Ứng Dụng Logic Mờ Và Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Vào Điều Khiển Chuyển Động Của Robot

MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động bởi tính
linh hoạt và hiệu quả của nó. Robot đem lại năng suất lao động cao, giảm chi phí
nguyên vật liệu và các dạng năng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng và giảm giá
thành sản phẩm, do đó tạo khả năng cạnh tranh cao hơn trong thị trường quốc tế.
Mặt khác, Robot giải phóng con người khỏi lao động chân tay, giúp xã hội văn
minh hơn, nâng cao được dân trí trong tổ chức các quá trình sản xuất và tổ chức xã
hội. Chính vì vậy nghiên cứu điều khiển chuyển động Robot là lĩnh vực đầy thách
thức đang được các nhà khoa học rất quan tâm.
Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển
truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt
đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron,
logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp
học cho Robot, các hệ visual servoing…
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Mục đích nghiên cứu chính của đề tài là ứng dụng logic mờ và thiết kế bộ
điều khiển mờ vào điều khiển chuyển động của Robot nhằm nâng cao chất lượng
điều khiển. Cơ sở khoa học của đề tài là kết quả đạt được trong lĩnh vực điều khiển
sử dụng logic mờ. Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển có khả năng cài đặt các
tri thức, kinh nghiệm của chuyên gia đây là đặc điểm nổi bật hơn so với các bộ
điều khiển kinh điển…
Trong công nghiệp, đa số các đối tượng điều khiển đều là phi tuyến. Robot
là một trong những đối tượng phi tuyến và là hệ MIMO, các Robot trong sản xuất
công nghiệp trong hệ thống sản xuất cần độ chính xác cao như công nghiệp sản
xuất ôtô, công nghệ y học, công nghiệp vũ trụ…vì vậy thiết kế bộ điều khiển để
nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động luôn là đòi hỏi trong thực tế.

1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Với mục đích nghiên cứu như trên, tác giả lựa chọn đề tài tốt nghiệp Thạc sỹ
“Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động của Robot hai bậc tự do”. Trong đó
đối tượng nghiên cứu là Robot hai bậc tự do.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển mờ
áp dụng cho bài toán điều khiển chuyển động của Robot 2 khâu”. Trong đề tài tập
trung nghiên cứu mô hình động lực học của Robot 2 khâu và ứng dụng mô hình
điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC) để nâng cao chất lượng của hệ.
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết về mô hình chuyển động của Robot hai bậc tự do và
phương pháp điều khiển mờ và cách thiết kế bộ điều khiển mờ theo Mamdani
(MCFC).
Thực nghiệm mô phỏng hệ thống điều khiển trên máy tính sử dụng Matlab –
Simulink.
So sánh đáp ứng của bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển PID để thấy được
bộ điều khiển mờ có chất lượng tốt hơn.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận văn mang tính chất nghiên cứu, vận dụng các lý thuyết khoa học và
ứng dụng khoa học.
Từ kết quả nghiên cứu của luận văn có thể ứng dụng phát triển đề tài nghiên
cứu điều khiển cánh tay Robot nhiều bậc tự do và ứng dụng vào điều khiển Robot
công nghiệp trong thực tiễn.
Đồng thời kết quả luận văn có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho
những người quan tâm đến điều khiển mờ Mamdani (MCFC) cho Robot.

2


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sự ra đời của Robot công nghiệp

Theo định nghĩa, Người máy (Robot) là thiết bị có thể thực hiện các chức
năng thông thường của con người hoặc một máy dưới hình dạng người.
Từ giữa thập kỷ 18, J. de Vancauson đã xây dựng các búp bê cơ khí có thể chơi
nhạc được. Đây được coi như là sản phẩm đầu tiên của tự động hoá Robot.
Người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “Robot” là nhà viết kịch người Czech tên
là Karel Capek. Năm 1922, trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot “, Capek
đã sử dụng thuật ngữ “Robot”. Robot theo tiếng Czech có nghĩa là lao động bị bắt
ép hay là nông nô. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã
tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ và phục dịch con
người.
Cho đến trước những năm đại chiến thế giới thứ hai, việc ứng dụng các cơ
cấu máy móc như vậy đã trở thành nhu cầu thực sự nhằm đáp ứng các thao tác cần
thiết trong môi trường phóng xạ của các viện nghiên cứu nguyên tử.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy
chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Trên
cơ sở đó những cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời và ngày càng phát triển. Đây
thực chất là những cơ cấu máy móc mô phỏng sinh học bao gồm các khớp nối, dây
gắn liền với hệ điều hành là tay của người thao tác thông qua các khâu khuyếch đại
cơ khí. Tuy các thao tác của cơ cấu này khá tinh vi khéo léo nhưng vẫn có nhiều
hạn chế ví dụ như: Tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng còn hạn chế, hệ điều
khiển thuần tuý là cơ khí...
Vào giữa những năm 1950, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã
xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I
hoặc tay máy Handyman của General Electric.
Năm 1954, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề
dùng để chuyển hàng theo chương trình”.

3

Năm 1956, George C.Devol và J.Engelberger đã gặp nhau và thảo luận về
tác phẩm của I.asimov. Cả hai đã nhất trí hợp tác chế tạo người máy và vào năm
1959 đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên mang tên Unimate ở Công ty
Unimation. Công ty Unimation do J.Engelberger sáng lập, đây là công ty đầu tiên
chuyên chế tạo người máy và Devol nghiên cứu các phát minh, đăng ký bằng sáng
chế cho công ty. Unimate được đưa vào sử dụng trong một nhà máy ô tô của hãng
General Motors tại Trenton, New Jersey vào năm 1961. Chỉ đến năm 1975,
Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên.
Từ năm 1980, người máy công nghiệp bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp khác nhờ công nghệ tiên tiến và những bước phát triển vượt
bậc của trong các lĩnh vực máy tính điện tử và vi điện tử. Đặc biệt từ những năm
1990 trở lại đây, do sự phát triển vượt bậc về kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông
tin, số lượng robot tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng ngày càng được
hoàn thiện. Do đó, robot đang chiếm một vị trí quan trọng trong các dây chuyền
sản xuất tự động hiện đại.
Ngày nay, người máy càng ngày càng được hoàn thiện, càng nhiều các tính
năng và có hình dáng gần với con người hơn. Tuy vậy, trong công nghiệp, người
máy thực sự chỉ là những cánh tay máy được điều khiển bằng máy tính. [4]
1.2. Ứng dụng Robot công nghiệp
1.2.1. Ưu điểm của Robot công nghiệp
Robot có thể làm việc trong thời gian dài với độ ổn định và chính xác cao,
tiết kiệm nguyên vật liệu trong suốt thời gian làm việc. Khi cần phải đẩy nhanh,
tăng nhịp độ sản xuất của dây chuyền sản xuất, nếu không có Robot thì người công
nhân không thể theo kịp tiến độ sản xuất và rất chóng bị mệt mỏi. Do đó Robot
góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Robot còn có
thể nhanh chóng thay đổi công việc khi có sự biển đổi trong quá trình đa dạng hoá
sản phẩm mà không cần phải đào tạo lại như đối với con người.
Hiện nay, với sự trợ giúp mạnh mẽ của những tiến bộ tiên tiến về Khoa học
kỹ thuật làm cho giá thành lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng giảm. Đối với những
nước có giá lao động cao thì việc sử dụng các Robot trong các dây chuyền sản xuất

4


sẽ giảm đáng kể giá thành sản phẩm do giảm được những chi phí cho người lao
động mà Robot không cần đến như: tiền lương, phụ cấp, bảo hiểm xã hội.[4]
1.2.2. Nhược điểm của Robot công nghiệp
Từ những hiệu quả to lớn do Robot mang lại, đặc biệt là từ thực tế là Robot
đã giải phóng được sức lao động, nhiều người lo ngại việc sử dụng nhiều Robot sẽ
dẫn đến tình trạng thất nghiệp. Trên thực tế, điều này không phải là không có cơ sở
nhưng đồng thời với việc gây dư sức lao động đơn giản, nó cũng tạo ra nhiều công
việc phức tạp hơn như: các kỹ thuật viên, các chuyên gia chuyên về người máy,
các nhà lập trình.[4]
1.2.3. Các ứng dụng của Robot công nghiệp
Các Robot nói chung được sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích, trong nhiều
lĩnh vực, từ các nhà máy, xí nghiệp lớn tới các công việc phục vụ trong sinh hoạt
đời sống của con người. Robot có thể làm việc trong môi trường độc hại, nguy
hiểm như trong các lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay trong công việc thám
hiểm không gian, thăm dò các hành tinh thuộc hệ Mặt trời. Trong sinh hoạt, có các
Robot trợ giúp, phục vụ người già, cắt cỏ, lau nhà…[4]
Đối với Robot công nghiệp nói riêng, mức độ ứng dụng của nó diễn ra mạnh
mẽ và sâu rộng hơn cả. Hầu hết các dây chuyền tự động hoá sản xuất hiện đại đều
có sự xuất hiện của Robot.
Các Robot công nghiệp được ứng dụng trong các lĩnh vực cụ thể sau:
+ Robot công nghiệp trong công nghệ gia công và lắp ráp
Độ chính xác định vị và thời gian là yếu tố quan trọng nhất khi thiết kế các
Robot lắp ráp. Có nhiều dây chuyền tự động gồm các máy vạn năng và Robot công
nghiệp. Các dây chuyền đạt mức độ tự động hoá cao, tự động hoàn toàn không có
sự tham gia của con người, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn. Trong đó các
máy và Robot trong dây chuyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương
trình. Đó là các dây chuyền lắp ráp ô tô, các sản phẩm điện tử (hình 1.1). Yêu cầu

hiện nay đối với các Robot công nghiệp loại này là nâng cao tính linh hoạt để đáp

5


ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với các sản phẩm loại nhỏ.
[4]

Hình 1.1. Robot trong công nghệ trong gia công và lắp ráp
+ Robot công nghiệp trong các quá trình hàn và nhiệt
luyện (hình 1.2)
Các quá trình này bao gồm các công việc nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao.
Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu
chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi
trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn. Không giống
kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn
đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ thống hàn đường
thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn và
sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước. Ưu điểm duy nhất so
với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định. Người vận hành chỉ còn thực
hiện một việc đơn giản là kẹp chặt các chi tiết. [4]

Hình 1.2. Robot trong các quá trình hàn và nhiệt luyện
6


+ Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn (hình 1.3), trong ngành
gia công áp lực nơi mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi
Công việc rất đa dạng điều kiện làm việc khắc nghiệt, sản phẩm luôn thay
đổi và đặc biệt là chất lượng của sản phẩm phụ thuộc quá nhiều vào quá trình thao

tác. Robot có thể làm các công việc như: rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật
đúc ra khỏi khuôn. Ngày nay, ở nhiều nước trên thế giới, Robot được sử dụng rộng
rãi để tự động hoá công nghệ đúc nhưng chủ yếu để phục vụ các máy đúc áp lực.
[4]

Hình 1.3. Robot công nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn
Ví dụ trong công nghệ rèn: Robot có thể thực hiện nhiều việc như: đưa phôi
vào lò nung, vận chuyển phôi sau khi ra khỏi lò… So với các phương tiện cơ giới
và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng Robot có ưu điểm là nhanh,
chính xác và cơ động hơn.
+ Robot công nghiệp trong nhà máy sản xuất (hình 1.4)
Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá
hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu
chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người
trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Chỉ với vài người giám sát
công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả
các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn
sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho. [4]

7


Hình 1.4. Robot trong nhà máy sản xuất
1.3. Tình hình phát triển của Robot công nghiệp
Hơn nửa thể kỷ qua, Robot đã có những bước phát triển và tiến hóa mạnh
mẽ. Các hướng nghiên cứu Robot chuyển từ Robot công nghiệp sang phát triển các
Robot dịch vụ vì nó đa dụng và đưa Robot hòa nhập vào nhu cầu xã hội của loài
người.
Theo dự báo thì trong vòng 20 năm tới mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một
Robot cá nhân như cần một máy tính PC hiện nay và Robot sẽ là tâm điểm của một

cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet. Với xu thế này, cùng với các ứng dụng
truyền thống khác của Robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và
đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường Robot và các dịch vụ ăn theo
Robot sẽ vô cùng lớn.
Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm
các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần sử
dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên Robot công nghiệp
cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài
ứng dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như
trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc
phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các Robot địa
hình và Robot dịch vụ phát triển.
8


Có thể kể đến một số loại Robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là:
tay máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot
phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Tay
máy Robot bao gồm các loại Robot công nghiệp (Industrial Robot), Robot y tế
(Medical Robot) và Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation robot). Robot di
động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous
Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater
Vehicles), Robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và Robot
vũ trụ (Space robots). Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập
trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người
(Humanoid Robots) – được giới thiệu trên hình 1.5. Bên cạnh đó, các loại Robot
phỏng sinh học dưới nước như Robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh
vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển. [4]

Hình 1.5. Robot dáng người
Mặc dù về cấu trúc các loại Robot có nhiều điểm khác nhau nhưng các
nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của Robot
trong môi trường tự nhiên. Mỹ là nước tập trung đầu tư hàng trăm tỷ USD cho phát
triển hệ thống tác chiến tương lai trong đó Robot quân sự hoạt động ở các địa hình
trên cạn, dưới nước và trên không chiếm phần không nhỏ. Với sự phát triển của xã
hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước G7 thì nhiều dịch vụ mới được hình thành
làm thay đổi quan điểm về Robot, từ Robot phục vụ công nghiệp sang Robot phục
vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người. Robot được thiết kế
phục vụ cho con người như những người giúp việc đắc lực, đa năng. Quá trình này
9


dẫn đến các khái niệm mới và cả tay máy công nhiệp lẫn Robot di động truyền
thống sẽ phải thay đổi một cách cơ bản mới đáp ứng được yêu cầu của thị trường
dịch vụ con người này.
Trên hình 1.6 giới thiệu Robot thám hiểm Sao Hỏa.

Hình 1.6. Robot thám hiểm Sao Hoả
Song song với chế tạo Robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về
Robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được
các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về Robot ở Việt Nam liên quan
nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin
cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho Robot.
Các nghiên cứu về động học và động lực học Robot được các khoa cơ khí, chế tạo
máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí
quan tâm cả trong dân sự và quân sự.
Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của
các loại Robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu
và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho

phân tích, thiết kế Robot. Các công bố liên quan về cơ học Robot thường được
thực hiện bởi cán bộ của Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí
Chế tạo máy thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM,
các bộ môn Robot và Cơ điện tử ở các trường đại học khác.
Trên hình 1.7 giới thiệu Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt
Nam

10


Hình 1.7. Robot công nghiệp (Hãng Tosy Robotics, Việt Nam)
Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển
truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt
đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron,
logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp
học cho Robot, các hệ visual servoing… Trong các công bố về điều khiển Robot
phải kể đến các công trình của Viện Công Nghệ Thông tin Viện KH&CN Việt
nam, Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM. Gần đây, đội
ngũ nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật
Quân sự cũng có nhiều công bố liên quan đến lĩnh vực điều khiển Robot do đội
ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nước ngoài về tiếp tục các nghiên cứu của
mình. Lĩnh vực Robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được
nhiều đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao,
phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển
động cho Robot di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn
quốc năm 2004, 2006, 2008 và 2010. Các nghiên cứu về thị giác Robot được quan
tâm cả ở Robot công nghiệp và Robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều
khiển Robot trên cơ sở thông tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên,
nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các lọai Robot
dịch vụ.

11


Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên
các Hội Nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ,
Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến Robot như
RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM
2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam
hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến
trên thế giới. [8]
Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt
Nam cần có một cộng đồng rộng lớn các chuyên gia tâm huyết, có môi trường học
tập và nghiên cứu lành mạnh và một chính sách vĩ mô hỗ trợ tri thức phát triển
thích nghi được với quá trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay.
1.4. Cấu trúc và phân loại Robot
1.4.1. Cấu trúc
Robot là một trong những sản phẩm của khoa học mà nó là sự kết hợp của
nhiều ngành khoa học kỹ thuật như: máy tính điện tử, máy điện, cơ khí, thiết kế
cấu trúc cơ khí, vi điện tử, lập trình trí tuệ nhân tạo, nghệ thuật sản xuất… [4]
Trên hình 1.8 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp loại
thông thường như sau:

Hình 1.8. Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
12


Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe đi động 2,
thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6.
Bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn đặt nhiều bộ phận khác nữa:
- Hệ thống truyền dẫn động

- Hệ thống điều khiển
- Hệ thống cảm biến tín hiệu
1.4.1.1. Tay máy
Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra
các chuyển động cơ bản, gồm:
+ Bệ (thân) - Base
+ Khớp - thanh nối: joint- link
+ Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt.
+ Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối
tượng.
Để có được chuyển động thân, cánh tay cuả Robot cần phải có một hệ thống
các khớp nối. Trong chuyển động của Robot người ta chia ra làm hai loại chuyển
động chính:
+ Chuyển động của thân và cánh tay.
+ Chuyển động các khớp cổ tay.
Mỗi một khớp nối thực hiện một trong hai chuyển động trên được gọi là
“một bậc tự do”. Thông thường các Robot công nghiệp có từ 4 – 6 bậc tự do. Liên
kết các chuyển động của thân, cánh tay và cổ tay Robot được thực hiện bằng các
kết nối. Có 4 loại kết nối chính (bảng 1.1.):
- Kết nối thẳng (L): là kết nối mà trục của hai khớp nối song song với nhau.
Chuyển động tương đốigiữa hai khớp nối là chuyển động tịnh tiến. Kết nối này
thực hiện bằng chuyển động pittong hoặc chuyển động rãnh trượt.
- Kết nối quay (R): là kết nối mà chuyển động của khớp nối cánh thứ hai là
chuyển động quay xung quanh một trục vuông góc với trục khớp nối thứ nhất.

13


- Kết nối xoắn (T): là kết nối mà trục quay của liên kết song song với trục
quay của hai khớp nối.

- Kết nối xoay (V): là kết nối mà trục quay trùng với trục của khớp nối thứ
nhất và vuông góc với trục của khớp nối thứ hai.
Loại

Bảng 1.1. Các dạng cơ bản của các khớp Robot
Tên
Minh họa

L

Tuyến tính

R

Quay

Output
link
Input
link
Output
link

Input
link

Output
link

T Cổ tay quay

Input
link

V

Vuông

Output
link

Input
link

Các Robot công nghiệp ngày nay hầu hết thường được đặt trên đế và thân đế
này được gắn chặt xuống nền. Gắn vào cổ tay có thể là một bàn kẹp (gripper) hoặc
một số công cụ khác dùng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau (như mũi khoan,
đầu hàn, đầu phun sơn...) và chúng được gọi chung là “end effector” được gọi là
các thiết bị ngoại vi. [4]
1.4.1.2. Hệ thống truyền dẫn động của Robot
Chuyển động của các khớp nối của Robot được cung cấp năng lượng bởi hệ
thống các động cơ được trang bị bên trong nó, từ đó tạo ra sự di chuyển, vận động
14


của thân, cánh tay và cổ tay Robot. Độ lớn hay công suất của các thiết bị này được
bố trí sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của cánh tay, trọng lượng của Robot và
đặc biệt là khối lượng động của vật nặng nó cần làm việc.
Do vậy mà tuỳ theo công suất yêu cầu và độ linh hoạt của hệ thống mà ta
chọn dùng một trong ba loại hệ truyền động sau:
+ Hệ truyền động thuỷ lực;

+ Hệ truyền động điện;
+ Hệ truyền động khí nén.
Hệ truyền động thuỷ lực:
Trong hệ truyền động này năng lượng được truyền đi bằng chất lỏng.
Thường được sử dụng trong các Robot lớn, công suất làm việc lớn. Hệ truyền động
thuỷ lực có nhiều ưu điểm: gọn nhẹ, chịu được tải trọng nặng, quán tính bé tính tác
động nhanh, lực truyền động lớn. Để điều chỉnh tốc độ người ta điều chỉnh van để
thay đổi áp lực và lưu lượng. Tuy nhiên, hệ truyền động thuỷ lực cũng tồn tại khá
nhiều nhược điểm: hệ thuỷ lực luôn đòi hỏi bộ nguồn bao gồm: bơm thuỷ lực, thiết
bị lọc, thiết bị điều chỉnh áp suất, thiết bị làm mát, bình tích dầu …
Hệ truyền động điện:
Được sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều ưu điểm hơn so
với các hệ truyền động khác như: điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộ
biến đổi phụ thêm, không gây bẩn môi trường, các loại động cơ điện hiện đại có
thể lắp trực tiếp lên các khớp, độ chính xác cao hơn… Tuy nhiên, so với truyền
động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một đơn
vị khối lượng và thông thường phải đòi hỏi thêm hộp giảm tốc vì tay máy yêu cầu
tốc độ quay chậm…
Trong thực tế, chỉ có 2 loại động cơ điện được sử dụng nhiều hơn cả là:
động cơ điện một chiều và động cơ bước.
Hệ truyền động khí nén:
Thường chỉ được sử dụng cho loại Robot cỡ nhỏ, có từ 2-3 bậc tự do. Ưu
điểm của loại truyền động này là: tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều,
15


không quá nhạy với nhiệt độ môi trường và do trong các phân xưởng công nghiệp
thường có mạng lưới khí nén chung nên đơn giản hóa được phần thiết bị nguồn
động lực cho Robot và không cần đường đưa khí nén trở lại như đối với hệ truyền
động thuỷ lực.

1.4.1.3. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển
hoạt động của Robot, có thể chia ra thành 2 hệ thống:
+ Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo);
+ Hệ thống điều khiển lực.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt
trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc.
1.4.1.4. Hệ thống cảm biến tín hiệu
Hệ thống cảm biến thực hiện việc nhận biết và biến đổi các thông tin về hoạt
động Robot và các thông tin về môi trường làm việc, đối tượng mà Robot phục vụ.
Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ được đưa vào hệ thống điều khiển
sau khi xử lý bằng máy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay
máy. Các loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot có thể chia làm 2 loại:
- Cảm biến nội tín hiệu đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động
trong các bộ phận quan trọng của Robot. Các thông tin này là những tín hiệu phản
hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của Robot.
- Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm
việc, phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc
thao tác trong không gian làm việc. Để làm được các việc đó, cần có các loại cảm
biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “xúc giác” và cảm biến “thị
giác”…
1.4.2. Phân loại Robot công nghiệp
- Có hai phương pháp phân loại robot.
+ Một là: theo tính chất vật lý hay hình học của chúng;
+ Hai là: theo cách chúng được điều khiển.

16


1.4.2.1. Phân loại theo vật lý hoặc hình học

Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di
chuyển tới mà người ta chia Robot thành 5 hình dạng cơ bản sau :
• Loại có dạng đề các (chữ nhật);
• Loại có dạng trụ (kiểu trụ);
• Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực);
• Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo);
• SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn).
Kiểu đề các

Hình 1.9. Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật
Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo
hướng dạng hình chữ nhật (hình 1.9). Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán
học vì các hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề các. Robot này được dùng ở
những nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn
chế.
Kiểu trụ
Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại
này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ (hình 1.10).
- Chuyển động quay: θ
- Chuyển động cao: h
- Tầm với: r
17


Hình 1.10. Robot có không gian làm việc dạng trụ
Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (r,h,θ), khi đó vị trí sẽ dễ
dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm,
tức là (x,y,z) như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép
biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3
khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot: z = h. Mặt phẳng

xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó θ quay (quanh trục
z) và khoảng cách r.
x = rcosθ , y = rsinθ
Loại Robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp
hơn.
Kiểu tọa độ cực
Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của
robot này tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu (hình 1.11).
- Chuyển động quay: 1 φ
- Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng của φ (quay quanh trục z): θ
- Tầm với: z
Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị (r,θ,φ). Tuy nhiên nếu
chúng ta có vị trí tay robot ở dạng (x,y,z), chúng ta phải thực hiện phép chuyển hệ.
Theo cách ít chặt chẽ hơn giống như trong trường hợp của robot loại 2, chúng ta có
thể xác định toạ độ khớp (r,θ,φ) phải nằm vị trí của tay máy ở một điểm đề các cụ thể.
18


Phần bổ xung của khớp quay thứ 2 tăng tính mềm dẻo của robot này. Tuy nhiên nó
làm giảm độ chính xác.

Hình 1.11. Robot có không gian làm việc dạng cầu
Loại Robot kết nối
Loại này có 3 khớp quay (hình 1.12). Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề
các phức tạp hơn nhiều các trường hợp trước. Robot rất linh hoạt. Loại này có ưu
điểm trong trường hợp Robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản. Tuy vậy độ
chính xác của nó thấp hơn tất cả các loại khác.

Hình 1.12. Robot kết nối
Robot SCARA

Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất được giới thiệu trong
mô hình hóa các loại robot (hình 1.13). Chuyển động của các khớp cơ bản quanh
các trục thẳng đứng. Cấu trúc này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương
thẳng đứng trong khi cho phép quay trong mặt phẳng nằm ngang.
Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chyển động quay nên việc
biểu diễn toán học không đơn giản. Loại robot này có ưu điểm trong công việc lắp
giáp đòi hỏi chính xác. [8]
19


Hình 1.13. Robot SCARA
1.4.2.2. Phân loại theo điều khiển
- Có 2 phương pháp điều khiển Robot. Đó là kỹ thuật điều khiển không
servo và kỹ thuật điều khiển servo.
+ Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ khí để cung cấp các
phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển được sử dụng, khớp được
dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới. Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời.
+ Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ
của các khớp động của robot. [4]
1.5. Hệ thống điều khiển Robot
Hệ thống điều khiển của robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để
thực hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của quá trình công nghệ.
Hệ thống Điều khiển Robot có thể chia ra:
+ Điều khiển thô (điều khiển vị trí - quỹ đạo): là bài toán xác định cách điều
khiển thích hợp sao cho các khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trong quá
trình thời gian. Ở đây bao gồm tốc độ và vị trí tay. Điều khiển thô chỉ thực hiện
điều khiển quỹ đạo .
+ Điều khiển tinh (điều khiển lực): là bài toán có tính đến cả môi trường làm việc
của Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo.

20


Hình 1.14. Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot
1.5.1. Các phương thức điều khiển
- Điều khiển theo quỹ đạo đặt gồm 3 phương thức điều khiển):
 Điều khiển Robot theo chuỗi các điểm giới hạn
 Điều khiển lặp lại :
 Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP)
 Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC
 Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thông minh)
- Điều khiển lực: dựa vào tính chất của đối tượng điều khiển là tuyến
tính hay phi tuyến.
1.5.1.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt
Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn
Là phương thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và các
điểm dừng cơ khí. Chuyển động của các khớp nối được bắt đầu và kết thúc khi gặp
các công tắc giới hạn hoặc các điểm dừng cơ khí này. Việc thiết lập các điểm dừng
và các công tắc giới hạn tương đương với việc lập chương trình cho robot, mỗi một
công tắc được coi như một phần tử nhớ. Phương pháp điều khiển này thường được
dùng trong các loại robot đơn giản.
Điều khiển lặp lại
Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo
chuyển động của robot là theo một quỹ đạo đã được tính toán và xác định từ trước
21


thông qua một chuỗi các vị trí xác định. Các vị trí này đã được ghi vào bộ nhớ của
robot và robot phải tự tính toán điều khiển để đạt tới các vị trí mong muốn này theo
các điều kiện tối ưu có thể. Robot điều khiển playback được chia làm hai loại tùy

theo phương thức điều khiển:
+ Điều khiển theo kiểu điểm - điểm (PTP)
Phương thức điều khiển kiểu điểm - điểm là phương thức điều khiển mà việc
xác định quỹ đạo chuyển động từ điểm này sang điểm khác là do bản thân robot
xác định tuỳ theo điều kiện cụ thể. Quỹ đạo chuyển động của robot được ghi từ
trước trong bộ nhớ chỉ là một chuỗi vị trí các điểm mong muốn. Robot sẽ tự tìm
cách lần lượt đạt tới các điểm mong muốn đó bằng cách so sánh tọa độ hiện tại với
tọa độ của điểm mong muốn và tính toán xây dựng quỹ đạo điều khiển chuyển
động theo hướng làm giảm sự sai lệch đó. Dạng quỹ đạo này phù hợp cho các
robot có hoạt động “gắp”, “nhả”.
+ Điều khiển theo quỹ đạo liên tục
Là phương thức điều khiển mà quỹ đạo chuyển động của robot tới các điểm
đã xác định. Trong quá trình hoạt động robot phải điểu khiển hệ thống bám theo
quỹ đạo được ghi trong bộ nhớ. Quỹ đạo liên tục có thể được cho dưới dạng các
điểm liên tục hoặc cho dưới dạng các điểm cần phải đi qua với các tham số về vận
tốc, gia tốc, thời gian.v.v và được xây dựng bằng các đa thức nội suy bậc cao. Quỹ
đạo liên tục được đòi hỏi trong các nguyên công công nghệ như sơn, hàn, cắt ... mà
tay máy thực hiện việc trực tiếp.
Điều khiển Robot thông minh
Ứng dụng để điều khiển cho những robot ngoài việc có thể thực hiện được
chương trình đặt trước, nó còn có khả năng tùy biến thực hiện các hành động phù
hợp với các cảm nhận từ môi trường. Robot thông minh có thể thay đổi chương
trình phù hợp với điều kiện làm việc của môi trường nhận được từ các sensor
(quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường, âm thanh, tần số…) sử dụng logic mờ và
mạng nơron. Robot loại này có khả năng giao tiếp với con người hoặc với hệ thống
máy tính chung để có thể đưa ra các xử lý thông minh. Hiện nay trên thế giới đã
22


xuất hiện các robot thông minh có thể hiểu được các lệnh đơn giản của con người,

có thể giao tiếp, giúp đỡ để thực hiện các công việc phức tạp trong nhà máy.
1.5.1.2. Điều khiển lực
Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính
Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ
thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến cho
phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên
lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc
trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ toán học chặt
chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả. Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả
hệ thống có nhiều ưu điểm như:
- Mô hình đơn giản, các tham số mô hình tuyến tính dễ dàng xác định được
bằng các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình
hoá lý phức tạp mô tả hệ.
- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và
không tốn nhiều thời gian để thực hiện.
- Cấu trúc đơn giản của mô hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển
một cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mô hình cho phù hợp với yêu cầu thực
tế.
Chính vì những ưu điểm này của mô hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển
tuyến tính và mô hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn.
Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến
Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động
học phi tuyến (đặc biệt là robot là đối tượng có tính phi tuyến mạnh - có thể thấy
rất rõ ngay trong hệ thống điều khiển Robot luận văn này sẽ trình bày), tức là
không thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nào
cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng như không phải lúc nào
những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô hình tuyến tính được thoả mãn.
Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ
23

điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu
tính toán động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học
phi tuyến.
1.5.2. Các phương pháp điều khiển Robot
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển
Robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu
là:
- Điều khiển động lực học ngược.
- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.
- Các hệ thống điều khiển thích nghi.
+ Điều khiển thích nghi theo sai lệch.
+ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
+ Điều khiển động lực học ngược thích nghi.
+ Điều khiển trượt
1.6. Giới hạn bài toán điều khiển
Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển là 1 Robot 2 khâu: Trên mô tả
cấu trúc động học của Robot 2 khâu.

Hình 1.15. Cấu trúc động học của Robot 2 khâu
Trong đó:
- θ1, θ2: Góc quay của từng khâu
- l1, l2 : Chiều dài của từng khâu
- m1, m2: Khối lượng toàn bộ của mỗi khâu
- g: gia tốc trọng trường
24


Yêu cầu bài toán điều khiển là: thiết kế bộ điều khiển tính toán lực (mômen)
điều khiển sao cho quỹ đạo chuyển động của tay máy Robot bám theo quỹ đạo đặt.

1.7. Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về Robot công nghiệp từ lịch sử ra đời đến
các giai đoạn phát triển, những ưu – nhược điểm trong các lĩnh vực ứng dụng của
Robot. Tìm hiểu cấu trúc chung của Robot và các phương pháp điều khiển chuyển
động của Robot để Robot ngày càng linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử
dụng của con người trong mọi lĩnh vực: sản xuất, công nghiệp, dịch vụ... Mục đích
nghiên cứu trong luận văn thiết kế bộ điều khiển chuyển động Robot 2 khâu dựa
trên logic mờ.
Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển chính đó là phương
pháp điều khiển dựa trên logic mờ sẽ được phân tích trong chương 2.

25