với tốc độ của khớp và dặt tới cơ cấu chấp hành của robot.

M dk  K p  qd  q   Kd q
Hoặc viết cho khớp i ta có:

M dki  K pi  qdi  qi   Kdi qi
Trong đó:

K p  diag ( K p1 , K p 2 ,...K pn ) là ma trận đường chéo các hệ số khuếch đại của
từng khớp riêng biệt.

Kd  diag ( Kd1 , Kd 2 ,...Kdn ) là ma trận đường chéo các hệ số đạo hàm của từng
khớp riêng biệt.

Luật điều khiển của một khớp không phụ thuộc vào mô hình robot, chỉ phụ
thuộc vào sai lệch vị trí khớp đó. Do đó, bộ điều khiển khác trình bày trên hình 1.b với
sự bổ sung thêm tín hiệu đặt tốc độ và sai lệch tốc độ được đặt vào khâu Kd. Khi đó
cấu trúc bộ điều khiển có dạng tỉ lệ - đạo hàm (PD) kinh điển:

M dk  K p  Kd 

10


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Trong đó:

  qd  q là sai số tốc độ của khớp robot

  qd  q là sai số vị trí của khớp robot
Hệ thống điều khiển với cấu trúc bộ điều khiển ổn định tuyệt đối toàn cục. Mức
độ và tốc độ hội tụ phụ thuộc vào ma trận hệ số Kd. Nâng cao độ chính xác của hệ
thống điều khiển đạt được bằng tăng hệ số Kp của khâu khuếch đại. Tuy nhiên, Kp và
Kd lớn sẽ làm giảm độ ổn định và chất lượng quá trình quá độ cũng như độ quá điều
chỉnh và thời gian quá độ tăng. Mặt khác, sự tồn tại ảnh hưởng của thành phần momen
trọng lực cũng làm giảm chất lượng của hệ thống. Bộ điều khiển PID sẽ khắc phục
được nhược điểm này của bộ điều khiển PD. Khi đó phương trình momen bộ điều
khiển có dạng:
t

M dk  K p  K d   K I   (t )d
o

Trong đó: KI=diag(KI1, KI2,…KIn) là ma trận đường chéo các hệ số tích phân
Bằng phương pháp tương tự có thể chứng minh hệ thống với bộ điều khiển ổn
định. Tác dụng của khâu tích phân là hiệu chỉnh chất lượng hệ thống khi sự ảnh hưởng
của momen trọng lực không được bù hết.
Phương pháp sử dụng các bộ điều khiển PD hoặc PID rẩ tiện lợi cho cơ cấu
robot có số bậc tự do thấp do việc tính toán đơn giản, các quỹ đạo chuyển động của
các khớp cũng không quá phức tạp, hệ chịu tác động lớn nhất của nhiễu thì không thể
áp dụng phương pháp này.
1.2.3. Hệ thống điều khiển động lực học ngược
Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển động lực học ngược là lựa chộn
luật điều khiển sao cho khử được thành phần phi tuyến của phương trình động lực học
và phân ly đặc tính động lực học thanh nối.
Dựa trên phương trình động lực học robot, giả thiệt tất cả các tham số robot đã
biết hoặc được xác định chính xác, luật điều khiển được chọn như sau:

ˆ
ˆ q)  G(q)
M dk  Hˆ (q ) U V(q,

11


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Cân bằng momen quán tính và H (q ) là ma trận thực dương có thể lấy nghịch
đảo, ta nhận được phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 mô tả động lực học của hệ kín
như sau:


q U



ˆ
ˆ
ˆ

 M dk  H (q ) q  V(q, q)  G(q)
Các bộ điều khiển có thể được thiết kế dưới dạng bộ điều khiển độc lập có cấu
trúc PD hoặc PID cho từng khớp. Luật điều khiển U có cấu trúc PID như sau:
t

U  qd  K p  K d   K I   (t )d
0

Trong đó: qd là đạo hàm cấp 2 của tín hiệu đặt vị trí
Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển động lực học ngược được trình bày như
hình 1.7:

Hình 1.7. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược
Các hệ số Kp, Kd, KI có thể được tính toán theo tiêu chuẩn ổn định và hội tụ bằng
cách đặt nghiệm các phương trình ở vị trí mong muốn bên trái mặt phẳng phức.

1.2.4. Hệ thống điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi là bài toán thiết kế bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất
lượng hệ thống ổn định, cho dù có nhiều không mong muốn tác động vào hệ thống

12


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

hoặc có những sự thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng làm thay đổi
mô hình của nó.
Bộ điều khiển thích nghi thường có một trong hai cấu trúc cơ bản:
- Cấu trúc tự chỉnh tham số
- Cấu trúc có mô hình theo dõi (điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu)
a. Điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số
Trong điều khiển robot, khi một tham số robot khó có thể đo hoặc xác định
chính xác hoặc một số tham số biến đổi trong quá trình làm việc như khối lượng tải
robot gắp ở tay, momen quán tính tải, các thành phần ma sát trong khớp robot… Khi
đó, các hệ thống điều khiển thích nghi được xây dựng và ứng dụng vào điều khiển
robot sẽ đáp ứng được chất lượng điều khiển theo yêu cầu. Sơ đồ khối ứng dụng điều
khiển thích nghi tự chỉnh tham số vào điều khiển robot được trình bày như hình 1.8.

Hình 1.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh tham số
Trong hệ thống điều khiển này, tham số của robot sẽ được xác định (nhận dạng
– ước lượng) và sử dụng trong tính toán các tham số của bộ điều khiển.
b. Điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn
Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn có ưu điểm là nó không
bao gồm mô hình toán học phức tạp và không phụ thuộc vào tham số môi trường.
Phương pháp này được ứng dụng trong robot cho mô hình đơn giản tuyến tính với giả
thiết bỏ qua sự liên hệ động lực giữa các khớp của robot của khớp như hình 1.9.

13


Chương 1. Khái quát về cấu tạo và hệ thống điều khiển robot SCARA

Hình 1.9. Sơ đồ hệ thốn điều khiển thích nghie theo mô hình chuẩn
Tín hiệu vào u(t) được xác định từ khâu tính toán quỹ đạo chuyển động. Sai

lệch giữa đầu ra của mô hình mẫu và đối tượng điều khiển e(t) là tín hiệu vào của khâu
tính luật thích nghi tham số. Đầu ra khâu luật thích nghi tham số có thể là hai dạng: tín
hiệu bù thích nghi g(t) hoặc tín hiệu chỉnh thích nghi tham số. Luật thích nghi tham số
được thiết kế sao cho đảm bảo sai lệch giữa đầu ra mô hình mẫu và đối tượng điều
khiển e(t) luôn bằng không, tức là đại lượng đầu ra của đối tượng luôn bám đại lượng
đầu ra của mô hình mẫu.

1.3. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về robot công nghiệp, 4 phương pháp điều
khiển robot cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp và tổng quan về robot.
Với mục đích nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động độc lập của các
khớp với bù sự ràng buộc giữa các khớp và ứng dụng cho cơ cấu robot 2 thanh nối.

14


Chương 2. Mô hình động lực học phân ly của robot

Chương 2
MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN LY ROBOT SCARA
2.1. Giới thiệu về robot Scara
Robot SCARA là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp bởi
tính linh hoạt và đơn giản của nó.
SCARA (Selectively Compliant Assembly Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp
ráp chọn lọc. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp tịnh
tiến, các khớp quay hoạt động nhờ các động cơ điện một chiều có phản hồi vị trí.
Vận hành chuyển động của các khớp rất thuận lợi, dễ dàng nên nó được ứng
dụng nhiều trong công nghiệp. Các robot SCARA hiện nay thường có từ 3 đến 4 khớp,
các trục khớp song song nên tính toán thiết kế đơn giản hơn, vùng không gian làm việc
đáp ứng được yêu cầu sản xuất. Các bài toán ứng dụng trong robot SCARA không

khác so với robot thông thường, nó còn đơn giản hơn vì số khớp không nhiều và các
khớp là khớp quay. Một số hình ảnh về robot SCARA như ở hình 2.1.

Hình 2.1. Một số hình ảnh về robot SCARA

15


Chương 2. Mô hình động lực học phân ly của robot

2.2. Mô hình toán học robot SCARA Serpent 1
2.2.1. Bài toán động học thuận robot SCARA Serpent 1
Đối với bài toán động học thuận, sẽ xây dựng hệ phương trình mô tả động cấu
hình robot và sử dụng phương trình này tính toán vị trí và hướng tay của robot tương
ứng với biến khớp đã cho, góc quay của các khớp quay hoặc độ dịch chuyển các khớp
tịnh tiến.
Robot SCARA Serpent 1 gồm 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến được mô tả
như hình 2.2.

Hình 2.2. Cấu hình và khung tọa độ của robot SCARA Serpent 1
Từ cấu hình và các trục tọa độ được xác định như trên hình vẽ 2.2 ta tính được
bảng D-H đối với robot SCARA Serpent 1 như bảng 2.1:
Khâu

i

i

ai

di

1

1

0

l1

0

2

2

0

l2

0

3

0

0

0

d3

4

4

0

0

d 4

Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của robot SCARA
16


Chương 2. Mô hình động lực học phân ly của robot

Quan hệ giữa hai trục tọa độ i và i-1 được biểu diễn bởi ma trận sau:

cos i
 sin 
i
Ai  
 0

 0

 sin i cos  i
cos i cos  i

sin  i
0

sin i sin  i
 cosi sin  i
cos  i
0

ai cos i 
ai sin i 
di 

1 

(2.1)

Kết hợp với bảng D-H ta tính được các ma trận thành phần biểu diễn quan hệ
giữa 2 khung tọa độ của 2 khớp I và i-1:

cos 1  sin 1
 sin 
cos 1
1
0
A1  
 0
0

0
 0

cos  2
 sin 
2
1
A2  
 0

 0
1
0
2
A3  
0

0

0
1
0
0

cos  4
 sin 
4
3
A4  
 0

 0

sin  2
 cos  2
0
0

i 1

Ai như sau:

0 l1 cos 1 
0 l1 sin 1 
1
0 

0
1 

(2.2)

0 l2 cos  2 
0 l1 sin  2 
1
0 

0
1 

0 0
0 0 
1 d3 


0 1
 sin  4
cos  4
0
0

(2.3)

(2.4)

0 0 
0 0 
1 d 4 

0 1 

(2.5)

Ma trận 0T4 biểu diễn tay máy robot trong hệ trục tọa độ gốc và được tính như
sau:

 nx
n
0
0
1
2
3
T4  A1. A2 . A3 A4   y

 nz

0

ox
oy
oz
0

17

ax
ay
az
0

px 
p y 
pz 

1