NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

PHẠM THÀNH LONG
PHẠM THÀNH LONG

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH
CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC
CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH
CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
2.01.09

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS-TS TRẦN VỆ QUỐC

THÁI NGUYÊN - 2009
THÁI NGUYÊN - 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

3

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

MỤC LỤC

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Mục

Nội dung

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là:

Phạm Thành Long

Nơi công tác: Bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, ĐHKT CN Thái Nguyên.
Tên đề tài:

Nghiên cứu, khảo sát các thông số làm việc của hệ thống chấp

Trang phụ bìa luận án

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt

9

Danh mục các bảng biểu

11

Danh mục các hình vẽ đồ thị

12

MỞ ĐẦU

15

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

hành của robot công nghiệp.

CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.
Mã số:

Trang

Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành

19

1.1.1

Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp

19

1.1.2

Tổng quan về cổ tay cầu truyền động song song dư

25

1.1.3

Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành

28

1.1.4

Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số

29

Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành

31

Động học

31

1.1

2.01.09

Tôi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tôi. Các kết quả mới trình bày trong

luận án là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào.

1.2
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 11 năm 2008.

1.2.1

Ngƣời viết

PHẠM THÀNH LONG

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



1.2.1.1 Bài toán giải tích động học

32

1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học

32

1.2.2

Tĩnh học

32

1.2.3

Động lực học

33

1.2.3.1 Giải tích động lực học

33

1.2.3.2 Tổng hợp động lực học

34

1.3

Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ
thống

34

1.4

Hƣớng nghiên cứu của đề tài

37

1.5

Kết luận chƣơng 1

38

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




4

5

CHƢƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƢỢC

68

CHƢƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÁY TÍNH GIẢI BÀI TOÁN NGƢỢC

2.1

Chất lƣợng quá trình làm việc của robot công nghiệp

40

2.2

Dữ liệu của bài toán động học ngƣợc robot

41

2.2.1

Dữ liệu động học và vị trí của bài toán ngược trong điều khiển

41

2.2.2

Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học

42

Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực

43

2.3.1

Một số vấn đề cơ bản về động học robot

43

2.3.2

Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực

45

2.3

Kết luận chƣơng 2

2.8

TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

VÀ XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA BIẾN KHỚP
Các chỉ tiêu đánh giá

70

3.1.1

Tính vạn năng

70

3.1.2

Tốc độ hình thành lời giải

70

3.1.3

Tính chính xác

70

3.1.4

Tính thực dụng, khả năng lồng ghép các yêu cầu riêng

71

So sánh kết quả với phƣơng pháp khác

72

3.1

3.2

Quan hệ giữa bài toán động học và bài toán tối ƣu

46

3.2.1

Cơ cấu ba khâu phẳng (Toàn khớp quay)

72

2.4.1

Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán

46

3.2.2

Robot Adept-One (Bốn bậc tự do, q3 tịnh tiến)

75

2.4.2

Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ưu

49

3.2.3

Robot Scorbot (Năm bậc tự do toàn khớp quay)

77

2.4.3

Bài toán di chuyển tối thiểu

50

3.2.4

Robot Stanford (Sáu bậc tự do, q3 tịnh tiến)

79

2.4

Tự động hoá xác định các biến trong điều khiển động học robot

51

3.2.5

Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay)

82

2.5.1

Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ưu

51

3.2.6

Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay)

85

2.5.2

Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính

52

3.2.7

Robot Fanuc (Sáu bậc tự do toàn khớp quay)

88

2.5

Bài toán quy hoạch phi tuyến với ràng buộc dạng chuẩn

53

2.6.1

Bài toán quy hoạch phi tuyến và nghiệm tối ưu của nó

53

3.3.1

Mô tả bài toán

2.6.2

Các phương pháp triển vọng với dạng hàm mục tiêu Banana

2.6

Xây dựng các đặc tính động học của khớp

3.3

54

3.3.2

Xây dựng các ma trận Pi

2.6.2.1 Phương pháp cầu phương tuần tự (SQP)

54

3.3.3

Tính toán chiều dài đường hàn, thời gian hàn

2.6.2.2 Phương pháp Giảm Gradient tổng quát (GRG)

55

3.3.4

Hệ phương trình động học thuận robot VR-006CII

2.6.2.3 Phương pháp di truyền (GA)

56

3.3.5

Giải bài toán ngược tại các điểm chốt

57

3.3.6

Xây dựng đặc tính chuyển động trong không gian khớp

2.6.3

Môi trường lập trình và lựa chọn hàm chức năng

2.6.3.1 Nhận định chung

57

3.3.6.1 Biến khớp q6

2.6.3.2 Kết quả bài toán mẫu

58

3.3.6.2 Biến khớp q5

2.6.3.3 Kết quả chạy chương trình

59

3.3.6.3 Biến khớp q4

2.6.3.4 Lựa chọn phương pháp tối ưu

60

3.3.6.4 Biến khớp q3

Giải bài toán ngƣợc với công cụ Solver của MS – OFFICE

61

3.3.6.5 Biến khớp q2

2.7.1

Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp

61

3.3.6.6 Biến khớp q1

2.7.2

Minh hoạ các thao tác chính với công cụ Solver

65

2.7

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3.4

Mô phỏng robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

90




6

7

Phần mềm điều khiển Robot thí nghiệm

92

dung của đề tài luận án)

3.5.1

Mô tả cấu trúc thí nghiệm

92

TÀI LIỆU THAM KHẢO

3.5.2

Chương trình máy tính

92

CÁC PHỤ LỤC CỦA LUẬN ÁN

Kết luận chƣơng 3

93

Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết kế của Robot thí nghiệm

3.5

3.6

Phụ lục 2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot

CHƢƠNG 4 - TỔNG HỢP ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CỔ TAY ROBOT

Phụ lục 3: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển động cơ bước

BA BẬC TỰ DO
Các cơ cấu cổ tay cầu dùng truyền động bánh răng nón điển

4.1

143

hình

125

Phụ lục 4: Chương trình mô phỏng robot AutoLisp
Phụ lục 5: Mã nguồn chương trình điều khiển robot thí nghiệm

4.1.1

Các cơ cấu điển hình

125

Phụ lục 6: Mã nguồn chương trình mô phỏng động học robot

4.1.2

Phân loại theo số khâu hợp thành

125

Phụ lục 7: Phương trình đặc tính chuyển động của các biến khớp

4.1.2.1 Cổ tay bảy khâu

126

Phụ lục 8: Khai triển sơ đồ cổ tay cầu truyền động song song

4.1.2.2 Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu

126

4.1.2.3 Các cổ tay tám khâu

126

4.1.2.4 Cổ tay chín khâu

126

Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai

127

4.2.1

Phương trình mạch cơ sở

127

4.2.2

Điều kiện đồng trục

128

4.2

Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do

128

4.3.1

Giới thiệu về cổ tay robot cầu có phần đóng mạch

128

4.3.2

Đề xuất cấu trúc phần chấp hành

129

4.3.3

Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch

130

4.3

4.4

4.3.3.1 Điều kiện hoạt động của mạch vòng kín

130

4.3.3.2 Tính chất lát cắt

131

4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu

133

4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch

135

4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả

137

Kết luận chƣơng 4

139

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC
GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

142

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




8

TT

1

9

DANH MỤC

26

CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

27

qi

ĐƠN

28

qi’ Vận tốc (dài/góc) khớp thứ (i)

VỊ

29

qi” Gia tốc (dài/góc) khớp (i)

KÍ

DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ

HIỆU

a(...) Approach (Véc tơ hướng tiếp cận vật thể của bàn kẹp)
Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox

2

ai

3

Ai Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i)

4

aij

5

AT Transpose (A)

6

i

(mm)

Hệ số thứ (i) của đa thức nội suy thứ (j)

31

(rad)

32



33

Sijk Sin(qi + qj + qk)

35
36

Hệ số phục vụ của robot

10 CNC Computer Numerical Control

12 DH Denavit-Hartenbeg

Tn Phương trình động học thuận

i 1

Ti Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1)

j

(sec)

38  j 1 Thời gian thực ứng với điểm đầu đoạn quỹ đạo thứ (j)

(sec)

39

Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp

0

Thời gian thực ứng với điểm cuối đoạn quỹ đạo thứ (j)

37

Cijk Cos(qi + qj + qk)

D

s(...) Sliding. (Véc tơ hướng đóng mở bàn kẹp)

34 SQP Sequential quadratic programming

Góc quay quanh trục ox

8 CAM Computer Aided Manufacturing

11

Biến khớp thứ (i)

30 RPY Roll-Pitch-Yaw

7 CAD Computer Aided Design

9

NC Numerical Control

Ui Upper bound (i)

40

X

Jacobian

41

i

Góc tiếp cận có khả năng định hướng bàn kẹp

(rad)

13

di

Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz

14

E

Véctơ mô tả mũi dụng cụ (hoặc tâm bàn kẹp) trong hệ quy chiếu chung

42

(i ) Độ dài bước đi theo hướng (f ) trong bài toán tối ưu ở vòng lặp (i)

15



Sai lệch tuyệt đối cho phép của hàm mục tiêu

43

i

Góc quay quanh trục oz

44



Véctơ gradien

(mm)

16 EUL Euler

(rad)

17 GA Genetic algorithms
18 GRG Generalized Reduced Gradient
19

IR Industrial Robot

20

J

Véctơ định vị điểm đặt robot so với hệ quy chiếu chung

21

Li

Lower bound (i)

22

m

Độ cơ động của tay máy

23 MRO Minimal Represent Orient
24 n(...) Normal. (Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa s, a)
25

n

Số bậc tự do của robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




10

11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
KÍ HIỆU

NỘI DUNG BẢNG BIỂU

TRANG

2.1

Lời giải mẫu

59

2.2

Kết quả của từng phương pháp

69

2.3

So sánh nghiệm tại điểm E5

60

2.4

Ý nghĩa các thuật ngữ của Solver trên giao diện chương trình

62

2.5

Ý nghĩa các tùy chọn trong Option của công cụ Solver

63

3.1

Bảng kết quả bài toán ngược cơ cấu ba khâu phẳng

74

3.2

So sánh kết quả hàm mục tiêu cơ cấu ba khâu phẳng

74

3.3

Bảng DH robot Adept-One

75

3.4

Bảng kết quả bài toán ngược robot Adept-One

76

3.5

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Adept-One

76

3.6

Bảng DH robot Scorbot

77

3.7

Bảng kết quả bài toán ngược robot Scorbot

78

3.8

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Scorbot

79

3.9

Bảng DH robot Stanford

80

3.10

Bảng kết quả bài toán ngược robot Stanford

81

3.11

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Stanford

82

3.12

Bảng DH robot Elbow

82

3.13

Bảng kết quả bài toán ngược robot Elbow

84

3.14

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Elbow

84

3.15

Bảng DH robot Puma

85

3.16

Bảng kết quả bài toán ngược robot Puma

87

3.17

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Puma

87

3.18

Bảng DH robot Fanuc

88

3.19

Bảng kết quả bài toán ngược robot Fanuc

89

3.20

So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Fanuc

90

3.21

Giới hạn làm việc của các khớp

3.22

Bảng DH của robot VR-006CII

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



3.23

Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian Oc

3.24

Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian OB

3.25

Kết quả bài toán ngược tại các điểm chốt trên quỹ đạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




12

13

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
KÍ HIỆU

NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

3.1

Sơ đồ động học cơ cấu ba khâu phẳng

73

TRANG

3.2

Sơ đồ động học robot Adept-One

75

1.1

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

19

3.3

Sơ đồ cấu trúc robot Scorbot

77

1.2

Robot, bộ dạy học và bộ điều khiển

20

3.4

Sơ đồ cấu trúc robot Standford

80

1.3

Một robot song song

20

3.5

Sơ đồ cấu trúc robot Elbow

82

1.4

Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí

20

3.6

Sơ đồ cấu trúc robot Puma

85

1.5

Bàn tay sử dụng giác hút chân không

21

3.7

Sơ đồ cấu trúc robot Fanuc

88

1.6

Bàn tay sử dụng truyền động đai

21

3.8

Sơ đồ động robot VR-006CII

1.7

Cổ tay cầu truyền động song song dư

21

3.9

Vùng làm việc của robot VR-006CII

1.8

Ứng dụng HGT bánh răng sóng quay thân và quay cánh tay

22

3.10

Mối ghép hàn giữ mặt nón và mặt trụ trong vận tải đường ống

1.9

Đối trọng cho robot

22

3.11

Đường cong ghềnh trong không gian

1.10

Cổ tay robot Scorbot hai bậc tự do

26

3.12

Sơ đồ bố trí vật hàn trong không gian làm việc của robot

1.11

Mobile robot

29

3.13

Hiển thị List sau khi dùng Divide

1.12

Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder

30

3.14

Sơ đồ định hướng giữa mỏ hàn và vật thể

1.13

Hai kiểu khoá chuyển mạch thông dụng

31

3.15

Đồ thị chuyển vị q6 trong 1,5 chu kỳ

2.1

Các dạng sai số lặp lại

40

3.16

Đồ thị vận tốc q6 trong 1,5 chu kỳ

2.2

Trễ trong truyền động nhiều trục

40

3.17

Đồ thị chuyển vị q5 trong 1,5 chu kỳ

2.3

Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp

41

3.18

Đồ thị vận tốc q5 trong 1,5 chu kỳ

2.4

Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác

41

3.19

Đồ thị chuyển vị q4 trong 1,5 chu kỳ

2.5

Giao diện của robot

43

3.20

Đồ thị vận tốc q4 trong 1,5 chu kỳ

2.6

Sơ đồ thuật toán giải bài toán ngược động học

51

3.21

Đồ thị chuyển vị q3 trong 1,5 chu kỳ

2.7

Hộp thoại Solver Parameter

55

3.22

Đồ thị vận tốc q3 trong 1,5 chu kỳ

2.8

Giao diện chính chạy phương pháp SQP.

57

3.23

Đồ thị chuyển vị q2 trong 1,5 chu kỳ

2.9

Giá trị hàm mục tiêu theo phương tìm kiếm

57

3.24

Đồ thị vận tốc q2 trong 1,5 chu kỳ

2.10

Hộp thoại Add-in tuỳ chọn cài Solver

61

3.25

Đồ thị chuyển vị q1 trong 1,5 chu kỳ

2.11

Khởi tạo bài toán tối ưu cho robot Puma

65

3.26

Đồ thị vận tốc q1 trong 1,5 chu kỳ

2.12

Xây dựng mục tiêu của bài toán

67

3.27

Chuyển vị trong không gian khớp

2.13

Hộp thoại Solver parameter

67

3.28

Quỹ đạo mỏ hàn trong không gian công tác

2.14

Hộp thoại nhập các ràng buộc

67

3.29

Giao diện chương trình mô phỏng robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

91




14

15

MỞ ĐẦU

3.30

Bố trí thí nghiệm

92

3.31

Điều khiển robot bằng tay

92

Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động

3.32

Thiết lập chương trình trên giao diện

93

của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm. Robot là đối tượng được

3.33

Xác lập trạng thái chuyển động cho từng động cơ

93

con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông

125

tin và điều khiển học. Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao

3

4.1

Cơ cấu cổ tay T

4.2

Cơ cấu cổ tay Bendix

125

động cơ bắp đơn thuần. Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân

4.3

Cơ cấu cổ tay 7 khâu

126

và môi trường xung quanh. Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về

4.4

Cơ cấu cổ tay 8 khâu trên cơ sở dẫn xuất

126

trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con

4.5

Cơ cấu cổ tay tám khâu

126

người.

4.6

Cơ cấu cổ tay 9 khâu

127

Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940 có

4.7

Cặp bánh răng ăn khớp ngoài

127

những robot thực sự đầu tiên. Đến những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự

4.8

Cấu trúc cổ tay cầu ba bậc tự do

129

động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự

4.9

Sơ đồ nguyên tắc truyền động song song dư

129

4.10

Truyền dẫn hở và truyền dẫn kín

130

4.11

Mạch vòng kín với 1 và 2 khâu vi sai

130

4.12

Sơ đồ tạo lát cắt trên cấu trúc

132

4.13

Cơ cấu vi sai hai bậc tự do phẳng

133

4.14

Cơ cấu vi sai ba bậc tự do phẳng

134

4.15

Sơ đồ động cổ tay ba bậc tự do có phần đóng mạch

137

4.16

Truyền động trục Roll

138

4.17

Truyền động trục Yaw

138

4.18

Truyền động trục Pitch

138

chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ. Những năm gần đây các thành tựu về cơtin-điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực
robot có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành
một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật.
1-Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ,
những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống. Robot và tự
động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người
ra khỏi những lao động nặng nhọc. Do đó, có thể thấy con người mong đợi sự xuất
hiện của những robot hoàn hảo đến thế nào.
Mặc dù robot và robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song bản thân
là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn
có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn. Bên cạnh đó động học, động lực học robot
vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp
giải tích. Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc,
chưa được hiểu biết đầy đủ. Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi
thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học
và động lực học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




16

17

Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được
khai thác đúng mức ở Việt Nam. Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một

thực hiện, độ chính xác của dữ liệu và khả năng ứng dụng máy tính của từng
phương pháp.

trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước,

Trọng tâm của đề tài là xây dựng một thuật toán mới giải bài toán động học

khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực

ngược của tất cả các robot dạng chuỗi động học hở không giới hạn về số bậc tự do.

lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này. Mặt

Thuật toán áp dụng với các cấu trúc robot khác nhau theo một trình tự chung và có

khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn

thời gian thực hiện ngắn hơn, dễ sử dụng hơn so với các phương pháp hiện nay.

đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo
thuận lợi đáng kể.

Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn
bị dữ liệu điều khiển động học robot. Thực hiện các phép thử cần thiết trên các đối

Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực…trên các robot
nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị. Trong khi

tượng khác nhau để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật.
3-Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu

đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, có cấu trúc

theo ý đồ. Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu.

chuỗi động học hở. Chủ yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động học

Chẳng hạn vì lí do giá thành, nhà sản xuất chỉ trang bị bộ nội suy cung tròn và bộ

ngược, xác định các thông số tọa độ suy rộng phục vụ điều khiển chuyển động.

nội suy đường thẳng cho robot hàn. Việc gia công các đường cong ghềnh không

Các thông số động học được xác định qua mô hình toán, việc xác định các thông

gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của

số này bằng con đường lí thuyết, sau đó kiểm chứng lại kết quả với cách làm truyền

hệ điều khiển được trang bị.

thống, kết quả mô phỏng, sẽ đảm bảo tính khách quan của vấn đề.

Các thông số động học, động lực học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng chưa thực
sự chú trọng đến tính thực dụng trong điều khiển thời gian thực. Trong đó các thông
số động học, chủ yếu nhận được thông qua giải hệ phương trình ràng buộc, chưa kể
đến giới hạn cơ học của các khớp. Do vậy việc chọn nghiệm điều khiển từ nghiệm
toán học thường làm kéo dài thời gian vô ích.

4-Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
+ Đánh giá được tính hiệu quả về thời gian, tính vạn năng, độ chính xác của các
phương pháp truyền thống giải bài toán động học ngược robot.
+ Đề xuất một phương pháp giải bài toán ngược mới có tính tổng quát cao, có

Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu giải
quyết vấn đề:

khả năng áp dụng cho tất cả các robot có cấu trúc chuỗi động học hở. Có thời gian
chạy ngắn, đáp ứng được yêu cầu điều khiển thời gian thực.

“Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot

+ Sử dụng máy tính giải bài toán động học ngược, làm cơ sở cho việc tự động

công nghiệp”

hóa chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Xây dựng được các đặc tính làm

2-Mục đích nghiên cứu

việc của biến khớp, gồm đặc tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc.

Đề tài tập trung nghiên cứu về các đặc tính làm việc của robot công nghiệp. Cũng

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng,

như phương pháp xây dựng những đặc tính này, chuẩn bị cho lập trình điều khiển.

nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của cấu trúc chấp hành. Từ bài toán này có

Đánh giá tính hiệu quả các phương pháp đó trên một số phương diện như thời gian

thể nghiên cứu về việc giữ ổn định cho cấu trúc thông qua hạ thấp trọng tâm cơ cấu,
tránh va đập, dịch chuyển tối thiểu, xác định vùng làm việc…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ci
s
Aii 1 (qi )  Aii'1 Aii '   i
0

0

 si ci
ci ci
si

si si
 ci si
ci

0

0

ai ci 
ai si 
di 

1 

18

18

-Ý nghĩa thực tiễn:

CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

+ Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu
về robot hoặc ứng dụng vào quá trình chuẩn bị sản xuất trong thực tế.
+ Rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu, do việc xác định nghiệm toán học và chọn
nghiệm điều khiển được nhập vào bài toán tối ưu.

CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1 Robot công nghiệp và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành
Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp bao gồm các khâu trên cánh tay như:
-

Bệ đỡ (Waist);

-

Vai (Shoulder);

cận với lĩnh vực này của robot sẽ dễ dàng hơn với tất cả mọi người.

-

Khuỷu tay (Elbow);

5-Cấu trúc luận án

-

Cẳng tay (Fore arm);

-

Cổ tay (Wrist);

nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm:

-

Các khớp (joint);

Phần mở đầu.

-

Bàn kẹp và các ngón kẹp (Hand);

+ Thuật toán mới dễ sử dụng hơn so với các thuật toán truyền thống nên việc tiếp

Nội dung luận án được chia thành 4 chương, cuối luận án là kiến nghị cho hướng

Chương 1:

Tổng quan về các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành trên robot

Mỗi tư thế của robot được mô tả bằng một bộ thông số gọi là các toạ độ suy rộng,

công nghiệp.

thường là giá trị của các biến khớp. Tập hợp giá trị các thông số trong cả quá trình

Chương 2:

Giải bài toán động học ngược trong điều khiển robot.

làm việc biến thiên theo một luật xác định gọi là đặc tính.

Chương 3:

Ứng dụng máy tính giải bài toán ngược và xây dựng các đặc tính động

Chương 4:

Các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành gồm chuyển vị, vận tốc và gia tốc

học của biến khớp.

của các khâu nói trên trong không gian công tác và không gian khớp. Để lập trình

Tổng hợp động học cơ cấu cổ tay robot ba bậc tự do.

chuyển động cho robot, các đặc tính chuyển vị, vận tốc, gia tốc cần mô tả dưới dạng

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

một biểu thức giải tích là hàm của thời gian thực.

Danh mục các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án.

1.1.1 Hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp

Tài liệu tham khảo.

Khảo sát hầu hết các định nghĩa về robot công nghiệp hiện nay, có thể thấy một

Phần phụ lục của luận án.

điểm chung đều cho rằng “robot công nghiệp gồm phần chấp hành dạng tay máy có
một số bậc tự do công tác và một hệ thống điều khiển có khả năng tái lập trình để
thực hiện các công việc khác nhau.”
Thực tế thì cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp có thể mô tả như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




19

20

Nếu như ban đầu robot chỉ gồm các khâu khớp cơ khí liên kết thành chuỗi động
học thì ngày càng có nhiều robot sử dụng các phần tử truyền dẫn đa dạng hơn.
1

2

6

L

L

L

5
4

3

G

2

3

1

1

D
D
D

1

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
Khái niệm hệ thống chấp hành để chỉ một tay máy, phần trực tiếp thao tác những

2

5

5

2

4

4
D
D
D

1

3
B

2

Hình 1.4: Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí

công việc được lập trình sẵn bằng một cơ cấu gắp hoặc bằng các dụng cụ mang
trong cơ cấu đó.
Những robot công nghiệp hay tay máy ban đầu có kết cấu phỏng sinh nên có
những phần tương tự như cánh tay người, tức là cũng có khớp bả vai, khớp khuỷu
tay, khớp cổ tay...
Hình 1.5: Bàn tay sử dụng giác hút chân không

Hình 1.2: Robot, bộ dạy học và bộ điều khiển

Hình 1.6: Bàn tay sử dụng truyền động đai

Qua quá trình sáng tạo, cải tiến theo các định hướng sử dụng riêng phần cánh tay
có thể có hình dáng khác xa với ban đầu mà điển hình là các robot song song.

Hình 1.7: Cổ tay cầu truyền động song song dư
Hình 1.3: Một robot song song

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




21

22

Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp cũng là nơi ứng dụng nhiều hình thức
truyền dẫn đặc chủng như:
-

Hộp giảm tốc bánh răng sóng;

-

Hộp giảm tốc chốt – con lăn;

-

Bộ truyền vít me – đai ốc bi;

-

Truyền động đai răng;

-

Truyền động bánh răng Epicyclic.
8
5

6

7

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

Hình 1.9: Đối trọng cho cánh tay

11
12
4

Các ví dụ nêu trên phần nào phản ánh sự đa dạng của hệ thống chấp hành không

13

3
2
1

chỉ về kết cấu, hình thức dẫn động, vật liệu, mà còn cho thấy sự phức tạp trong việc

14
13

điều khiển hệ thống đó của robot công nghiệp.

12 11

Hình 1.8: Hộp giảm tốc bánh răng sóng

Chương 4 của luận án phát triển hình thức truyền động đặc trưng của hệ thống

ứng dụng truyền động quay thân và quay cánh tay
Hiện tại hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp sử dụng nhiều dạng năng
lượng:

chấp hành robot, là cổ tay cầu sử dụng truyền động song song dư. Dưới đây giới
thiệu tổng quan về dạng truyền động này.
1.1.2 Tổng quan về cổ tay robot cầu truyền động song song dƣ

-

Truyền động điện (Robot lắp ráp cỡ nhỏ- Scara);

-

Truyền động thuỷ lực (Các robot cần trục mang tải lớn);

-

Truyền động khí nén (Yêu cầu tác động nhanh như các tay máy gạt, gắp,

Các truyền động song song dư có đặc trưng độ cứng vững cơ học cao, khả năng

thay đổi dao cụ cho máy công tác).

tải lớn do sử dụng hai đường động lực. Đồng thời còn có khả năng khử khe hở và
khử chuyển động theo trong cấu trúc.
Những đặc tính trên của truyền động song song dư nếu kết hợp với dạng truyền

G( KN )
Vì tỉ số
của các hình thức truyền động, mức độ phi tuyến của các đặc
N ( KW)

tính khác nhau nên các thông số điều khiển lực cũng khác nhau.
Để chủ động tạo ra một số yếu tố có lợi cho quá trình làm việc, các thiết kế có xu
hướng đưa động cơ về gần phía giá và sử dụng truyền động đai nhằm hạ thấp trọng
tâm của cấu trúc (Hình 1.1), hoặc sử dụng đối trọng cho phần cánh tay như (Hình
1.9) dưới đây, cả hai thiết kế trên nhằm giảm nhỏ công suất động cơ truyền dẫn.

động bánh răng Epicyclic sẽ đạt được bố trí không gian nhỏ gọn, thích hợp với kết
cấu của các cổ tay robot ba bậc tự do yêu cầu năng lực công tác lớn, độ tin cậy cao
cho các ứng dụng quan trọng như chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không
gian...
Cổ tay là một phần trên cánh tay của robot, thông thường đây là khâu có chức
năng định hướng phần công tác. Trong thiết kế thường có xu hướng lấy chiều dài
các khâu thuộc cánh tay lớn hơn các khâu thuộc cổ tay, những khâu này thường giữ
chức năng đưa phần công tác sơ bộ đạt được định vị cần thiết.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




23

24

Trên thực tế độ chính xác và linh hoạt của thao tác phụ thuộc khá nhiều vào cổ

-

tay. Đây cũng là khâu có kết cấu phức tạp và đa dạng được nhiều tập đoàn lớn đầu

Cổ tay thường (nếu các trục quay của cổ tay tạo với nhau góc 900), loại cổ
tay này thường có 1 chuyển động pitch không toàn vòng, vùng làm việc là

tư nghiên cứu.

một phần mặt cầu.

Cổ tay (wrist) là khâu nằm giữa bàn tay (hand) và cẳng tay (forearm), đồng thời

Các ứng dụng cho cổ tay kiểu này thường là phun sơn, hàn đường, lắp ráp.

giữ vai trò liên kết các khâu này. Thông thường vì yêu cầu giảm quán tính, ưu tiên

Cổ tay ba bậc tự do có một kết cấu đặc biệt là trường hợp ba trục khớp quay đồng

không gian thao tác lớn và hạ thấp trọng tâm phần công tác nên nguồn động lực của

quy tại một điểm gọi là tâm cổ tay, khi đó ba bậc tự do của khớp cổ tay tương

cổ tay và cả bàn tay được bố trí xa tâm quay của nó.

đương với một khớp cầu không gian. Kiểu cổ tay này cho phép giải bài toán động

Cổ tay có tối đa ba bậc tự do và thường ít gặp các cổ tay chỉ có một bậc tự do. Vì
giữ chức năng định hướng nên các cơ cấu cổ tay chỉ cấu tạo từ các khớp bản lề, đó
còn là lí do liên quan đến dẫn động.

học theo phương pháp truyền thống dễ dàng hơn vì tách riêng được hai thao tác
định vị và định hướng phần công tác riêng biệt.
Trong thực hành, thiết kế cổ tay đạt hiệu quả khi hội đủ các đặc điểm:

Cổ tay hai bậc tự do thường kết hợp với phần cơ sở có ba bậc tự do tạo thành

-

Ba bậc tự do;

robot năm bậc tự do. Robot kiểu này có khả năng định vị và định hướng được một

-

Chuyển động cầu;

đường thẳng, thường dùng cho các ứng dụng phun sơn, hàn điểm, lắp ráp hoặc cấp

-

Khoảng định hướng góc lớn;

phôi. Chuyển động của cổ tay thường là chuyển động Roll-pitch, thiếu chuyển động

-

Khả năng nhận truyền động từ xa;

Yaw. Điển hình cho kiểu robot này là họ robot Scorbot.

-

Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp;

-

Độ lặp và độ chính xác cao;

-

Độ cứng cơ học cao;

-

Giá thành sản xuất thấp;

-

Thiết kế tin cậy và chắc chắn.

Nếu điều khiển mạch hở cổ tay phải có khả năng khử rơ ban đầu trong cấu trúc
và khử khe hở sinh ra do mòn, nhằm khắc phục độ trễ của khâu chấp hành.
Hình 1.10: Cổ tay robot Scorbot hai bậc tự do
Các cổ tay robot ba bậc tự do nếu truyền động bánh răng Epicyclic đòi hỏi tính
toán khá phức tạp. Nếu cổ tay ba bậc tự do kết hợp với phần cơ sở có đủ ba bậc tự
do robot sẽ có khả năng định vị và định hướng vật thể bất kì trong không gian.
Cổ tay robot có ba bậc tự do truyền dẫn bánh răng epicyclic có hai kiểu chính:
-

Cổ tay nghiêng (nếu các trục quay của cổ tay không tạo với nhau những góc
900), loại cổ tay này có chuyển động góc không bị giới hạn, vùng làm việc

Nhận dạng cấu trúc phần đóng mạch của cổ tay robot truyền động song song dư
đòi hỏi xây dựng một số mô hình toán học, dựa trên phương trình mạch cơ sở của
bánh răng epicyclic. Các vấn đề này được trình bày trong chương 4, kết cấu của cổ
tay thí nghiệm trình bày trong phụ lục của luận án.
1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành
Theo sơ đồ cấu trúc cơ bản của robot (H 1.1), các thông số mà robot tiếp nhận
trong quá trình làm việc có thể chia thành hai nhóm cơ bản:
- Các thông số về trạng thái hệ thống;

của nó là mặt cầu lí tưởng.

- Các thông số về trạng thái môi trường làm việc;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




25

26

Như vậy liên quan đến hệ thống chấp hành ở đây chỉ có các thông số về trạng thái
hệ thống. Quan tâm đến thông số điều khiển hệ thống chấp hành gồm hai nhóm

(8). Các thông số bù sai lệch hình dáng do biến dạng dưới tác dụng ngoại lực.
1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số
Dữ liệu phục vụ điều khiển phụ thuộc vào phương thức điều khiển.

thông số chính:
- Các thông số điều khiển động học;

Trong phân loại robot theo tiêu chuẩn Nhật, có một nhóm robot điều khiển bằng

- Các thông số điều khiển động lực học;

tay dựa trên nguyên lý tương tự. Loại robot này chấp nhận dữ liệu điều khiển động

Cụ thể hơn, các thông số thuộc nhóm động học gồm:

học là chuyển vị của cơ cấu mẫu gắn với tay người thao tác. Sự hồi tiếp lực cho

(1). Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian công tác;
(2). Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian khớp;

phép người công nhân cảm nhận được tải trọng của cơ cấu chấp hành.
Kỹ thuật dạy hoc (Teach - in), sử dụng một bộ điều khiển và một thiết bị Remote

(3). Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ ra;

– control (Hình 1.1), xác nhận dữ liệu vị trí và định hướng của khâu chấp hành cuối

(4). Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ vào;

thông qua các cảm biến gắn với cơ cấu chấp hành. Trong khi đó kỹ thuật xử lí ảnh

Các thông tin (2,4) thường là kết quả của việc giải bài toán ngược, chúng được sử

thường được ứng dụng để tìm đường đi cho các Mobile – robot.

dụng làm thông số điều khiển động học cấu trúc chấp hành.
Các thông tin (1,3) thường được mô tả tại các điểm chốt của quỹ đạo, vì vậy để
có thông số điều khiển cho cả động trình thông thường cần thêm một thao tác nội
suy số liệu trung gian.
Tóm lại bài toán động học đòi hỏi các thông tin về chuyển vị của từng khâu (qi)
trong không gian khớp, và các đạo hàm cấp 1, cấp 2 của nó.
Các thông số thuộc nhóm động lực học phục vụ điều khiển gồm:
(5). Lực suy rộng (Lực hoặc mômen tối thiểu đặt vào khớp để phát động chuyển
động).
Thông thường robot công nghiệp hiện đại duy trì cả hai mạch điều khiển lực và
điều khiển chuyển vị. Vì vậy có thể nói 5 nhóm thông tin trên là các thông số cơ bản

để điều khiển robot hoạt động.
Trong quá trình làm việc vị trí và định hướng của robot có thể sai lệch do các
nguyên nhân khác nhau, bản thân cấu trúc có thể bị biến dạng dưới tác dụng của
ngoại lực trong quá trình làm việc. Nhằm hiệu chỉnh các sai lệch này có thể sử dụng
các giải thuật bù, điều này dẫn đến các thông số làm việc của robot có thể bao gồm
cả các thông số bù:
(6). Các thông số bù sai lệch định vị;

Chẳng hạn robot di động như H 1.10, thông số động học được hình thành trên cơ
sở thông thông tin cung cấp bởi các cảm biến gồm:
-

10 cảm biến siêu âm với độ phân giải  5(mm) ;

-

1 máy dò vị trí;

-

17 cảm biến tương tự;

-

5 cảm biến hồng ngoại;

-

18 cảm biến kỹ thuật số.

Các cơ cấu điều khiển bằng công tắc hành trình cứng không được chấp nhận là

(7). Các thông số bù sai lệch định hướng;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Hình 1.11: Mobile robot

robot, vì vậy phương thức điều khiển tiếp theo ứng dụng cho robot là điều khiển số.



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




27

28

Các tế bào tự động trong sản xuất linh hoạt được điều khiển số như robot hoặc máy
CNC thường chấp nhận dữ liệu đầu vào từ nhiều nguồn khác nhau (H 2.4).
Trong điều khiển số thông số làm việc được giám sát liên tục thông qua các cảm
biến gắn với hệ thống truyền động, thông thường có hai khả năng chính khi bố trí
các cảm biến vị trí:
-

Trong [8] còn trình bày hệ thống tự động linh hoạt Tipros-90 gồm các robot công
nghiệp nhận tín hiệu điều khiển bằng tiếng nói.

Để truyền dữ liệu hai chiều giữa robot và bộ điều khiển thường sử dụng sơ đồ kết
nối:
Máy tính nối với Controller-USB thông qua modul USB, modul này lại nối với

Nếu truyền động mạch hở (đòi hỏi độ trễ truyền động cơ khí nhỏ), lượng

robot thông qua cable giao diện, có thể sử dụng các cổng tín hiệu số hoặc tương tự.

dịch chuyển được xác định ngay trên trục động cơ;

1.2 Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành

Nếu điều khiển mạch kín, chuyển vị được xác định trên khâu chấp hành.

Thiết bị thông dụng để xác định chuyển vị là các Encorder dựa trên nguyên lí
quang điện.

Các bài toán cơ học cơ cấu là căn cứ xác định các thông số làm việc của hệ thống
chấp hành, việc điều khiển robot không thể không dựa trên các mô hình động học
và động lực học cơ cấu.
Thông thường thông tin về quỹ đạo trong không gian khớp, nhận được khi giải
bài toán động học ngược được sử dụng để điều khiển chuyển vị.
Thông tin về lực tổng quát dựa trên các mô hình động lực học của NewtonEuler, Đalambe, hay Lagrange là cơ sở thiết kế các sơ đồ điều khiển lực.

Hình 1.12: Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder
Các giới hạn chuyển vị được nhận biết bằng các khoá chuyển mạch.

1.2.1 Động học
Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến các lực hoặc các mômen
gây ra chuyển động. Động học chỉ xét vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm cấp cao

của các biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác. Do đó động học chỉ đề
cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển động. Các biến khớp của cơ cấu
chấp hành liên quan đến vị trí và định hướng của đầu tác động theo các ràng buộc
của các khớp đó. Các quan hệ động học này là tiêu điểm nghiên cứu động học các

Hình 1.13: Hai kiểu khoá chuyển mạch thông dụng
Trong điều khiển thông minh, dữ liệu được hình thành dựa trên các suy luận ảo
của mạng nơron. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy control) sẽ tự động xây dựng
thông số làm việc dựa trên những luật điều khiển đã được huấn luyện trước. Đây là
phương thức điều khiển có nhiều triển vọng hiện đang được tiếp tục nghiên cứu.
Một hình thức khởi tạo tín hiệu đặc biệt khác bước đầu đã thu được kết quả rất
khả quan là sử dụng xung điện của não bộ đã khuyếch đại điều khiển các chi nhân
tạo của người tàn tật. Nếu chi đó là tay máy gắn vào tay người sử dụng, cần hiểu
rằng tay máy này không thuộc nhóm điều khiển bằng tay.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

cơ cấu chấp hành robot. Nghiên cứu này có thể tiếp cận theo hai quan điểm giải tích
động học và tổng hợp động học, hai quan điểm này có liên quan chặt chẽ với nhau.
1.2.1.1 Bài toán giải tích động học
Giải tích động học nghiên cứu về đạo hàm, vi phân, tích phân của các chuyển
động tương đối. Có hai kiểu bài toán giải tích động học là động học thuận và động
học ngược. Trong lập trình cơ cấu chấp hành, tập hợp các vị trí và định hướng mong
muốn, các đạo hàm thời gian của vị trí và định hướng của đầu tác động, được
chuyên biệt trong không gian. Vấn đề là tìm mọi tập hợp khả dĩ của các biến khớp
động, là các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng để đầu tác động đạt vị trí và



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

29

30

định hướng mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu. Vấn đề này

không gian và thời gian của quỹ đạo cho trước mà còn phụ thuộc vào các tính chất

được gọi là động học ngược. Mặt khác, đôi khi các biến khớp động và các đạo hàm

khối lượng của khâu, tải trọng, các ngoại lực…

thời gian của chúng có thể nhận được từ các cảm biến lắp trong khớp, từ đó có thể

Động lực học cơ cấu chấp hành robot có thể được xem xét theo hai quan điểm,

tìm mọi tập hợp khả dĩ về vị trí và định hướng của đầu tác động và các đạo hàm thời

giải tích động lực học và tổng hợp động lực học.

gian tương ứng của chúng. Điều này được gọi là động học thuận. Vấn đề về động

1.2.3.1 Giải tích động lực học

học thuận và động học ngược đều có thể giải quyết bằng nhiều phương pháp giải

Nghiên cứu các phương trình chuyển động của các cơ cấu cho trước. Có hai kiểu

tích, chẳng hạn giải tích véc tơ hình học, đại số ma trận,…

bài toán giải tích động lực học là bài toán động lực học thuận, và bài toán động lực

1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học

học đảo.

Tổng hợp động học là quá trình ngược của giải tích động học. Trong trường hợp
này cần thiết kế cơ cấu chấp hành có các tính chất động học mong muốn. Đặc biệt,
với tập hợp các vị trí và định hướng của đầu chấp hành đã biết và các đạo hàm của

Động lực học thuận có thể hiểu như sau:
Cho một tập hợp các hàm mômen và lực khớp kích hoạt, hãy tính chuyển động
của đầu tác động theo hàm thời gian.

chúng trong không gian, cần xác định các biến khớp động tương ứng, kiểu loại và

Động lực học đảo có thể được hiểu như sau:

dạng hình học của cơ cấu chấp hành. Vấn đề tổng hợp động học có thể được chia

Cho quỹ đạo của đầu tác động theo hàm thời gian, hãy tìm tập hợp các hàm lực

thành ba giai đoạn liên quan là tổng hợp kiểu loại, tổng hợp số lượng và tổng hợp
chiều.

hoặc mômen khớp động tạo ra chuyển động đó.

Hiệu suất tính toán của động lực học thuận không yêu cầu cao, do chủ yếu chỉ
được dùng cho các mô phỏng cơ cấu chấp hành robot trên máy tính. Mặt khác mô

1.2.2 Tĩnh học
Tĩnh học nghiên cứu các quan hệ lực tạo ra sự cân bằng giữa các thành phần khác
nhau cuả cơ cấu chấp hành. Cơ cấu này có thể hoạt động do lực phát sinh từ nhiều

hình động lực học đảo hiệu quả là rất quan trọng với điều khiển thời gian thực.
1.2.3.2 Tổng hợp động lực học

nguồn khác nhau, chẳng hạn trọng lực, lực ma sát, lực quán tính, lực do tải…Các

Là quy trình ngược của giải tích động lực học, đặc biệt là khi thiết kế các cơ cấu

lực này phải được xem xét trong giai đoạn thiết kế cơ cấu chấp hành của robot. Về

chấp hành robot với các đặc tính chuyển động động lực mong muốn. Bài toán tổng

nguyên tắc lực quán tính không được xem xét trong phân tích tĩnh học. Các lực cân

hợp động lực phức tạp hơn giải tích động học.

bằng phụ thuộc vào cấu hình của cơ cấu chấp hành nhưng không phụ thuộc vào thời

1.3 Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ thống
Như trình bày ở trên số lượng các thông số làm việc của hệ thống chấp hành là rất

gian.

lớn. Việc xác định nhanh chóng, chính xác các thông số này có ý nghĩa khoa học và

1.2.3 Động lực học
Động lực học nghiên cứu các lực, mômen cần thiết để gây ra chuyển động của hệ

thực tiễn trong điều khiển robot.

các vật thể. Nghiên cứu về lực quán tính là một trong những vấn đề chính. Động lực

Cấu trúc chấp hành của robot là một hệ có độ phức tạp cao, các nghiên cứu lý

học cơ cấu chấp hành robot là vấn đề rất phức tạp. Nói chung, bộ tác động cuối

thuyết cổ điển bằng công cụ giải tích thường gặp khó khăn ở điểm này. Chẳng hạn

chuyển động theo đường dẫn cho trước với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu.

các mô hình động lực học dưới dạng giải tích thường quá dài nên thiếu đi ý nghĩa

tập hợp các chức năng lực, mômen được áp dụng tại các khớp động để tạo ra

thực tế trong sử dụng. Vì vậy với động lực học hiện thời có hai hướng giải quyết

chuyển động đó. Các lực và mômen này không chỉ phụ thuộc vào các thuộc tính

cho vấn đề này:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

31

32

-

Biểu diễn các phương trình động lực học dưới dạng số phức;

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1996 “Về một phương pháp giải bài

-

Khảo sát thực nghiệm hệ thống để xác định các thông số làm việc.

toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của người máy”.

Các đặc tính động lực học có thể đạt được bằng cách khảo sát hệ thực với đầu đo

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1997 “Điều khiển chuyển động của

gia tốc, dựa trên quan hệ tích phân giữa các đại lượng có thể xác định được các

robot hàn theo quỹ đạo định trước”.

thông tin liên quan.

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1999 “Phát triển phương pháp các

Hiện nay mô phỏng và thực nghiệm là hai hướng nghiên cứu phát triển mạnh

nhóm ba để giải bài toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của

trong lĩnh vực xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành, điều này có

tay máy- người máy”.

nguyên nhân một phần từ sự bế tắc của các nghiên cứu lý thuyết khi áp dụng các mô

- Trong [8], tác giả Nguyễn Thiện Phúc cũng trình bày về phương pháp giải gần

hình giải tích vào một hệ cấu trúc phức tạp như robot.

đúng nghiệm của hệ phương trình động học ngược robot trên cơ sở khai triển

Do ý nghĩa đặc biệt quan trọng của thông số làm việc, nên đã và đang có khá

Taylor, đây là một trong các phương pháp số tìm ra kết quả thông qua một quá trình

nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào làm rõ hơn các bài toán cơ học cơ cấu

lặp.

chấp hành. Bài toán động học và động lực học cơ cấu song song được cho là vẫn

- Nghiên cứu của Fu. K. S. Gonzater R. C., Lee C. S. G., năm 1987 “Giải bài toán

còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng khi khảo sát bằng giải tích.

động học ngược của robot Puma theo phương pháp hình học”.

Có một số nghiên cứu tập trung cải thiện tốc độ đáp ứng của cơ cấu chấp hành
với tín hiệu điều khiển, trong khi robot phải bám quỹ đạo tốt hơn và phản ứng
nhanh hơn thì bộ điều khiển có yêu cầu nhỏ gọn hơn và sử dụng năng lượng hợp lí
hơn.

- Nghiên cứu của Paul R. P., năm 1981 “Phương pháp biến đổi ngược các ma trận
thuần nhất 4x4 giải bài toán động học ngược robot Stanford”.
Nhược điểm của các phương pháp này là chưa có cách chung để xác định một lời
giải có thể thích hợp ngay trong số khá nhiều lời giải có thể tồn tại.

Các hướng nghiên cứu về cải tiến hệ truyền động cho robot, nhằm nâng cao hiệu
suất và năng lực của hệ thống chấp hành, chẳng hạn các nghiên cứu về điều khiển
động cơ tuyến tính để truyền động trực tiếp chuyển động tịnh tiến.
Các hướng nghiên cứu về bù sai số bằng cách sử dụng hàm định dạng cho các
thiết bị điều khiển số nói chung như máy công cụ, robot công nghiệp.
Trong lĩnh vực động học robot có thể nêu một số nghiên cứu tương cận với đề tài

Cũng có thể thấy có rất nhiều học giả phát triển các phương pháp số mang tên
mình để giải bài toán động học ngược robot như:
- Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester;
- Phương pháp Raghavan và Roth;
- Phương pháp Tsai-Morgan;
- Phương pháp Newton-Raphson.
Đặc điểm chung của các phương pháp số như [8], nhận xét là “Có thể không đưa

của luận án này như:
- Phương pháp hoạ đồ véc tơ vị trí có thể sử dụng cho các cơ cấu phẳng đơn giản.
- Nghiên cứu của Pieper sử dụng phép biến đổi đồng nhất xác định các phương trình
ứng với các phần tử vuông góc, thể hiện ở hàm sin và cos thích hợp. Từ đó tính góc

đến lời giải vì các hàm siêu việt không phải lúc nào cũng có độ hội tụ”.
Nhận thấy phương pháp Newton-Raphson có chi phí tính toán lớn và không phải
lúc nào cũng hội tụ vì phụ thuộc vào điều kiện đầu.

thông qua hàm arctg hai biến, hàm này có thể nhận giá trị thực hoặc giá trị phức nếu

Có thể sử dụng chuỗi Taylor và ma trận Jacobi để viết phương trình xấp xỉ toạ độ

hàm nhận giá trị phức tương ứng với trường hợp vô nghiệm. Thông thường phương

đầu, dùng phương trình xấp xỉ đó để xây dựng thuật toán hội tụ tới nghiệm yêu cầu.

pháp này áp dụng tốt với những robot đơn giản.

Thuật toán hội tụ có 2 kiểu là sai phân tới và sai phân lùi. Sử dụng lược đồ sai phân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

33

34

tới khi muốn có kết quả nhanh song sai số tích lũy sẽ khá lớn qua nhiều bước lấy

Tất cả các nghiên cứu nêu trên dù có lịch sử khá lâu dài, với quan điểm và cách

mẫu vì phương pháp này không cho kết quả chính xác theo yêu cầu cho trước. Sử

thực hiện khác nhau song có thể thấy việc tìm kiếm một phương pháp có tính tổng

dụng lược đồ sai phân lùi có thể cho kết quả chính xác tùy ý (có thể đạt tới 1e-12),

quát cho bài toán động học ngược robot vẫn chưa kết thúc.

tuy nhiên phải giải lặp lại từng bước lấy mẫu.

1.4 Hƣớng nghiên cứu của đề tài

Gần đây xuất hiện thêm phương pháp dịch chuyển vi phân giải bài toán động học

Robot đầu tiên xuất hiện vào những năm 1940, sau 70 năm được các cường quốc

ngược, trong cách làm này các chuyển động giả thiết là rất nhỏ nhằm tuyến tính hoá

về khoa học công nghệ phát triển, là tiêu điểm của nhiều tập đoàn công nghiệp đa

các đại lượng siêu việt bằng cách xấp xỉ chúng với giá trị thực trong hàm khi tính

quốc gia và xuyên quốc gia. Có những vấn đề về robot tưởng như đã tiệm tiến đến

góc bằng đơn vị Radian.

sự hoàn hảo, song luôn có những giới hạn bị phá vỡ do trình độ khoa học công nghệ

Tại Vica 6 (2005) có một số công trình ứng dụng kỹ thuật xử lí ảnh để từ đó xây

ngày càng cao.

dựng thông tin điều khiển thay cho giải bài toán ngược. Cách làm này có thể xử lí

Nhằm có được những nghiên cứu mới để ứng dụng và khai thác triệt để những

với 1 hay nhiều camera, song chưa có báo cáo nào ứng dụng kỹ thuật này cho robot

tính năng ưu việt của robot công nghiệp. Đồng thời ứng dụng máy tính vào việc

công nghiệp.

chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Tác giả luận án định hướng nghiên cứu

Tại các diễn đàn www.hitecvnonline.com;

theo những mục tiêu sau đây:

/>
-

Các thành viên có nêu ra một phương pháp khác cho bài toán động học ngược:

Đầu tiên đặt trục tọa độ lên các khớp theo phương pháp đã biến đổi (hệ tọa độ

quát cao, có ưu thế về thời gian thực hiện so với các mô hình khác.
-

khớp i đặt trên trục khớp i, thay vì dùng phương pháp chính tắc hệ toạ độ i đặt trên
trục i-1). Phương pháp này đơn giản ở chỗ khi tính ma trận xoay giữa các khớp, ở

Xây dựng một chương trình máy tính có chức năng giải bài toán ngược cho tất
cả các robot cấu trúc chuỗi động học hở, trên cơ sở thuật toán đề xuất.

-

học thuận T6 = A1.A2...A6, từ đó nhân nghịch đảo các ma trận để tìm động học
ngược, có thể thấy một đặc điểm là phải nhân nghịch đảo đến khi nào mà ở cột thứ

Lựa chọn giải thuật phù hợp với bài toán trên hai tiêu chí phù hợp về chức năng
và thời gian thực hiện ngắn nhất.

-

cột thứ 4 sẽ ko có biến xoay nên không có các hàm siêu việt cos hay sin.
Sau đó lựa chọn khớp có đặc trưng nhất cho robot. Khi tính phương trình động

Xây dựng một mô hình mới cho bài toán động học ngược robot, có tính tổng

Kiểm nghiệm lại tính xác thực của bài toán với các robot được lựa chọn đặc
trưng cho các nhóm cấu trúc hở khác nhau.

-

Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu cổ tay robot cầu ba bậc tự do truyền dẫn song song

4 của ma trận kết quả của 1 trong 2 vế phương trình xuất hiện một thành phần là

dư để khử khe hở trong bộ truyền cơ khí, ứng dụng cho các mục đích đòi hỏi độ

hằng số. Tại đó, khớp đã nhân nghịch đảo ở phép tính trước được gọi là khớp đặc

cứng vững cơ học cao và khả năng tải lớn.

trưng nhất của Robot.

1.5 Kết luận chƣơng 1

Phương pháp này không giải thích được làm thế nào tìm khớp đặc trưng của

Xác định nhanh chóng và chính xác các thông số làm việc của hệ thống chấp

robot, đây cũng là một yếu tố mang tính kinh nghiệm thực hành. Phương pháp này

hành phục vụ điều khiển robot là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn.

cũng có khó khăn với các tay máy mà có hệ quy chiếu O6 không trùng với các hệ

Chỉ có xây dựng được những thuật toán hiệu quả giải quyết vấn đề này mới giúp

trước đó (thường gặp ở tay máy Nhật).

làm chủ thực sự các quá trình động học và động lực học robot, đặc biệt là các robot

có nhiều bậc tự do.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ci
s
Aii 1 (qi )  Aii'1 Aii '   i
0

0

 si ci
ci ci
si

si si
 ci si
ci

0

0

ai ci 
ai si 
di 

1 

35

36

Vì số lượng các thông số làm việc như trình bày ở trên là khá lớn, trong luận án

CHƢƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN NGƢỢC

giới hạn vấn đề nghiên cứu ở lĩnh vực động học mà chủ yếu tập trung vào bài toán

TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC ROBOT
2.1. Chất lƣợng quá trình làm việc của robot công nghiệp

ngược.
Một trong những điểm mấu chốt để robot phản ứng nhanh hơn với tín hiệu điều

Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh hưởng theo

khiển là rút ngắn thời gian xây dựng dữ liệu động học. Khi tốc độ của các cụm điện

những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số điều khiển. Quá trình

toán bị giới hạn ở trình độ nhất định thì hướng can thiệp vào tốc độ giải bài toán

làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa sau:

động học là xây dựng một giải thuật mới, tính tổng quát và tốc độ hội tụ cao.

Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính xác về

Cách làm truyền thống là xác định tất cả các nghiệm toán học, sau đó lại loại bỏ

mặt động học cơ cấu. Sai số quỹ đạo có hai nguyên nhân chính là cơ cấu không đáp

các nghiệm không hợp lí. Như vậy việc giải bài toán ngược động học bị kéo dài vô

ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển không đáp ứng độ chính xác cần thiết.

ích. Trình tự giải bài toán ngược cho các robot khác nhau thường khác nhau, các

Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp tục làm rõ do độ phân giải

bước lại có thể không tuân theo trật tự cố định.

của thiết bị điều khiển không đủ (lí do về phần cứng), hoặc do giải thuật điều khiển

Nhằm khắc phục thiếu sót này luận án sẽ xây dựng một giải thuật có khả năng

không đáp ứng được (nguyên nhân do chuẩn bị điều khiển không đáp ứng yêu cầu

ứng dụng cho tất cả các cấu trúc robot hở khác nhau không bị giới hạn bởi số bậc tự

gồm không đáp ứng được độ chính xác cần thiết hoặc không đáp ứng tốc độ tính

do, với thời gian chạy ngắn hơn, dễ sử dụng hơn các phương pháp truyền thống.

toán cần thiết).

Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn
bị dữ liệu điều khiển động học robot.
Các vấn đề kỹ thuật cao như robot công nghiệp vốn khó tiếp cận với tất cả mọi
người nói chung, việc tạo ra những phương pháp xác định các thông số làm việc của
hệ thống chấp hành đơn giản và hiệu quả, không chỉ có ý nghĩa khoa học và thực
tiễn mà còn có tính cấp bách, nhất là trong điều kiện nền sản xuất tự động linh hoạt
của Việt Nam mới bắt đầu hội nhập với thế giới.

Hình 2.1: Các dạng sai số lặp lại

Hình 2.2: Trễ trong hệ thống truyền động nhiều trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




37

38

Robot có thể thực hiện chính xác một quỹ đạo nào đó lặp đi lặp lại nhiều lần hay

không, liên quan đến độ chính xác động học khi đảo chiều chuyển động, chính xác
là khả năng khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí.

Ở sơ đồ điều khiển trong không gian công tác, bài toán ngược được giải trong
mạch phản hồi.
Có thể thấy dữ liệu của bài toán động học chia thành hai nhóm:

Chất lượng của quá trình làm việc còn đánh giá thông qua ổn định động lực học,
trong những chế độ làm việc đặc trưng khác nhau, như vận tốc, gia tốc, xung động
và va chạm.

Nhóm thông số gồm các yếu tố có thể xác định được dựa trên thiết kế của robot
như:
-

Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển
chuyển vị trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở mô hình

trên bảng DH).
-

động lực học hệ thống. Trong chương này đề cập đến việc xây dựng dữ liệu đầu vào
cho bài toán điều khiển chuyển vị, trên cơ sở tìm kiếm một thuật toán mới cho bài
toán động học ngược.

Chiều dài khâu (đo theo đường nối tâm hai khớp của nó, kích thước kí hiệu d
Khoảng cách giữa hai gốc hệ quy chiếu kề nhau không cùng 1 khâu (đo theo
phương trục khớp, kích thước kí hiệu a trong bảng DH).

-

Góc xoắn của khâu (kích thước kí hiệu  trong bảng DH).

Các thông tin này đều đã biết trước trong cả bài toán thuận và bài toán ngược.

2.2. Dữ liệu của bài toán động học robot

Nhóm thứ hai là biến khớp: Bao gồm lượng tịnh tiến của khớp tịnh tiến hoặc góc

2.2.1. Vị trí của bài toán ngƣợc trong điều khiển

quay của khớp quay các giá trị này là đầu ra của bài toán động học ngược. Trong

Nhiệm vụ của phần công tác được thiết lập trong không gian công tác, trong khi
tác động điều khiển lại đặt vào khớp, nên biến khớp là đối tượng điều khiển trực

bài toán thuận đây là thông tin biết trước.
Để giải bài toán ngược cần xác định thêm thông tin về phần chấp hành (vị trí và

tiếp. Vì vậy bài toán động học ngược bao giờ cũng phải được giải, nhưng vị trí của

hướng), dữ liệu này do người sử dụng đưa ra trong bài toán ngược.

nó khác nhau giữa trường hợp điều khiển trong không gian khớp và điều khiển

2.2.2. Các phƣơng pháp xây dựng dữ liệu động học
Trong quá trình sử dụng một robot công nghiệp, các khả năng công nghệ tiêu

trong không gian công tác.
Khi điều khiển trong không gian khớp, bài toán động học ngược được giải trước

để chuyển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp.

chuẩn có thể không thỏa mãn những yêu cầu thực tế. Nếu gặp trường hợp cần điều
khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo phức tạp hơn so với khả năng của bộ nội
suy, việc xây dựng dữ liệu điều khiển là cần thiết. Giao diện qua cổng USB với file
NC code viết theo chuẩn lập trình do nhà sản xuất quy định thường là lựa chọn
trong trường hợp này.
Cấu trúc kết cấu của robot cho phép nó thực hiện các chuyển động không gian

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp

phức tạp, đồng thời cấu trúc điều khiển cho phép nhận tín hiệu chỉ huy từ nhiều
nguồn khác nhau. Do vậy khả năng công nghệ của robot chỉ phụ thuộc vào phương
thức chuẩn bị và truyền dữ liệu.

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




39

40

Trên cơ sở các quy tắc này có thể sử dụng phương pháp ma trận truyền để xác
định vị trí và định hướng của hai khâu bất kì trong chuỗi động so với nhau hoặc so
với giá, trong đó vị trí và định hướng của khâu tác động sau cùng gắn với bàn kẹp
mô tả trong hệ quy chiếu cơ sở thường được gọi là phương trình động học thuận
(dạng ma trận), hoặc hệ phương trình động học thuận (dưới dạng đại số).
Cách thông thường nhất để xây dựng phương trình động học ngược là dựa trên

Hình 2.5: Giao diện của robot
Trong trường hợp không cần độ chính xác cao, dữ liệu động học được tạo ra từ
thiết bị điều khiển từ xa, kết hợp với kỹ thuật dạy học.
Dữ liệu động học có thể tiến hành nội suy trên cụm điện toán của robot nếu có
dạng phù hợp với thiết bị nội suy trang bị, chẳng hạn đường thẳng, cung tròn.
Kết nối qua cổng USB đòi hỏi xây dựng mô hình toán học của đường dịch
chuyển, vấn đề chính ở đây là khối lượng tính toán bài toán ngược, vì các điểm
keypoint có số lượng lớn sẽ đảm bảo độ chính xác.
2.3. Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực
2.3.1. Một số vấn đề cơ bản về động học robot
Robot công nghiệp là một thiết bị điều khiển nhiều trục đồng thời, bài toán động
học robot được nghiên cứu trên hai phương diện chính là tổng hợp động học và
phân tích động học. Trong đó bài toán tổng hợp động học giải quyết các vấn đề về
số lượng, kiểu, kích thước của các khâu (link) và các khớp (joint) hợp thành chuỗi
động học (chain). Bài toán phân tích động học có hai nội dung là động học thuận, và
động học ngược. Nghiệm của bài toán động học ngược là một trong các thông tin
quan trọng để điều khiển robot hoạt động, trong đó cần quan tâm đến tốc độ hình
thành lời giải và độ chính xác của lời giải bài toán ngược vì những yếu tố này quyết
định chất lượng điều khiển cũng như khả năng điều khiển thời gian thực.
Động học robot yêu cầu quản lí được vị trí và hướng của các khâu so với nhau và
so với vật chuẩn chung. Cần xác định các hệ quy chiếu duy nhất gắn với từng khâu
của cấu trúc, định hướng giữa hai khâu trong cấu trúc là hướng giữa hai hệ quy
chiếu gắn với chúng. Vị trí của các khâu đặc trưng bởi gốc hệ quy chiếu gắn với nó.

Có hai quy tắc xác định các hệ quy chiếu gắn với từng khâu thường sử dụng là quy

quan hệ véc tơ vòng kín, như vậy phương trình có thể được viết từ bất cứ điểm nào
thuộc xích. Vì thể hiện dưới dạng ma trận nên để chuyển một biến nào đó sang vế
đối diện của phương trình phải nhân cả hai vế của phương trình hiện có với nghịch
đảo của ma trận chứa biến đó. Bằng kỹ thuật đó sau khi biến đổi phương trình vòng
kín đến một bước phù hợp theo nhận định của người giải bài toán, sẽ rút dần các ẩn
số làm hệ suy biến và xác định toàn bộ các biến của hệ [8].
Bài toán động học ngược trở nên đặc biệt khó giải trong trường hợp số biến n  6 ,
với lý do hệ phi tuyến (gồm các hàm siêu việt), và các biến liên kết [8]. Trong
trường hợp này thường không giải hệ bằng cách biến đổi phương trình vòng kín mà
dùng các phương pháp số, có thể tham khảo các phương pháp điển hình sau đây:
-

Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester [10].

-

Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor [8].

-

Phương pháp RAGHAVAN và ROTH [10].

-

Phương pháp Tsai-Morgan [10].

-

Phương pháp Newton-Rapson [17].

Theo [8] “Một số loại robot n  6 chỉ tồn tại lời giải bằng phương pháp số, việc
giải bài toán động học ngược bằng phương pháp số nhiều khi đòi hỏi thời gian tính
toán kéo dài, thậm chí không đi đến lời giải. Sở dĩ như vậy vì thường gặp các hệ
phương trình siêu việt không phải lúc nào cũng có độ hội tụ lời giải”.
Trong khi đó việc biến đổi phương trình véc tơ vòng kín cũng không cho một giải
thuật thuận lợi để lập trình vì các lí do như:
-

Thường sử dụng các đặc điểm riêng của cấu trúc như các trục khớp liên tiếp
song song hoặc giao nhau.

tắc DH, và quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp [10].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




41

-

42

Cần sử dụng trực giác để nhận biết dạng tương đương của phương trình véc

phương án nghiệm có lợi trên khía cạnh nào đó, chẳng hạn hạ thấp trọng tâm cấu

tơ vòng kín mà từ đó cho phép rút được một ẩn dưới dạng công thức.

trúc, tránh chướng ngại vật, di chuyển tối thiểu…

Trình tự giải bài toán ngược cho mỗi loại robot là không giống nhau.

Trước hết bài toán ngược được giải để lấy dữ liệu điều khiển cơ cấu bám quỹ đạo

Có thể nhận thấy vấn đề chính của động học robot chuỗi động hở là bài toán

công tác. Trên phương diện này bài toán ngược cần có một giải thuật hiệu quả để có

ngược, dù giải bằng phương pháp số hay phương pháp liên tục. Bài toán ngược cần

thể đưa ra được phương án khả thi trong thời gian ngắn nhất. Trong điều khiển số,

có một thuật toán chung cho các loại robot khác nhau, mục đích để ứng dụng máy

tốc độ nội suy quỹ đạo cần vượt trước tốc độ dịch chuyển của phần chấp hành một

tính vào tự động hóa chuẩn bị dữ liệu điều khiển robot. Hơn nữa giải thuật đó phải

số block lệnh nhất định để có thể kiểm soát được các khả năng phát sinh nhằm cảnh

có tính hữu hạn, thời gian chạy ngắn để đáp ứng yêu cầu điều khiển thời gian thực.

báo lỗi và làm chủ hoạt động.

2.3.2. Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực

Với những cấu trúc ít khâu, việc xác định nhanh nghiệm của bài toán ngược

Trong điều khiển chuyển động robot, hệ thống phát tín hiệu dịch chuyển cho cơ

không gặp nhiều trở ngại, song với những cấu trúc không gian phức tạp bài toán gặp

cấu chấp hành gồm vị trí, định hướng khâu tác động cuối, thời gian, vận tốc, gia tốc

khó khăn cả về khối lượng tính toán sơ cấp lẫn giải thuật. Các phương pháp số như

chuyển động. Nói chung đây là các thông số mô tả quỹ đạo trong không gian công

trình bày ở trên nhằm giải quyết hai vấn đề này. Đầu tiên các phương pháp này

tác. Các thông số này không thể sử dụng trực tiếp để tác động tới các động cơ dịch

được xây dựng tổng quát để có thể áp dụng được cho tất cả các cấu trúc động học

chuyển khớp mà phải chuyển đổi thành thông số mô tả quỹ đạo trong không gian

dạng xích động hở. Với ưu thế về tốc độ tính toán và bộ nhớ lớn của Máy tính, các

khớp (các biến khớp), thông qua việc giải bài toán động học ngược. Có thể nhận

phương pháp số khi ứng dụng máy tính trở thành những công cụ hiệu quả cho bài

thấy cần một khoảng thời gian nhất định từ khi hệ điều khiển phát tín hiệu dịch

toán ngược.

chuyển tới khi cơ cấu chấp hành thực hiện hoàn chỉnh di chuyển đó. Khoảng thời

Các giải thuật trình bày ở trên tuy làm được hai điều đã nói, nhưng trải qua rất

gian đó dùng vào việc chuyển đổi các thông số mô tả quỹ đạo từ không gian công

nhiều bước phức tạp và đều tiêu tốn một khoảng thời gian không nhỏ vào việc xác

tác sang không gian khớp. Theo cách thức truyền thống có thể phân tích cụ thể các

định tất cả các nghiệm toán học, sau đó mới tìm kiếm trong số đó một phương án

thao tác mà hệ điều khiển thực hiện trong thời gian này:

chấp nhận được để thực hiện điều khiển cấu trúc. Nếu bài toán ngược được giải vì

-

Nhận thông tin về thông số mô tả quỹ đạo trong không gian công tác.

mục đích lấy thông tin phục vụ điều khiển, có thể tiết kiệm được khoảng thời gian

Xác định toàn bộ các phương án nghiệm toán học của phương trình động học

này nếu xác định ngay một nghiệm trong số đó sao cho cấu trúc có thể đáp ứng

ngược.

được ràng buộc cơ học.

Chọn trong các phương án nghiệm toán học những phương án phù hợp với

Nếu có một giải thuật như vậy tốc độ xây dựng dữ liệu sẽ là nhanh nhất, đảm bảo

cấu trúc về mặt vật lí.

yêu cầu điều khiển thời gian thực.

Phát tín hiệu điều khiển các động cơ công tác.

2.4. Quan hệ giữa bài toán động học và bài toán tối ƣu

Nếu toàn bộ quá trình này có độ trễ về thời gian bé, được gọi là điều khiển thời
gian thực.

2.4.1. Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán
Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của khâu chấp hành là hàm của các biến

Bài toán động học ngược robot được khảo sát vì nhiều mục đích, có thể để xác

khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của phép chuyển đổi :

định đầy đủ phản ứng của cấu trúc về mặt động học, có thể là để tìm kiếm một

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




43

n

44

A A
0

n

i 1

i 1

(2.1)

i

i 1

Trong đó: Ai với i = 1n, là ma trận chuyển đổi giữa hệ toạ độ thứ i đến hệ i-1,
xác định theo quy tắc Denavit-Hartenberg; n là số biến khớp (bậc tự do) của robot.

Vị trí và hướng của khâu chấp hành được xác định từ quỹ đạo cho trước:

Trong đó:

0

nx
n
0
Tn  y
nz

sx
sy
sz

ax
ay
az

px
py

pz

0

0

0

1

-

Các kết quả có thể không thoả mãn được các điều kiện ràng buộc về mặt kết
cấu.

Mục tiêu của điều khiển động học là đạt được độ chính xác về vị trí và hướng của
khâu chấp hành. Như vậy chỉ cần xác định các giá trị của các biến khớp sao cho
đảm bảo sai số vị trí và hướng là nhỏ nhất đồng thời thoả mãn các điều kiện ràng
buộc về mặt kết cấu.

0

A

n

(2.2)

- Gọi q = {q1, q2, ..., qn } : là véc tơ các biến khớp.
- Không gian khớp D xác định miền giá trị của các biến khớp:
a1  q1  b1
a  q  b
 2
2
2



an  qn  bn

Tn  f (q1 , q2 ,..., qn ) ; q1  qn các biến khớp; n, s, a là các vec tơ chỉ

phương; p là véc tơ chỉ vị trí; oxyz là hệ toạ độ gốc.
Ma trận chuyển đổi tổng hợp có dạng:
a11
a21
0
An  a31

a12
a22
a32

a13
a23
a33

a14
a24
a34

0

0

0

1

(2.5)

L = f(q): Hàm mô tả sai lệch vị trí và hướng của khâu chấp hành.
Bài toán xác định giá trị các biến khớp được viết:
(2.3)

Các thành phần aij với i,j =13 là các cosin chỉ phương của n,s,a; a14, a24, a34 lần

L  f (q1 , q2 ,...qn )  min

Trong đó:

(2.6)

qi  D;
i  1 n

lượt là các thành phần chiếu lên hệ oxyz của p.
Do tính chất trực giao của các vec tơ chỉ phương, cho nên chỉ có ba thành phần
trong các cosin chỉ phương độc lập. Vì vậy kết hợp (2.2) và (2.3) nhận được:
 s x  a12
a  a
13
 x
a y  a 23

 p x  a14
 p y  a 24


 p z  a34

(2.4)

Giải hệ phương trình này nhận được giá trị các biến khớp. Khi giải có thể gặp các
Hệ phương trình (2.4) có thể phi tuyến hoặc phải xác định biến từ hàm siêu
Hệ (2.4) có thể vô định vì số bậc tự do thừa.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

s x  a12  0
a  a  0
 x 13
a y  a23  0

 p x  a14  0
 p y  a24  0

 p z  a34  0

(2.7)

Bình phương hai vế của hệ phương trình này và cộng theo vế để có:

việt vì vậy kết quả không chính xác hoặc có nhiều lời giải.
-

tiêu được xác định theo (2.4) như sau, trước hết viết lại hệ phương trình (2.4) dưới
dạng tương đương:

trường hợp sau:
-

Đây là bài toán tối ưu, nghiệm của (2.6) phải là nghiệm của (2.4) vì vậy hàm mục

( s x  a12 ) 2  (a x  a13 ) 2  (a y  a23 ) 2  ( p x  a14 ) 2  ( p y  a24 ) 2  ( p z  a34 ) 2  0

Rõ ràng vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất của vế trái bằng không, tương
đương với hệ phương trình (2.4) được thỏa mãn. Đặt L là hàm số ở vế trái:



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




45

46

L  ( s x  a12 ) 2  (a x  a13 ) 2  (a y  a23 ) 2  ( p x  a14 ) 2  ( p y  a24 ) 2  ( p z  a34 ) 2

(2.8)

Dạng hàm này có tên gọi riêng là hàm Rosenbrock-Banana [22], Matlab cảnh báo

chuyển của chuyển động, trong khi các biến đều chuyển động khứ hồi nên các ràng
buộc thường có dạng chung cho khớp tịnh tiến và quay:
lowerbound(i )  qi  upperbound(i )

đây là dạng hàm hội tụ chậm với các công cụ tối ưu của phần mềm này như
Fmincon, Fminsearch, Fminbound...do đó việc giải bài toán sẽ cần xác định một

(2.13)

Tập hợp ràng buộc của n biến khớp là một miền kín. Từ (2.8) nhận thấy, vế phải

giải thuật phù hợp ngoài các giải thuật mà các công cụ trên sử dụng.

của hàm mục tiêu luôn dương nên giá trị nhỏ nhất của mục tiêu là bằng không.

2.4.2. Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ƣu

Phương án (q1 , q 2 ,..., q n ) làm cho giá trị hàm mục tiêu bằng không là phương án

Bài toán có dạng tối ưu hoá hàm phi tuyến n ẩn số, với các ràng buộc tuyến tính.

nghiệm vật lí, ngược lại nếu giá trị mục tiêu L > 0, không tồn tại phương án nghiệm

Nghiệm q*= { q1*, q2*, …, qn* } của (2.6) là nghiệm gần đúng của (2.4) thuộc không

vật lí.

gian khớp.

2.4.3. Bài toán di chuyển tối thiểu

- Trong điều khiển chỉ đòi hỏi độ chính xác hướng của khâu chấp hành bài toán có
dạng:

Bài toán di chuyển tối thiểu có thể hiểu là tổng giá trị tuyệt đối lượng di động (di
chuyển góc và di chuyển thẳng) là nhỏ nhất, trong các phương án nghiệm vật lí (là

L1  f (q1 , q2 ,...qn )  min

(2.9)

V  L2  U

Ràng buộc:

các phương án nghiệm mà cấu trúc đáp ứng được).
Di chuyển tối thiểu thường đồng nghĩa với thời gian đáp ứng nhanh nhất và năng

qi  D;

lượng tiêu hao bé nhất.

i  1 n

Trên cơ sở giải được bài toán ngược với thời gian bé, việc xác định phương án di

Trong đó:

chuyển tối thiểu làm cho cấu trúc có thời gian đáp ứng ngắn nhất với tín hiệu điều

- Hàm mô tả sai lệch hướng.
L1  ( s x  a12 ) 2  (a x  a13 ) 2  (a y  a23 ) 2

khiển.
(2.10)

- Hàm mô tả sai lệch vị trí .
L2  ( p x  a14 ) 2  ( p y  a24 ) 2  ( p z  a34 ) 2

Bài toán động học ngược trên cơ sở bài toán tối ưu cho phép khởi tạo điều kiện di
chuyển tối thiểu dưới hai hình thức:

(2.11)

- Đặt lượng di chuyển tổng cộng làm mục tiêu:
n

 f (qk 1 )   qi  min
i 1

 g (qk 1 )  0;
h(q )  0;
 k 1
li  qi  ui

- U, V: Các sai lệch giới hạn xác định theo yêu cầu kỹ thuật.
- Tương tự nếu đòi hỏi độ chính xác vị trí của khâu chấp hành bài toán có dạng:
L2  f (q1 , q2 ,...qn )  min

(2.12)

V  L1  U

Trong đó

qi  D;

(2.14)

Trong đó i 1  n là số bậc tự do của cấu trúc;

i  1 n

Về bản chất các bài toán (2.6),(2.9),(2.12) là bài toán tối ưu hóa trên miền kín vì
trên thực tế các khớp tịnh tiến hoặc quay của robot thường có không gian hoạt động
bị giới hạn trong một phạm vi nhất định. Dấu của biến khớp thể hiện hướng di

qi  qk 1  qk

(i )

: là biến thiên nghiệm thứ (i) giữa hai vị trí (k+1) và (k) của quỹ

đạo;
g(qk+1); h(qk+1) là các ràng buộc xây dựng từ vị trí và định hướng, dựa trên đồng
nhất toạ độ thực và toạ độ lí thuyết của khâu tác động cuối cùng;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

47

48

li: giới hạn dưới của biến bị chặn;

8. Thoát khỏi chương trình.

ui: giới hạn trên của biến bị chặn;

9. Thay đổi tham số đầu vào.

- Cấu trúc bài toán quy hoạch đa mục tiêu:

Thuật toán có thể áp dụng được cho tất cả robot cấu trúc xích động hở, hoặc các

Trên cơ sở phương pháp hàm phạt, có thể có mục tiêu ưu tiên hoặc không ưu tiên

robot lai kiểu có một nhánh khép kín trong phạm vi một khâu (sơ đồ động tương

[13].

đương với robot hở). Robot chỉ cần thỏa mãn cấu trúc chuỗi động hở, không bị hạn

2.5. Tự động hóa xác định các biến trong điều khiển động học robot

chế số bậc tự do. Người dùng có thể điều chỉnh sai số  bằng cách trả lời hội thoại.

2.5.1. Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ƣu

Nếu điểm được chọn ngoài vùng làm việc hoặc nghiệm vi phạm ràng buộc giới hạn
hoạt động của khớp, chương trình đưa ra cảnh báo “ngoài vùng làm việc”.
2.5.2. Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính
Theo [8] nhận định “Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải
của nó là cơ sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của
robot bám theo quỹ đạo cho trước. Đối với trường hợp n>6, hầu như chỉ có lời giải
theo phương pháp số đối với một số loại robot cụ thể nào đó, nhưng chưa có một
phương pháp chung nào hiệu quả cả. Bản thân việc giải bài toán động học ngược
bằng phương pháp số nhiều khi đòi hỏi thời gian tính toán kéo dài, thậm chí không
đí đến lời giải. Sở dĩ như vậy vì thường gặp các hệ phương trình siêu việt không
phải lúc nào cũng có độ hội tụ lời giải. Điều đó ảnh hưởng lớn đến việc đảm bảo
thời gian thực trong điều khiển robot.”
Yêu cầu của giải thuật phải có tính hữu hạn, tức là phải đưa ra được kết quả sau
một số hữu hạn vòng lặp. Nếu không hội tụ bài toán phải đưa ra được cảnh báo. Về

Hình 2.6: Sơ đồ thuật toán giải bài toán động học ngược

thuật toán trình bày ở trên trước hết nhận thấy nếu ma trận thế thuộc vùng làm việc
bài toán luôn đưa ra được lời giải. Trường hợp xấu nhất, thuật toán tối ưu vẫn kết

Giải thích ý nghĩa của các bước:

thúc với kết luận rõ ràng sau một khoảng thời gian hữu hạn có thể dự báo được.

1. Khởi tạo bài toán.
2. Biểu thức mô tả hướng, vị trí khâu tác động cuối trong hệ phương trình động

Xét các ràng buộc về giới hạn hoạt động của biến khớp dạng bất đẳng thức:
l i  qi  u i

học thuận.
3. Giới hạn hoạt động của các khớp trên thực tế.

Trong đó:

4. Yêu cầu về vị trí và định hướng cụ thể của phần công tác, sai số giải thuật.
5. Hình thành bài toán tối ưu hàm phi tuyến bị ràng buộc.

với i 1  n

n: số bậc tự do của cấu trúc.

li: (lower bound(i) giới hạn dưới biến khớp)
ui: (upper bound(i) giới hạn trên biến khớp)

Trong không gian n chiều mô tả n biến khớp, mỗi khớp bị chặn hai đầu bao điểm

6. Kiểm tra điều kiện dừng quá trình tối ưu.

gốc tọa độ hình thành một miền đóng. Bản chất của bài toán là tối ưu hóa trên miền

7. Trả giá trị cho biến khớp.

kín nên luôn có nghiệm. Tuy nhiên nếu giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu không về

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên