Nghiên cứu, mô phỏng sự tương tác của robot với môi trường làm việc thông qua một mẫu robot tự thiết kế, chế tạo và tích hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ TRẦN THẮNG

NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ TƯƠNG TÁC
CỦA ROBOT VỚI MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC
THÔNG QUA MỘT MẪU ROBOT
TỰ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TÍCH HỢP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ TRẦN THẮNG

NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ TƯƠNG TÁC
CỦA ROBOT VỚI MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC
THÔNG QUA MỘT MẪU ROBOT
TỰ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ TÍCH HỢP
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
GS. TS Đinh Văn Phong

Hà Nội - 2013


I

LỜI CÁM ƠN
Xuyên suốt quá trình nghiên cứu, học tập và hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô cũng như sự động viên, góp ý của các bạn
đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ
lời cảm ơn chân thành tới:
Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn
thành luận án.
GS. TS Đinh Văn Phong, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, truyền thụ kiến thức,
động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập để hoàn thành
luận văn tốt nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng chấm luận án đã cho tôi những đóng
góp quý báu để hoàn chỉnh luận án này.
Các anh chị em trong phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam
đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu phát triển.
Đặc biệt, con cũng xin chân thành cảm ơn bố mẹ đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ
con học tập, làm việc và hoàn thành luận án. Cám ơn gia đình nhỏ của tôi.
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Tác giả

Đỗ Trần Thắng


II

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học của tôi. Các số liệu trong luận án là trung
thực và có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng. Các kết quả của luận án chưa từng được công bố
trong bất cứ công trình khoa học nào.

Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Tác giả

Đỗ Trần Thắng


III

Mục lục
LỜI CÁM ƠN .................................................................................................. I
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................VI
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................... VIII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................IX
1

Tổng quan ................................................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.1.1

Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước .................................. 1

1.1.2

Ý nghĩa của việc phân tích sự tương tác giữa Robot với môi trường ............ 7

1.2 Mục đích của luận án ..................................................................................... 8
1.3 Nội dung nghiên cứu của luận án .................................................................. 9
1.4 Kết luận........................................................................................................ 11

2

Cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot ............................... 12
2.1 Các vấn đề của một hệ thống Robot ............................................................ 12
2.2 Cơ sở nghiên cứu, mô phỏng sự tương tác của Robot với môi trường ....... 17
2.2.1

Cơ sở động học ............................................................................................ 17

2.2.2

Phân tích Jacobian cho Robot tay máy ....................................................... 23

2.2.3

Cơ sở động lực học ...................................................................................... 30

2.3 Cơ sở về điều khiển lực tương tác của Robot với môi trường .................... 41
2.3.1

Điều khiển chuyển động và điều khiển tương tác ........................................ 41

2.3.2

Điều khiển lực bị động................................................................................. 43

2.3.3

Điều khiển lực chủ động .............................................................................. 44

2.3.4

Các dạng mô hình tương tác ....................................................................... 49

2.4 Công cụ MATLAB/SIMULINK ................................................................. 57
2.5 Kết luận........................................................................................................ 58

3

Robot tay máy 6 bậc tự do – eRobot....................................................... 59
3.1 Cấu trúc, tính năng hoạt động...................................................................... 59
3.1.1

Cấu trúc thành phần .................................................................................... 59

3.1.2

Cấu trúc chức năng ..................................................................................... 60


IV

3.1.3

Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển eRobot ....................................... 61

3.1.4

Cấu trúc chính của hệ thống điều khiển eRobot.......................................... 62

3.1.5

Đặc điểm khác của eRobot .......................................................................... 63

3.2 Hình học: không gian làm việc, điểm kỳ dị, thiết kế quỹ đạo ..................... 65
3.2.1

Không gian làm việc .................................................................................... 65

3.2.2

Các cấu hình kỳ dị ....................................................................................... 69

3.2.3

Thiết kế quỹ đạo........................................................................................... 74

3.3 Động học...................................................................................................... 92
3.3.1

Động học thuận ........................................................................................... 92

3.3.2

Tính toán động học ngược bằng giải tích.................................................... 98

3.3.3

Jacobian .................................................................................................... 102

3.3.4

Tính toán số động học với hiệu chỉnh gia lượng ....................................... 106

3.4 Động lực học có tương tác với môi trường ............................................... 108
3.4.1

Giải phương trình động lực học có ràng buộc và lực tương tác ............... 109

3.4.2

Ma trận quán tính ...................................................................................... 111

3.4.3

Xây dựng và thiết kế nhiệm vụ tương tác lực với môi trường ................... 121

3.5 Lập trình giao tiếp với phần cứng điều khiển ............................................ 123
3.6 Chương trình mô phỏng eMRobot ............................................................ 125
3.6.1

Chức năng nhiệm vụ .................................................................................. 125

3.6.2

Thuật toán chương trình ............................................................................ 127

3.6.3

Đặc tính của chương trình......................................................................... 127

3.6.4

Giao diện chương trình ............................................................................. 128

3.7 Kết luận...................................................................................................... 133

4

Kết quả chính đạt được ......................................................................... 135
4.1 Thư viện thuật toán (các m file)................................................................. 136
4.1.1

Xây dựng đối tượng eRobot ....................................................................... 136

4.1.2

Động học ngược ........................................................................................ 137

4.1.3

Thuật toán tính toán hệ lực xoắn và mômen sinh ra khi có tương tác ...... 141

4.2 Mô hình, mô phỏng và điều khiển hệ thống eRobot bằng eMRobot ........ 143

4.2.1

Kết quả tính toán động học ngược ............................................................ 144

4.2.2

Kết quả phân tích lực tương tác ................................................................ 145

4.3 Kết luận...................................................................................................... 147


V

5

Kết luận chung và hướng phát triển ...................................................... 148

6

Tài liệu tham khảo ................................................................................ 149


VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
* lần lượt là vị trí, vận tốc, gia tốc của véc tơ tọa độ suy rộng trong nhiệm vụ
q* , q * , q
chuyển động khi không có tương tác với môi trường.

q, q , q

lần lượt là vị trí, vận tốc, gia tốc của véc tơ tọa độ suy rộng trong nhiệm vụ
chuyển động khi có tương tác với môi trường.

G
g

véc tơ lực trọng trường.

Ii

ma trận quán tính của khâu thứ i quanh khối tâm của nó và được biểu diễn
trong hệ tọa độ cố định.

i

ma trận quán tính của khâu thứ i quanh khối tâm của nó tính trong hệ tọa độ
khâu thứ i.

Ii

véc tơ gia tốc trọng trường.

Ji

ma trận Jacobian của khâu thứ i.

J vi

ma trận con của ma trận Jacobian liên hệ với vận tốc của khối tâm khâu thứ

i.

J i

ma trận con của ma trận Jacobian liên hệ với vận tốc góc của khâu thứ i.

K

động năng của hệ cơ.

L

hàm Lagrange, L  K U .

M

ma trận quán tính của Robot.

M ij

phần tử (i, j) của M .

n

số các tọa độ suy rộng.

k

véc tơ vị trí của khối tâm khâu thứ i so đối với hệ tọa độ khâu thứ k và được
biểu diễn trên hệ tọa độ cố định.

p *ci

Qi

lực suy rộng tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i.

Q:

véc tơ lực suy rộng, Q  Q1 , Q2 ,..., Qn  .

qi

tọa độ suy rộng thứ i.

q

véc tơ tọa độ suy rộng, q  q1 , q2 ,..., qn  .

U

thế năng của hệ cơ.

V

véc tơ hợp tích các cặp vận tốc.

W

công ảo.

τ

véc tơ mômen khớp n chiều phát động bởi các cơ cấu chấp hành.

Fe

véc tơ lực và mômen tổng hợp 6 thành phần được tạo ra tại khâu thao tác.

x

véc tơ dịch chuyển ảo của khâu thao tác.

fr

véc tơ mômen hoặc lực ma sát trong khớp.

T

T


VII

 q 

phương trình ràng buộc holonom và dừng giữa khâu thao tác của Robot tay
máy có tương tác tiếp xúc với môi trường.

J

ma trận Jacobian ràng buộc giữa Robot và môi trường.

τc

véc tơ lực liên kết suy rộng.

λ

véc tơ nhân tử Lagrange.

ker

nhân.

G

hàm Gauss đo độ lệch trọng số khối lượng giữa các gia tốc không bị ràng
buộc và gia tốc bị ràng buộc.

Λ q 

ma trận quán tính trong không gian khớp.

Γ  q, q  ma trận ảnh hưởng của lực Coriolis và lực ly tâm.
η q 

ma trận ảnh hưởng của trọng trường.

hc

lực của khâu thao tác tương ứng với mômen phát động trên các khớp.

he

lực và mômen từ môi trường tác động vào khâu thao tác cuối của Robot.

KP

độ cứng chủ động.

W

ma trận trọng số.

J†

ma trận tựa nghịch đảo của ma trận J.

J*

ma trận nghịc đảo của ma trận J theo phương pháp DLS.


VIII

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1

Các thành phần chính của hệ thống eRobot

59

Bảng 3.2

Bảng chuyển đổi đơn vị góc và vận tốc khớp giữa xung và độ

63

Bảng 3.3

Vị trí “KHÔNG” của eRobot

63

Bảng 3.4

Giới hạn hành trình của các khớp so với vị trí KHÔNG

64

Bảng 3.5

Tham số D-H cho eRobot

94

Bảng 3.6

Thông số động lực học của eRobot

111-112


IX

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1

Các ứng dụng của Robot tay máy có tương tác lực với môi trường

5

Hình 2.1

Kiến trúc lớp của hệ thống Robot

12

Hình 2.2

Điều khiển khớp

16

Hình 2.3

Biểu diễn các góc Euler

18

Hình 2.4

Thứ tự các phép quay Euler

19

Hình 2.5

Các góc Roll-Pitch-Yaw

20

Hình 2.6

Các phép quay Roll-Pitch-Yaw

20

Hình 2.7

Các phép quay Roll-Pitch-Yaw tương đương

22

Hình 2.8

Hình học của khâu i và trạng thái chuyển động của khâu

24

Hình 2.9

Các tham số của khâu trong tay máy dạng chuỗi

26

Hình 2.10

Điều khiển lực bị động

44

Hình 2.11

Điều khiển lực chủ động

45

Hình 2.12

Điều khiển lực gián tiếp

46

Hình 2.13

Điều khiển lực trực tiếp

49

Hình 2.14

Điều khiển lai ghép lực/chuyển động

49

Hình 2.15

Đặt vật hình trụ vào lỗ

54

Hình 2.16

Trượt đối tượng hình lăng trụ trên một mặt phẳng đàn hồi

55

Hình 2.17

Hai tiếp cận ước lượng sai lệch hướng

57

Hình 2.18

Sơ đồ cấu trúc MATLAB/ SIMULINK

59

Hình 3.1

Hệ thống eRobot-phòng Cơ điện tử-Viện Cơ học

60

Hình 3.2

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển Tay máy

61

Hình 3.3

Cấu trúc hệ thống điều khiển Tay máy

62

Hình 3.4

Vị trí KHÔNG của eRobot

64

Hình 3.5

Chiều quay thuận nghịch của các trục khớp trên eRobot

65

Hình 3.6

Chuỗi các khớp quay

66

Hình 3.7

Hình bao của hệ đường cong dạng chuẩn

70

Hình 3.8

Sơ đồ động học Robot eRobot 6 bậc tự do

70

Hình 3.9

Cấu hình kỳ dị khớp cánh tay

71

Hình 3.10

Cấu hình kỳ dị khớp bả vai

71

Hình 3.11

Cấu hình kỳ dị khớp cổ tay

72

Hình 3.12

Hình minh họa sự khó khăn của lập trình quỹ đạo

74


X

Hình 3.13

Phương trình quỹ đạo phụ thuộc tham số s

75

Hình 3.14

Đường cong trong không gian

76

Hình 3.15

Quỹ đạo đoạn thẳng

77

Hình 3.16

Quỹ đạo đường tròn – phương án 1

78

Hình 3.17

Quỹ đạo đường tròn – phương án 2

79

Hình 3.18

Quỹ đạo LSPB

81

Hình 3.19

Quỹ đạo BBPB

82

Hình 3.20

Quỹ đạo đi qua các điểm nút

82

Hình 3.21

Đoạn nối giữa nút Pi và Pi+1

82

Hình 3.22

Các vận tốc quỹ đạo điển hình

90

Hình 3.23

Vận tốc quỹ đạo dạng Cosin

90

Hình 3.24

Vận tốc quỹ đạo dạng hình thang

91

Hình 3.25

Sơ đồ động học Robot eRobot 6 bậc tự do

94

Hình 3.26

Hệ tọa độ ở đầu tác động và vị trí tâm xoay

99

Hình 3.27

Hai cấu hình tay máy khác nhau

101

Hình 3.28

Sơ đồ giải thuật lặp - phương pháp số giải bài toán động học ngược

109

Hình 3.29

Cấu trúc module truyền thông của eRobot

124

Hình 3.30

Sơ đồ nhiệm vụ của eMRobot

126

Hình 3.31

Thuật toán tổng quát của chương trình eMRobot

127

Hình 3.32

Giao diện chương trình eMROBOT

128

Hình 3.33

Giao diện thiết kế quĩ đạo trong không gian khớp

129

Hình 3.34

Giao diện thiết kế quĩ đạo trong không gian thao tác

130

Hình 3.35

Giao diện Simulation module

131

Hình 3.36

Đồ thị mômen khớp phát sinh của khớp thứ nhất và lực theo trục x

132

Hình 3.37

Đồ thị các thông số của các cơ cấu chấp hành Robot

132

Hình 3.38

Giao diện truyền dữ liệu điều khiển tay máy

133

Hình 4.1

Giao diện quản lý cơ sở dữ liệu về động học của đối tượng Robot

135

Hình 4.2

Giao diện quản lý cơ sở dữ liệu động lực học của đối tượng Robot

135

Hình 4.3

Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược bằng giải tích có tránh
điểm kỳ dị

136

Hình 4.4

Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược bằng số có tránh điểm
kỳ dị

138

Hình 4.5

Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược tránh vật cản

139

Hình 4.6

Sơ đồ thuật toán tính toán hệ lực xoắn và mô men sinh ra khi có
tương tác

141


XI

Hình 4.7

Thiết kế nhiệm vụ của eRobot trong không gian thao tác

142

Hình 4.8

Giao diện xây dựng nhiệm vụ tương tác của eRobot

143

Hình 4.9

Vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác (theo trục z0 của hệ cố
định) trong bài toán ngược

143

Hình 4.10

Vị trí, vận tốc, gia tốc của biến khớp tại khớp 1 trong bài toán
ngược

144

Hình 4.11

Mômen sinh ra tại khớp và hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào
môi trường khi có tương tác.

145

Hình 4.12

Mômen sinh ra tại khớp và hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào
môi trường khi có tương tác

145


1

1 Tổng quan
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước
Ngoài nước:
Lịch sử cận đại của tay máy Robot được tính từ cuối những năm 40 khi mà Robot có điều
khiển servo được phát triển cùng với hệ thống vận hành kiểu chủ - tớ cho việc thao tác nắm
mang các vật liệu hạt nhân. Sự phát triển trong lĩnh vực này vẫn được tiếp tục cho tới ngày
nay. Tuy nhiên, thời gian đầu những năm 60 xuất hiện một số ít các hoạt động khoa học và
thương mại về lĩnh vực Robot. Công trình đầu tiên là luận án tiến sỹ của H. A. Ernst, năm
1961 tại MIT. H. A. Ernst đã sử dụng một tay máy slave (tớ) có trang bị các cảm biến chạm
(touch sensors). Ý tưởng chính của luận án này là sử dụng thông tin cảm nhận từ các cảm

biến chạm để chỉ dẫn cho Robot. Luận án này là một phần trong dự án SAIL của giáo sư
Marvin Minsky tại MIT, đây là một sự đầu tư học thuật mạo hiểm lớn vào khoa học Robot tại
thời điểm đó. Các cố gắng này đã đóng góp một chút vào các sản phẩm Robot thương mại, tập
trung chính trong sản xuất các chi tiết trong công nghiệp ôtô. Ở Mỹ đã thử nghiệm 2 kiểu thiết
kế khác nhau sử dụng trong công nghiệp ôtô; một từ American Machine và Foundry (AMF)
và một khác từ công ty liên hợp Unimation. Thời gian này cũng có một vài thiết bị cơ khí giả
bộ phận người được phát triển như: bàn tay, chân, cánh tay, và một ít thời gian sau đó là các
thiết bị dạng xương với mục đích nâng cao khả năng thực hiện công việc của con người. Lúc
này chưa xuất hiện vi xử lý. Vì vậy các thiết bị này hoặc là không có điều khiển máy tính,
hoặc nối với một thiết bị điều khiển từ xa hoặc thậm chí là một máy tính lớn, tham khảo chi
tiết ở [1].
Ở những thời điểm bắt đầu của máy tính, nhiều nhà khoa học máy tính cho rằng máy tính có
đầy đủ sức mạnh để điều khiển bất kể thiết bị cơ khí nào và làm chúng thỏa mãn các yêu cầu
đặt ra. Tuy nhiên một số chuyên gia Robot lại chưa chắc chắn vào điều này. Giáo sư Bernard
Roth (Stanford University) và các cộng sự đã phát triển cùng một lúc theo hai con đường. Một
là phát triển các thiết bị đặc biệt cho dự án SAIL, sử dụng các hệ thống kiểm chứng lý thuyết
và minh họa cho phần cứng đơn giản có sẵn trong phòng thí nghiệm. Hai là phát triển các vấn
đề cơ bản về cơ học của khoa học Robot, vấn đề này ít có ý nghĩa với dự án SAIL. Sau một
thời gian dài đầu tư phát triển, họ nhận thấy rằng về mặt ý nghĩa khoa học nên phát triển các
khái niệm tổng quát tốt hơn là tập trung quá cho việc phát triển các thiết bị đặc biệt. Tuy
nhiên, cũng thật tự nhiên, họ nhận thấy rằng, hai hướng phát triển này cần thiết phải tiến hành
song song và chúng luôn bổ trợ nhau. Phát triển phần cứng sẽ làm cơ sở chứng minh sự
đúng đắn của các khái niệm tổng quát thông qua những thí nghiệm cụ thể, các nhà
nghiên cứu sẽ có thể phát triển cả lý thuyết lẫn phần cứng, tham khảo chi tiết ở [8].


2

Nhanh chóng, xu thế hiện đại của thiết kế điện tử và cơ khí tinh vi, phần mềm tối ưu hóa và
sự tích hợp hệ thống hoàn chỉnh trở thành quy chuẩn; đến nay, sự kết hợp này thể hiện sự xác

nhận về tiêu chuẩn của hầu hết các thiết bị liên quan nhiều đến khoa học Robot. Đây cũng là
khái niệm cơ bản ẩn sau thuật ngữ Cơ điện tử-từ người Nhật như là một sự lai ghép giữa hai
từ cơ khí và điện tử. Cơ điện tử dựa vào tính toán là một bản chất nội tại của công nghệ trong
lĩnh vực khoa học Robot như chúng ta biết ngày nay, tham khảo chi tiết ở [8].
Khoa học Robot đã phát triển trên toàn thế giới với một số lượng lớn các chuyên gia làm việc
ở nhiều lĩnh vực, kể cả những người không chuyên môn cũng tham gia sự phát triển này. Sự
phân chia lớn đầu tiên là giữa những chuyên gia làm việc với các tay máy và các chuyên gia
làm việc với hệ thống vision. Trước đó, các hệ thống vision hình như được đánh giá có nhiều
hứa hẹn hơn các phương pháp khác để giúp Robot cảm nhận về môi trường của nó.
Ý tưởng là có một camera thu thập các bức ảnh của các đối tượng trong môi trường, và sau đó
sử dụng các thuật toán cho phép phân tích các hình ảnh trên máy tính từ đó đưa ra được các
thông tin theo yêu cầu về vị trí, hướng và các thuộc tính khác của đối tượng. Các thành tựu
khởi đầu của hệ thống hình ảnh là giải quyết các vấn đề trong việc xác định vị trí các khối, xử
lý thao tác với các đối tượng, đọc các bản vẽ lắp ráp. Vision được đánh giá có nhiều tiềm
năng sử dụng cho hệ thống Robot trong tự động hóa nhà máy và trong thám hiểm không gian.
Điều này dẫn tới các nghiên cứu về phần mềm mà cho phép hệ thống vision nhận ra các chi
tiết máy (đặc biệt với các chi tiết rời đóng kín, thường ứng dụng trong trường hợp được gọi là
vấn đề về gắp hộp kín) và các vật thể có hình dạng lởm chởm.
Sau khi khả năng nhìn và di chuyển đối tượng được thiết lập, nhu cầu tiếp theo là phải lập kế
hoạch chuỗi các sự kiện để hoàn thành một nhiệm vụ phức tạp. Đòi hỏi này dẫn tới một vấn
đề quan trọng trong khoa học Robot là phát triển việc xây dựng kế hoạch cho Robot. Lập các
kế hoạch trước cho trường hợp môi trường cố định đã biết trước gần như không phức tạp. Tuy
nhiên, một thách thức đối với khoa học Robot là giúp Robot thám hiểm môi trường của nó, và
tự thay đổi các ứng xử của nó khi môi trường thay đổi không dự đoán trước do các nguyên
nhân về sai lệch hoặc các sự kiện không có trong kế hoạch. Một vài nghiên cứu ban đầu trong
lĩnh vực này được tiến hành có sử dụng mô hình xe có tên là Shakey, bắt đầu từ năm 1966 và
được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Charlie Rosen tại Viện Nghiên cứu Stanford (bây
giờ gọi là SRI). Shakey sử dụng một camera TV, một bộ tìm kiếm vùng tam giác, các cảm
biến va chạm (bump sensor); tất cả được nối với máy tính DEC PDP-10 và DEC PDP-15 qua
radio và thiết bị nối video.

Shakey là Robot di động đầu tiên có khả năng suy lý về hành động của mình. Robot này sử
dụng các chương trình mà cho phép có các khả năng về tri giác độc lập, mô hình hóa thế giới
và phát sinh các hành động. Các thủ tục (hàm) hành động cấp thấp đảm nhiệm chuyển động
đơn giản, chuyển động rẽ hướng và lập kế hoạch. Những ứng xử cấp trung gian kết hợp với


3

hành động cấp thấp để hoàn thành được các nhiệm vụ phức tạp hơn. Các chương trình ở mức
cao nhất có thể lập kế hoạch và thi hành kế hoạch để đạt được các mục đích mức cao được
cung cấp bởi người sử dụng, tham khảo thêm ở [5].
Vision rất hữu dụng cho việc định hướng tìm đường, xác định vị trí đối tượng và tự xác định
vị trí và hướng tương đối của Robot trong môi trường, tạo điều kiện cho Robot có khả năng
tương tác với môi trường như là: tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị, ... Tuy nhiên điều này
thường không đủ đối với các ứng dụng lắp ráp chi tiết hoặc khi Robot làm việc có các
lực liên kết của môi trường. Điều này dẫn tới cần phải đo lực và mômen phát sinh do môi
trường lên Robot và sau đó sử dụng những kết quả đo đạc này để điểu khiển ứng xử của
Robot. Trong rất nhiều năm, các tay máy có điều khiển lực trở thành một trong những chủ để
nghiên cứu chính của SAIL và nhiều phòng thí nghiệm khác trên toàn thế giới. Thực tế, trong
công nghiệp, việc sử dụng điều khiển lực cho Robot luôn tụt hậu so với các nghiên cứu phát
triển trong lĩnh vực này. Sự thật dường như là trong lúc điều khiển lực mức cao rất hữu dụng
cho các vấn đề của tay máy thao tác nói chung, các vấn đề đặc biệt trong môi trường công
nghiệp rất bị hạn chế, vì vậy điều khiển lực thường chỉ được quan tâm có giới hạn, hoặc
không có điều khiển lực, tham khảo chi tiết ở [9, 10, 11, 12, 34, 35].
Vào những năm 70 trên thế giới bắt đầu phát triển nhanh các nghiên cứu nhiều lĩnh vực
chuyên sâu như máy đi bằng chân, bàn tay, xe tự động, tích hợp cảm biến và thiết kế cho các
môi trường không thân thiện. Ngày nay đã phát triển một số lượng lớn các ngành chuyên môn
được nghiên cứu cho khoa học Robot. Nhiều trong số các ngành chuyên môn này thuộc các
lĩnh vực chuyên về kỹ thuật cổ điển, mà các kết quả của nó được phát triển đặc biệt cho loại
máy gọi là Robot. Ví dụ ở đây như là Động học, Động lực học, Điều khiển, Thiết kế máy,

hình học Topo và Xây dựng quỹ đạo. Mỗi trong số các chuyên môn này có một bề dày lịch sử
trước cả khoa học về Robot, tuy vậy đây là những lĩnh vực được nghiên cứu sâu trong khoa
học Robot để phát triển đặc trưng chuyên sâu của chúng liên quan tới hệ thống kiểu Robot và
các ứng dụng. Trong sự phát triển chuyên môn hóa này, các nhà nghiên cứu đã và đang làm
giàu thêm cho các chuyên môn cổ điển bằng cách nâng cao cả về nội dung và phạm vi của
chúng, tham khảo chi tiết ở [33].
Song song với cùng thời điểm phát triển của lý thuyết, Robot công nghiệp cũng được phát
triển lớn mạnh, tuy có hơi tách biệt. Sự phát triển thương mại mạnh mẽ xẩy ra ở Nhật và Châu
Âu và tiếp tục là ở Mỹ. Nhiều hiệp hội công nghiệp được hình thành (Tháng 03 năm 1971
hình thành hiệp hội Robot Nhật Bản, năm 1974 Mỹ thành lập hiệp hội công nghiệp Robot
(RIA)) và sự xuất hiện nhiều triển lãm thương mại cùng với sự giới thiệu, tổ chức rất bài bản
nhiều hội nghị kỹ thuật định hướng ứng dụng. Trong đó quan trọng nhất là Hội thảo chuyên
đề cấp Quốc tế về Robot công nghiệp, Hội nghị về Công nghệ Robot công nghiệp (bây giờ


4

gọi là Hội nghị Quốc tế về Công nghệ Robot công nghiệp) và triển lãm thương mại hàng năm
RIA, ngày nay được gọi là Hội nghị triển lãm tầm nhìn và Robot Quốc tế.
Vào năm 1973 đã diễn ra sự mở đầu của chuỗi các hội nghị thường niên nhằm làm nổi bật các
kết quả nghiên cứu hơn là về công nghiệp trong nhiều khía cạnh của khoa học Robot. Hội
nghị này được đồng tài trợ bởi International Center for Mechanical Sciences (CISM) đặt tại
Udine, Ý và International Federation for the Theory of Mechanisms and Mechines
(IFToMM). (Viết tắt IFToMM vẫn được sử dụng đến ngày nay, nhưng ý nghĩa thì thay đổi
thành International Federation for the Promotion of Mechanisms and Mechine science). Hội
nghị này được đặt tên là Hội thảo về lý thuyết và thực nghiệm của Robot và tay máy
(RoManSy). Mục đích của hội thảo là nhấn mạnh vào lĩnh vực khoa học máy và các nhà khoa
học thành viên tích cực đến từ Đông và Tây Âu cũng giống như từ Mỹ và Nhật Bản. Hội thảo
này được tổ chức hai lần trong một năm.
RoManSy nhanh chóng được phối hợp và liên kết với nhiều hội nghị, hội thảo, các buổi trao

đổi mới. Ngày nay có một số lượng lớn hội nghị, hội thảo, cuộc gặp gỡ được tổ chức cho
Robot học định hướng về nghiên cứu diễn ra hàng tháng trong năm và ở nhiều nước trên thế
giới. Hội nghị lớn nhất về Robot hiện nay là Hội nghị Quốc tế về Robot và Tự động hóa
(ICRA) luôn thu hút trên hơn một 1000 báo cáo tham dự.
Vào đầu những năm 80 Richard “Lou” Paul (Richard P. Paul) đã viết cuốn sách đầu tiên về
tay máy Robot tại Mỹ có tên là: “Robot Manipulators: Mathematics, Programming, and
Control, The MIT Press, Cambridge, MA, 1981”. Cuốn sách đã sử dụng những kiến thức cổ
điển về cơ học ứng dụng cho Robot học. Trong đó, có một vài chủ đề được phát triển trực tiếp
từ luận án nghiên cứu của ông tại dự án SAIL (nhiều ví dụ dựa trên tay máy Stanford Arm của
Scheinman). Cuốn sách của Paul là một sự kiện bước ngoặt tại Mỹ; nó đã tạo ra một kiểu mẫu
gây ảnh hưởng tới nhiều cuốn sách khác sau này, nó cũng đồng thời là nguồn tài liệu khích lệ
tạo ra các khóa học Robot chuyên sâu tại các học viện và các trường đại học lớn, tham khảo
chi tiết ở [1].
Cũng trong khoảng thời gian này xuất hiện các tạp chí mới liên quan chính tới lĩnh vực Robot.
Mùa xuân năm 1982 thành lập tạp chí The International Journal of Robotics Research và tiếp
theo 3 năm sau đó là tạp chí IEEE Journal of Robotics and Automation (ngày nay là văn kiện
hội nghị IEEE transactions on Robotics).
Trong nhiều năm và đối với nhiều người, một Robot được lý tưởng hóa bao gồm khái niệm đa
chức năng mang ý nghĩa là thiết bị được thiết kế và xây dựng với khả năng dễ dàng thích nghi
và lập trình lại được để thực hiện nhiều công việc khác nhau. Về mặt lý thuyết điều này là
đúng, tuy nhiên thực tế cho thấy rằng hầu hết các thiết bị Robot được gọi là đa chức năng chỉ
trong một phạm vi hoạt động rất bị hạn chế. Trong công nghiệp cho thấy nói chung các máy
chuyên dụng thực hiện công việc tốt hơn nhiều các máy đa chức năng. Hơn thế nữa khi khối


5

lượng sản xuất đủ cao, một máy chuyên dụng sẽ tốn ít chi phí hơn nhiều so với một máy đa
chức năng dùng chung để sản xuất. Cũng như vậy, các Robot chuyên dụng được phát triển
cho các công việc sơn, ghép đinh tán, lắp ráp các chi tiết gần phẳng, cấp hàng, nhồi mạch điện

tử, v.v. Trong một số trường hợp, Robot được sử dụng theo những cách đặc biệt và sẽ rất khó
để phân chia ranh giới giữa một được gọi là Robot và một là một chút hiệu chỉnh của Tự động
hóa. Thực tế đã mở ra cho chúng ta thấy rằng sự đối lập với giấc mơ ban đầu về Robot, giấc
mơ hy vọng phát triển những máy đa chức năng dùng chung mà sẽ làm được “mọi thứ”, tham
khảo chi tiết ở [23].

a) Tay máy vẽ tương tác với bức tranh

b) Tay máy dư dẫn động Kuka (Dự án
Orocos)

c) Tay máy hàn điểm của Huyndai

d) Tay máy phối hợp hoạt động

Hình 1.1 Các ứng dụng của Robot tay máy có tương tác lực với môi trường
Bất kể máy nào đó hoạt động trong thực tế, gồm cả họ các thiết bị hộ gia đình có vi xử lý chỉ
đạo hành động của chúng đều có thể coi là Robot, kể cả như máy hút bụi, máy giặt quần áo,
máy làm lạnh, máy rửa bát, ...Tất nhiên là bao gồm cả những máy có phản hồi tín hiệu cảm
biến môi trường và có các khả năng tạo ra quyết định. Trong ứng dụng thực tế, trong các thiết
bị được gọi là Robot, số lượng cảm nhận và khả năng tạo ra quyết định có thể biến đổi từ rất
nhiều đến không có gì.


6

Trong nhiều thập niên gần đây, nghiên cứu về Robot học đã và đang được mở rộng từ một
lĩnh vực trung tâm trong nghiên cứu các thiết bị Cơ điện tử trở thành một lĩnh vực liên ngành
rộng lớn hơn nhiều. Ví dụ như khoa học Robot dạng người. Lĩnh vực mới này giải quyết sự
tương tác giữa con người và các máy thông minh đang phát triển mạnh. Các khái niệm như

cảm xúc giữa Robot và con người đang được quan tâm nghiên cứu kết hợp cùng với các lĩnh
vực trước đó như sinh lý học con người, sinh vật học con người để tạo thành một xu thế trong
nghiên cứu Robot. Các hoạt động này làm phong phú nhiều thêm cho lĩnh vực Robot và giới
thiệu những miền khoa học và kỹ thuật mới, tham khảo chi tiết ở [23].
Theo lịch sử phát triển Robot, tay máy công nghiệp đã đạt được sự thành công lớn ở các nước
phát triển trong một thời gian dài (Mỹ, Nhật, Đức, …) được sử dụng nhiều trong các dây
chuyền sản xuất tiên tiến (có mức giá trị ước tính khoảng 2 tỷ USD). Đi theo sự tiến bộ của
loài người, Robot nói chung và tay máy nói riêng ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phổ
biến hơn trong nhiều lĩnh vực như: trong công nghiệp, trong nghiên cứu phát triển, trong quân
sự, trong y học, trong thám hiểm không gian, trong giải trí, trong sinh hoạt đời thường, … Tay
máy ngày nay và trong tương lai được đòi hỏi cao hơn về độ tin cậy, độ chính xác, khả năng
phối hợp, khả năng tự ứng xử thông minh, khả năng đa ứng dụng, tham khảo chi tiết ở [33].
Ngoài ra, tay máy còn được ứng dụng trong nhiều dạng Robot có cấu trúc lai ghép như: Robot
thông minh dạng người (tay và chân là cấu trúc dạng tay máy) ví dụ như ASIMO của hãng
Honda, Robot di động bằng chân, Robot di động có gắn tay máy thao tác ví dụ như các xe tự
hành có Robot thám hiểm sao hỏa, nhiều Robot song song ghép nối có cấu trúc dạng chuỗi.
Trong nước:
Tại Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu ứng dụng Robot đã và đang được quan tâm tuy nhiên
còn rất hạn chế. Nhiều cơ sở nghiên cứu như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa
Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin... đã nghiên cứu, chế tạo
được một số Robot mẫu và đưa vào ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp như:
-

Mẫu tay máy lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET.

-

Tay máy MSR 50 bốc dỡ và vận chuyển vật liệu rời của viện ĐT, TH&TĐH (Vieline).

-

Tay máy cấp than cho máy nghiền.

-

Tay máy đóng chai dùng trong công nghiệp sản xuất dược phẩm, thuốc trừ sâu.

-

Tay máy 6 bậc tự do dùng trong công nghệ bảo vệ bề mặt.

-

Tay máy mini di động phun cát đánh rỉ thép sử dụng trong công nghiệp đóng tàu.

-

Tay máy phim trường sử dụng trong các trường quay có gắn máy thu hình trên khâu thao
tác.

-

Tay máy phục vụ cho các quá trình sản xuất trong điều kiện độc hại và không an toàn (tay
máy).


7

-

Tay máy hàn ứng dụng trong công nghệ đóng tàu.

-

Tay máy 6 bậc tự do eRobot-kiểu ERobot ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu chuyên
sâu các vấn đề của Robot ứng dụng trong công nghiệp.

Xin được nhắc lại rằng Robot là một lĩnh vực liên ngành, công nghệ chế tạo Robot là một
trong những “kỹ nghệ” tiên tiến của loài người liên quan mật thiết với quá trình tích hợp hữu
cơ giữa phần “mềm” và phần “cứng” của hệ thống bao gồm nhiều thành phần vật lý, công
nghệ và tri thức thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau. Robot ở Việt Nam hiện tại vẫn đang trong
giai đoạn khởi đầu, trong thời gian gần đây đã và đang được đầu tư phát triển như:
-

Đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu chuyên sâu về Robot nói riêng và về Cơ điện tử
nói chung mặc dù đã có thay đổi và dần được định hướng, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề
cần phải giải quyết (ví dụ như thiếu mô hình, thiết bị cho thí nghiệm, thử nghiệm). Các kết
quả thi Robocon của sinh viên Việt Nam so với sinh viên nước bạn là đáng ghi nhận, tuy
nhiên điều này chỉ phản ánh được phần nào về mặt ý tưởng (Để đưa Robot vào ứng dụng
còn là một thử thách rất lớn và còn rất nhiều việc cần làm).

-

Các Robot được chế tạo tại Việt Nam còn rất ít và hầu hết là sử dụng lại công nghệ của
thế giới, chưa mạnh dạn từng bước làm chủ công nghệ cũng như phát triển công nghệ.

Robot công nghiệp đã được nghiên cứu nhưng nhìn chung mới chỉ dừng ở việc đưa ra mô
hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động lực học cho Robot phục vụ điều khiển chuyển
động mà chưa tự chủ động được quá trình thiết kế và chế tạo Robot đáp ứng yêu cầu cụ thể.
Các vấn đề mới đang được quan tâm trên thế giới nhằm nâng cao kỹ năng động lực học và

khả năng ứng xử thông minh giống con người cho Robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu
ở Việt Nam như: vấn đề tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị của Robot, … và đặc biệt là vấn đề
tương tác lực của Robot với môi trường trong quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển động.
Hiện tại và trong thời gian tới giải pháp ứng dụng tay máy nhập khẩu từ nước ngoài vẫn là
một khó khăn lớn vì giá thành một tay máy mới mặc dù đã hạ nhiều so với nhiều năm trước
nhưng vẫn còn khá cao cho nhiều doanh nghiệp Việt Nam, đặc biệt cho việc ứng dụng ban
đầu.
1.1.2 Ý nghĩa của việc phân tích sự tương tác giữa Robot với môi trường
Môi trường là những yếu tố bên ngoài và có ảnh hưởng qua lại tới sự hoạt động của Robot. Sự
ảnh hưởng qua lại này chính là sự tương tác của Robot với môi trường và tuỳ theo đặc thù
công việc của Robot mà sự tương tác này là ràng buộc về vị trí, vận tốc, gia tốc, ràng buộc về
lực, ràng buộc về khoảng cách, ràng buộc về nhiệt độ, ràng buộc về áp suất, … Rất nhiều
thách thức nghiên cứu chuyên sâu về sự tương tác của Robot với môi trường đã và đang được
quan tâm trên thế giới như là: vấn đề điểm kỳ dị và tránh điểm kỳ dị trong không gian làm


8

việc của Robot, vấn đề Robot tìm kiếm và tự tránh vật cản trong môi trường làm việc, vấn đề
điều khiển sự tương tác lực giữa Robot và các đối tượng của môi trường, …
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của thiết bị cảm biến: đo lực, đo khoảng cách, đo thị
giác, đo xúc giác đã tạo điều kiện cho hệ thống Robot cảm nhận được môi trường xung quanh
và sẽ có những ứng xử phù hợp với nhiệm vụ của mình không chỉ trong môi trường công
nghiệp bình thường mà còn cả trong môi trường có cấu trúc chưa được xác định (Robot di
động).
Nghiên cứu về điều khiển lực cho Robot đã và đang phát triển từ 3 thập niên trước. Đây là
một vấn đề được quan tâm rộng lớn bởi sự thôi thúc với mong muốn chung là cung cấp
khả năng ứng xử và cảm nhận nâng cao giống con người cho hệ thống Robot. Các Robot
sử dụng phản hồi lực, tiếp xúc, khoảng cách, hình ảnh được mong đợi có thể tự vận hành
trong các môi trường có cấu trúc chưa xác định khác với các Robot công nghiệp truyền thống.

Thực tiễn cho thấy rằng, chỉ sử dụng chiến lược điều khiển chuyển động để điều khiển sự
tương tác của Robot với môi trường sẽ trở thành không đủ cho nhiều ứng dụng, ví dụ như:
-

Trong thực tế, không thể tránh khỏi các sai lệch về mô hình hóa và những thay đổi không
biết trước, đây sẽ là những nguyên nhân gây ra sự phát triển các lực tiếp xúc dẫn tới một
ứng xử mất ổn định trong thời gian tương tác giữa Robot và môi trường.

-

Trong các công việc thao tác từ xa giữa người và Robot, cần thiết phải sử dụng phản hồi
lực để trợ giúp cho người vận hành thao tác được các đối tượng từ xa thông qua tay máy
tớ (slave) được điều khiển tương tác với các đối tượng môi trường.

-

Trong các ứng dụng phát triển sự phối hợp của nhiều Robot (ví dụ các ngón tay của một
bàn tay Robot có thao tác phức tạp (dexterous), các tay máy công nghiệp cùng thực hiện
một nhiệm vụ, ...) cần phải điều khiển để giới hạn các lực truyền giữa các Robot và tránh
hiện tượng ôm quá chặt các đối tượng bị nắm giữ.

-

...

Về xu thế, việc tìm kiếm giải quyết vấn đề điều khiển lực như là một bước tiến cách
mạng của thời kỳ các vấn đề điều khiển chuyển động, trong trường hợp này cần sử dụng
các cảm biến lực/mômen cung cấp phản hồi các lực tiếp xúc để điều khiển sự tương tác của
Robot tay máy với môi trường có cấu trúc chưa được xác định, tham khảo chi tiết ở [25, 26,
27, 41].

1.2 Mục đích của luận án
 Nghiên cứu xây dựng phương pháp luận cho việc mô phỏng, phân tích lực tương tác của
Robot với môi trường trong nhiều ứng dụng.
 Xây dựng cơ sở khoa học cho thiết kế các chiến lược điều khiển lực tương tác của Robot
với môi trường.


9

 Ứng dụng các kết quả đạt được vào quá trình thiết kế, chế tạo và tích hợp, điều khiển
Robot tay máy 6 bậc tự do phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu các vấn đề về Robot
công nghiệp.

1.3 Nội dung nghiên cứu của luận án
Nội dung báo cáo luận án được tổ chức theo 6 phần chính sau:


Phần tổng quan: Luận án trình bày những hiểu biết về lịch sử phát triển Robot tay máy
nói riêng và Robot nói chung bao gồm: những điểm nổi bật về các nghiên cứu lý thuyết
liên quan tới động học, động lực học, điều khiển, cảm biến, …; về tình hình ứng dụng
Robot trong công nghiệp, trong đời sống, …; về xu thế nghiên cứu và ứng dụng Robot
trong tương lai (nâng cao các kỹ năng động học, động lực học, tự nhận dạng môi trường,
tự đưa ra quyết định ứng xử trong các tình huống chưa biết trước, thân thiện và nhiều khả
năng giống con người, …). Một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trên thế giới
nhằm nâng cao kỹ năng động lực học của Robot tay máy và cũng là cơ sở về khoa học
công nghệ để tạo ra những Robot thế hệ mới là nghiên cứu, phân tích sự tương tác của
Robot với môi trường, bao gồm vấn đề về điểm kỳ dị và tránh điểm kỳ dị ; vật cản và
tránh vật cản và đặc biệt là vấn đề tương tác lực của Robot với môi trường trong
không gian làm việc của Robot - đây là vấn đề trọng tâm mà luận án giải quyết. Luận án

nêu ra ý nghĩa của việc phân tích lực tương tác giữa Robot với môi trường mang tính thực
tiễn. Từ những nghiên cứu, phân tích tổng quan ở trên, luận án đã lựa chọn và đưa ra mục
đích mà luận án sẽ giải quyết.



Phần cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot: Từ mục đích luận án đặt ra,
luận án trình bày những cơ sở quan trọng phục vụ thực hiện luận án. Trước tiên để nhấn
mạnh sự liên kết đa ngành trong Robot, luận án tóm lược lại các vấn đề liên quan cần giải
quyết cho một hệ thống Robot (là một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử) như là: vấn đề
Cấu trúc, vấn đề Hình học, vấn đề Động học, vấn đề Tĩnh học, vấn đề Động lực học, vấn
đề Xây dựng quỹ đạo, Quá trình cảm biến, vấn đề Điều khiển, vấn đề Đánh giá khả năng
hoạt động của Robot, vấn đề Thiết kế, vấn đề Căn chỉnh. Tiếp theo, để phục vụ trực tiếp
cho luận án, luận án trình bày chi tiết về cơ sở nghiên cứu, mô phỏng, điều khiển sự tương
tác cho Robot tay máy bao gồm: Cơ sở động học của Robot, Phân tích Jacobian cho Robot
tay máy và Cơ sở động lực học cho phân tích lực tương tác giữa Robot tay máy và môi
trường (đây là phần lý thuyết trọng tâm của luận án, tác giả luận án đã bỏ nhiều thời gian
cho nghiên cứu, tổng hợp và phân tích, tính toán để góp phần xây dựng thành cơ sở này).
Với định hướng nghiên cứu, mô phỏng phục vụ điều khiển cho Robot, luận án đi sâu phân
tích các chiến lược điều khiển lực tương tác của Robot và môi trường gồm có: phân tích
giữa điều khiển chuyển động và điều khiển tương tác, chiến lược điều khiển lực tương tác
bị động, chiến lược điều khiển lực tương tác chủ động, chiến lược điều khiển lai ghép


10

lực/chuyển động, và đưa ra các dạng mô hình tương tác phục vụ việc xây dựng các mô
hình về nhiệm vụ tương tác lực. Cuối cùng, để thực thi phần việc mô hình, mô phỏng, tính
toán một đối tượng Robot cụ thể, luận án giới thiệu về bộ công cụ Matlab/Simulink mà
luận án sử dụng để xây dựng mô hình, thuật toán Động học, Động lực học, Điều khiển,

viết chương trình tính toán, mô phỏng, điều khiển phục vụ việc nghiên cứu, phân tích lực
tương tác của Robot với môi trường.


Phần Robot tay máy 6 bậc tự do - eRobot: Luận án giới thiệu về cấu trúc, chức năng,
đặc tính kỹ thuật một hệ thống Robot tay máy 6 bậc tự do – có tên gọi là eRobot
(education Robot) là một sản phẩm khoa học công nghệ của Đề tài cấp Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam năm 2010-2011 có tên: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo
tay máy hàn thử nghiệm định hướng ứng dụng trong công nghiệp ôtô, xe máy”. Các kết
quả nghiên cứu của luận án đã đóng góp phần lớn vào việc xây dựng mô hình, tính toán
động học, động lực học và mô phỏng điều khiển cũng như thiết kế chế tạo, tích hợp hệ
thống eRobot. Những nội dung đóng góp của luận án cho hệ thống eRobot bao gồm: kết
quả mô hình động học và các thuật giải động học thuận, động học ngược cho eRobot phục
vụ mô phỏng và điều khiển chuyển động của eRobot; mô hình động lực học, các thuật
toán động lực học cho tính toán mô phỏng lực tương tác giữa khâu thao tác của eRobot
với môi trường trong nhiều trường hợp. Đây cũng là mục đích đặt ra ban đầu của luận án
là nghiên cứu định hướng ứng dụng, đặc biệt đối với lĩnh vực Robot – Cơ điện tử.



Phần kết quả chính đạt được: Trình bày cụ thể hóa các kết quả đạt được bám sát mục
tiêu mà luận án đặt ra là: nghiên cứu các chiến lược điều khiển lực tương tác, xây dựng và
giải phương trình động lực học có ràng buộc của Robot với môi trường; các thuật toán viết
bằng ngôn ngữ Matlab (dạng m file) về động học (tính toán động học thuận, tính toán
động học ngược bằng phương pháp giải tích, tính toán động học ngược bằng phương pháp
số), động lực học có tương tác của Robot với môi trường, xây dựng quỹ đạo, tìm kiếm và
tránh điểm kỳ dị, tránh vật cản cho Robot; xây dựng và viết chương trình giao diện tính
toán, phân tích, điều khiển chuyển động, mô phỏng lực tương tác của eRobot với môi
trường trong nhiều trường hợp viết bằng GUI (Graphic Users Interface) của Matlab. Các
kết quả thiết kế cơ khí, điều khiển và tích hợp eRobot cũng là sản phẩm của luận án và

được thể hiện trong phần 3-Robot tay máy 6 bậc tự do-eRobot và phần phụ lục. Các kết
quả mô phỏng hiển thị bằng đồ họa trực quan và đã được kiểm chứng trong thực tế.



Phần kết luận chung và hướng phát triển: Luận án tổng kết lại các kết quả hoàn thành
luận án và đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho mục đích phát triển hệ thống Robot phục
vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu định hướng ứng dụng.



Phần phụ lục: Phần phụ lục gồm phụ lục A liệt kê mã chương trình về các thuật toán số
và chữ giải quyết các vấn đề động học, động lực học, điều khiển của eRobot. Phụ lục B là
biên bản đánh giá nghiệm thu đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.


11

Phục lục C là các bản vẽ thiết kế, chế tạo cho eRobot và một số thông tin liên quan, đây
cũng là những kết quả của luận án mà luận án trực tiếp thực hiện.

1.4 Kết luận
Với mục đích định hướng lâu dài đầu tiên cho nghiên cứu lý thuyết sau đó là phát triển công
nghệ nhằm nâng cao các kỹ năng động lực học của Robot sẵn có cũng như xây dựng cơ sở
cho chế tạo tích hợp các Robot thế hệ mới, luận án xây dựng cơ sở ban đầu cho mô phỏng
phân tích vấn đề tương tác lực của Robot tay máy với môi trường. Để phù hợp với đối tượng
nghiên cứu của mình, luận án chọn phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết,
mô phỏng, chế tạo mẫu và thực nghiệm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng, xác định các thông số cơ bản cho quá trình thiết kế, chế tạo mẫu, căn chỉnh. Sau đó,
các kết quả sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Bên cạnh những kiến thức chuyên sâu về toán học, cơ học, điều khiển học, công nghệ thông
tin, luận án sẽ sử dụng những kỹ năng, công cụ, kỹ thuật tin cậy trong quá trình thực hiện
như:
-

Kỹ thuật lập trình bằng ngôn ngữ Matlab/Simulink với nhiều bộ thư viện tự xây dựng và
từ nguồn khác.

-

Sử dụng công nghệ đồ hoạ 3 chiều Open GL.

-

Kỹ thuật thiết kế máy và công nghệ chế tạo máy.

-

Kỹ thuật thiết kế mẫu trên máy tính bằng CAD (phần mềm AutoCAD, SolidWorks).

-

Sử dụng các thiết bị điều khiển có độ tin cậy, độ chính xác cao, hiện đại để có thể thực
hiện tốt các thuật toán điều khiển phức tạp, có khả năng điều khiển thời gian thực.

Tuy nhiên, Robot nói chung và Robot tay máy nói riêng là một hệ Cơ điện tử điển hình được
tích hợp rất phức tạp từ nhiều thành phần: Cơ khí, điều khiển (phần cứng và phần mềm điều
khiển), cảm biến, … đòi hỏi phải có tư duy liên ngành cũng như điều kiện về thiết bị thí
nghiệm, vì vậy đề tài sẽ có những hạn chế nhất định. Mặc dù vậy tác giả mong muốn đây là
kết quả ban đầu có ý nghĩa thiết thực cho nghiên cứu, đào tạo và định hướng ứng dụng.

12

2 Cơ sở cho nghiên cứu và phát triển hệ thống Robot
2.1 Các vấn đề của một hệ thống Robot
Tay máy là một hệ thống Robot được tích hợp từ nhiều thành phần có tính chất vật lý khác
nhau nên rất phức tạp gồm thành phần cảm nhận, chấp hành cần được điều khiển thời gian
thực trong sự tác động của nhiễu và nhiều nguyên nhân không lường trước được xẩy ra
đồng thời và không đồng thời trong cả hai quá trình giám sát và ứng xử với các tình huống
không biết trước để điều khiển Robot đạt được nhiệm vụ. Xây dựng và thiết kế kiến trúc rõ
ràng, dễ hiểu cho hệ thống Robot là một bước định hướng quan trọng để quản lý tốt sự
phức tạp của hệ thống này.
Trạng thái liên tục
và các lựa chọn

Lập kế hoạch

Thi hành

Bộ nhớ

Dịch

Việc 1
Việc 2
Việc 3

Quản lý các hành
động thực thi

Bộ nhớ

Điều khiển
ứng xử

Trạng thái giới hạn

Robot và môi trường

Hình 2.1 Kiến trúc lớp của hệ thống Robot.
Có nhiều kiểu kiến trúc Robot khác nhau, tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau của Robot
mà mỗi kiến trúc cụ thể có ưu nhược điểm khác nhau.
Kiến trúc Robot thường được phân thành hai khái niệm: cấu trúc kiến trúc giải quyết câu
hỏi các thành phần của Robot cấu trúc để tạo thành hệ thống Robot như thế nào? Và sự
tương tác hoạt động giữa chúng ra sao?; kiểu mẫu kiến trúc là nền tảng về tính toán cho
hệ thống Robot. Ví dụ một hệ thống Robot có thể sử dụng kiểu mẫu kiến trúc truyền thông
thông điệp publish-subcribe hoặc theo tiếp cận đồng bộ chủ-tớ.
Trong phạm vi luận án xin giới thiệu kiểu kiến trúc 03 lớp mẫu phù hợp với đối tượng của
luận án như trên hình 2.1.