Điều khiển thích nghi cho robot NDOF trên cơ sở bộ quan sát

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Điều khiển thích nghi Robot
nDOF trên cơ sở bộ quan sát” do em tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với
thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu đƣợc ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào
khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2016
Ngƣời thực hiện

Khƣơng Đức Hạnh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................................1
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài: ..........................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu: .....................................................................................................1
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu: ..................................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu: .............................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................................2
6. Cấu trúc luận văn: ..........................................................................................................2
Chƣơng 1: TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT ..............................3
1.1. Tổng quan robot ..........................................................................................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển robot.....................................................................................3
1.1.2. Cấu tạo robot ......................................................................................................4
1.1.3. Cơ cấu cơ khí của robot ....................................................................................5
1.1.4. Các thông số đặc trƣng của hệ thống robot ....................................................8
1.1.5. Hệ thống truyền động robot .............................................................................9

1.1.6. Hệ thống điều khiển chuyển động ................................................................ 10
1.1.7. Cảm biến .......................................................................................................... 10
1.1.8. Ứng dụng robot công nghiệp ........................................................................ 10
1.2. Phƣơng pháp điều khiển robot ............................................................................... 12
1.2.1. Phƣơng pháp PD bù trọng trƣờng ................................................................ 15
1.2.2. Thuật toán PID ................................................................................................ 16
1.2.3. Phƣơng pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình ............................. 17
1.2.4. Phƣơng pháp điều khiển Li - Slotine ........................................................... 18
Chƣơng 2:BỘ ĐIỀU KHIỂN LI - SLOTINE THÍCH NGHI VÀ BỘ QUAN SÁT
THÍCH NGHI ........................................................................................................................ 22
2.1. Cơ sở lý thuyết hệ phi tuyến................................................................................... 22
2.1.1. Hệ phi tuyến .................................................................................................... 22
2.1.2. Điểm cân bằng và điểm dừng của hệ ........................................................... 24
2.1.3. Tính ổn định của điểm cân bằng................................................................... 24
2.1.4. Tiêu chuẩn Lyapunov .................................................................................... 25
2.2. Phƣơng pháp điều khiển thích nghi Li - Slotine .................................................. 30


2.3. Bộ quan sát trạng thái thích nghi ........................................................................... 32
2.3.1. Bộ quan sát trạng thái của Luenberger ........................................................ 32
2.3.2. Bộ quan sát thích nghi cho robot .................................................................. 33
Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN ROBOT PLANAR............................................................ 36
3.1. Cấu trúc và tham số robot ....................................................................................... 36
3.2. Bài toán động học thuận vị trí ................................................................................ 36
3.2.1. Tham số thanh nối khớp ................................................................................ 37
3.2.2. Phƣơng pháp thiết kế khung tọa độ .............................................................. 37
3.3. Bài toán động học ngƣợc vị trí ............................................................................... 39
3.4. Động lực học robot .................................................................................................. 40
3.5. Thiết kế quỹ đạo chuyển động ............................................................................... 43
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK................................................. 45

4.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển .................................................................................... 45
4.2. Sơ đồ các khối mô phỏng trong Matlab/simulink ............................................... 46
4.3.Kết quả mô phỏng cho robot Pelican ..................................................................... 48
4.3.1. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát thích nghi ............................................ 49
4.3.2. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển thích nghi Li-SIotine ............................ 52
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 57
PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 58


DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
BẢNG
Bảng 3.1: Thông số robot Pelican ....................................................................................... 36
Bảng 4.1: Tham số ƣớc lƣợng cho robot ............................................................................ 48
Bảng 4.2: Bảng tham số bộ điều khiển ............................................................................... 48
Bảng 4.3: Tham số bộ quan sát............................................................................................ 49
HÌNH VẼ
Hình 1.1. Bộ phận cấu thành Robot .......................................................................................5
Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay .................................................................................6
Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy.........................................................................................7
Hình 1.4: Dạng tay gắn vào thân ...........................................................................................8
Hình 1.5: Dạng hệ tọa độ cực .................................................................................................8
Hình 1.6: Dạng hình trụ .........................................................................................................8
Hình 1.7: Dạng SCARA ..........................................................................................................8
Hình 1.8: Robot sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp ........................................ 12
Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ................................................................................ 13
Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiển robot .................................................... 14
Hình 1.11: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển PD bù trọng trƣờng ...................... 16
Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PID ........................................................................................ 16
Hình 1.13: Sơ đồ nghiệm khi ∆ = 0 .................................................................................... 17

Hình 1.14 Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình ......................................................... 18
Hình 1.16. Sơ đồ luật điều khiển Li-Slotine ...................................................................... 20
Hình 2.1: Minh họa khái niệm ổn định và ổn định tiệm cận ........................................... 26
Hình 2.2: Tƣ tƣởng phƣơng pháp Lyapunov ..................................................................... 27
Hình 2.3: Tạo họ đƣờng cong kín chứa gốc tọa độ ........................................................... 27
Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển Li-slotine thích nghi .............................................................. 32
Hình 3.1: Robot Pelican ....................................................................................................... 36
Hình 3.2: Khung tọa độ cho robot Planar ........................................................................... 38
Hình 3.3: Tọa độ thanh nối robot ........................................................................................ 40
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển ................................................................................ 45
Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển chung ....................................................................................... 46
Hình 4.3 Khối điều khiển thích nghi Li-Slotine ................................................................ 46
Hình 4.4: Khối tính giá trị V, r ............................................................................................ 47


Hình 4.5: Khối robot Planar ................................................................................................. 47
Hình 4.6: Khối quan sát thích nghi ..................................................................................... 48
Hình 4.7: Khảo sát vị trí khớp 1 .......................................................................................... 49
Hình 4.8: Khảo sát vị trí khớp 1 với tín hiệu đặt hình sin ................................................ 49
Hình 4.9: Khảo sát vị trí khớp 2 .......................................................................................... 50
Hình 4.10: Khảo sát vị trí khớp 2 với tín hiệu đặt hình sin.............................................. 50
Hình 4.11: Khảo sát tốc độ khớp 1. .................................................................................... 51
Hình 4.12: Khảo sát tốc độ khớp 2...................................................................................... 51
Hình 4.13: Sai lệch quan sát tốc độ..................................................................................... 52
Hình 4.14: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số .......................................... 52
Hình 4.15: Khảo sát vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hàm hình sin ................................. 53
Hình 4.16: Sai lệch vị trí khớp 1 khi tín hiệu đặt là hằng số............................................ 53
Hình 4.17: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số ................................................... 54
Hình 4.18: Khảo sát khớp 2 khi tín hiệ u đặt là hàm hình sin .......................................... 54
Hình 4.19: Sai lệch vị trí khớp 2 khi tín hiệu đặt là hằng số............................................ 54

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất
lƣợng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phƣơng tiện tự động
hóa sản xuất. Xu hƣớng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh
hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu
cầu ứng dụng ngƣời máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các robot công nghiệp
cũng ngày càng phát triển và có ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp.
Sự phát triển của đất nƣớc và yêu cầu mở rộng, nâng cao chất lƣọng sản xuất
cũng thúc đẩy sự phát triển của robot công nghiệp và đƣa công nghiệp chế tạo
robot trở thành một ngành hứa hẹn trong tƣơng lai. Để đáp ứng điều đó đòi hỏi
phải trang bị cho Robot một bộ điều khiển thông minh, phức tạp. Chính vì thế
các thuật toán điều khiển robot đã và đang đƣợc đầu tƣ nghiên cứu, ứng dụng và
phát triển mạnh mẽ.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
- Nắm bắt đƣợc lý thuyết về các phƣơng pháp điều khiển Robot, lý thuyết
điều khiển thích nghi và xây dựng thuật toán.
- Ứng dụng thuật toán thích nghi và bộ quan sát trạng thái để áp chế tính
bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ đạo chuyển
động.
- Sử dụng đƣợc phần mềm MATLB SIMULINK làm công cụ xây dựng
mô hình mô phỏng kết quả.
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu:
- Robot 2 bậc tự do Planar.
- Bộ điều khiển thích nghi Li - Slotine và bộ quan sát thích nghi.
- Kết hợp bộ điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát thích nghi
để áp chế tính bất định mô hình động lực học Robot trong điều khiển bám quỹ

đạo chuyển động.

1


4. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển Robot, trong đó
nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển Li – Slotine.
- Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi Li – Slotine và bộ quan sát
thích nghi.
- Từ kết quả tính toán, sử dụng công cụ mô phỏng để trình bày kết quả
nghiên cứu đạt đƣợc.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài sẽ mang lại một hƣớng đi mới trong việc điều khiển robot công
nghiệp. Phƣơng pháp ứng dụng thuật toán điều khiển thích nghi giúp giải quyết
hiệu quả các vấn đề bất định của đối tƣợng nhƣ vị trí, tốc độ. Qua đó tạo ra một
công cụ điều khiển mạnh trong quá trình tự động hóa sản xuất.
6. Cấu trúc luận văn:
Cấu trúc luận văn gồm 4 chƣơng:
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan các vấn đề về Robot; về lịch sử phát triển
Robot công nghiệp; các khái niệm cơ bản của Robot công nghiệp.
Chƣơng 2: Trình bày về bộ điều khiển Li – Slotine thích nghi và bộ quan
sát thích nghi.
Chƣơng 3: Trình bày về mô hình toán học Robot Planar, bài toán động
học thuận và động học ngƣợc vị trí.
Chƣơng 4: Mô phỏng trên Matlab/Simulink.
Dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh luận
văn của em đã hoàn thiện. Do quá trình công tác và điều kiện đi lại nên luận văn
còn nhiều hạn chế. Em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2016
Ngƣời thực hiện

Khƣơng Đức Hạnh
2


Chƣơng 1
TỔNG QUAN PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.1. Tổng quan robot
1.1.1. Lịch sửphát triển robot

“Robot” đƣợc ra đời từ những mong ƣớc của con ngƣời là muốn có những
cỗ máy gần giống con ngƣời có thể làm những công việc thay thế con ngƣời.
Năm 1921 trong vở kịch Rosum’s Universal Robot của Karel Capek thì Rossum
và con trai đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống con ngƣời để phục vụ con
ngƣời. Có lẽ đây là những gợi ý đầu tiên cho các nhà sáng chế kĩ thuật về các cơ
cấu máy móc bắt chƣớc hoạt động của con ngƣời.
Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn
năng gọi là “ ngƣời máy công nghiệp” và ngày nay đƣợc đặt tên là Robot công
nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng nhƣ
tay ngƣời đƣợc điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng
đƣợc gọi là robot công nghiệp.
Về mặt kĩ thuật thì robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh
vực đó là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Các cơ
cấu điều khiển từ xa đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai
nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Còn các máy công cụ điều khiển số ra
đời vào những năm 1949 nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong
ngành chế tạo máy bay. Tiếp theo Mỹ, các nƣớc khác cũng bắt đầu sản xuất
robot công nghiệp: Anh -1967, Thụy Điển và Nhật – 1968, CHLB Đức – 1971,

Pháp – 1972, Ý- 1973, …
Tính năng làm việc của robot ngày càng đƣợc nâng cao, nhất là khả năng
nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trƣờng Đại học tổng hợp Standford của Mỹ đã
chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt – tay”, có khả năng nhận biết
và định hƣớng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.
3


Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đƣa ra loại robot đƣợc điều khiển bằng
máy tính có thể nâng đƣợc vật có khối lƣợng đến 40 kg. Có thể nói, Robot là sự
tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ
“tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chƣơng trình số
cũng nhƣ kĩ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển
trí khôn nhân tạo,…
Trong những gần đây, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng đƣợc phát triển. Các hoạt động đƣợc trang bị thêm các loại cảm biến khác
nhau để nhận biết môi trƣờng chung quanh cùng với những thành tựu to lớn
trong lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng
đặc biệt. Số lƣợng robot ngày càng gia tăng, chủng loại robot cũng không ngừng
đƣợc gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị
trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản
xuất tự động hóa.
Hiện nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR. Và theo ƣớc
tính chƣa đầy đủ của Liên đoàn Robot quốc tế (IRF), năm 2005 trên thế giới có
khoảng 800.000 robot đang đƣợc sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Trong đó
Nhật Bản là nƣớc sử dụng nhiều nhất chiếm khoảng 45,5%, EU khoảng 30,3%,
Bắc Mĩ khoảng 13,5% còn lại là các nƣớc khác.
1.1.2. Cấu tạo robot

Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot:

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để
tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn
thành thao tác trên đối tƣợng. Các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với
xe di động 2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dƣới 5, bàn kẹp 6.

4


Hình 1.1. Bộ phận cấu thành Robot
Hệ thống truyền động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận
chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin
đặt trƣớc hoặc nhận biết trong quá trình làm việc.
Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông
tin về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trƣờng,
đối tƣợng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
1.1.3. Cơ cấu cơ khí của robot

Cấu trúc cơ khí của robot bao gồm một chuỗi thanh nối đƣợc gắn với nhau
bởi các khớp. Mỗi khớp đƣợc truyền động tạo nên một chuyển động độc lập. Số
bậc tự do của robot phụ thuộc vào số chuyển động độc lập của nó và độ dịch
chuyển linh hoạt khi chuyển động sẽ tăng khi số bậc tự do tăng. Hai loại khớp
cơ bản trong hệ thống robot là khớp tịnh tiến và khớp quay.

5


Hình 1.2: Khớp tịnh tiến và khớp quay
Các khớp đƣợc truyền động nhờ động cơ chấp hành gắn trên trục của nó.
Chuyển động của khớp tạo nên chuyển động tƣơng đối giữa hai thanh nốii gắn

với nó, một gọi là thanh nối đầu vào, một gọi là thanh nối đầu ra. Từ các khớp
cơ bản trên ngƣời ta còn phân loại các khớp theo chuyển động tƣơng đối giữa
các liên kết với khớp thành năm loại khớp chính sau :
Khớp tuyến tính ( kí hiệu là khớp L ) : dạng khớp này tạo ra chuyển động
tƣơng đối giữa hai thanh nối là chuyển động trƣợt tuyến tính, trục của hai thanh
nối song song với nhau.
Khớp trực giao (O) : vẫn là chuyển động trƣọt nhƣng hai trục của thanh nối
đầu vào và đầu ra vuông góc với nhau.
Khớp quay (R ): dạng khớp này tạo ra chuyển động quay xung quanh trục
vuông với góc các trục của thanh nối đầu vào và đầu ra.
Khớp xoắn (T): vẫn là chuyển động quay nhƣng trục quay của khớp
songsong với trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra.
Khớp chữ V : với dạng khớp này, trục của hai thanh nối đầu vào và đầu ra
vuông góc với nhau, trục quay của khớp song song với trục của thanh nối đầu
vào.
Mỗi robot thƣờng có một đế gắn cố đinh đƣợc gọi là thanh nối 0. Một robot
n bậc tự do thông thƣờng có n khớp đánh số từ 1 đến n và n+1 thanh nối. Khớp i
6


nối giữa thanh nối i+1 và i . Thanh nối n đƣợc gọi là khâu tác động cuối, cấu tạo
của robot đƣợc chia làm hai phần chính : phần cánh tay và phần bàn tay. Phần
cánh tay thƣờng có 3 bậc tự do, phần bàn tay thƣờng có 2 đến 3 bậc tự do. Phần
cánh tay có nhiệm vụ định vị nhằm di chuyển khâu tác động cuối tới vị trí đặt
trong không gian. Phần bàn tay làm nhiệm vụ định hƣớng, dùng để xoay chuyển
hƣớng của khâu tác động cuối phù hợp với công nghệ yêu cầu, ví dụ nhƣ xoay
bàn kẹp theo hƣớng nắm bắt một vật nào đó, hoặc định hƣớng một súng hàn ...
Để xoay chuyển vật, phần bàn tay phải thực hiện đƣợc các động tác quay, lắc,
gật gù với 3 bậc tự do.

Hình 1.3 Cấu tạo một bàn tay máy
Với cấu tạo nhƣ vậy robot có thể đƣa đầu cuối bàn tay của nó đến nhiều
điểm trong không gian theo hƣớng mong muốn, tại đó sẽ thực hiện một công
việc nào đó. Tập hợp tất cả các điểm mà tay máy có thể chạm đến gọi là không
gian làm việc của robot.
Với năm loại khớp đã mô tả ở trên có 125 tổ hợp các khớp có thể sử dụng
để thiết kế phần cánh tay máy với ba bậc tự do. Một số tay máy điển hình trong
công nghiệp đƣợc minh họa trên hình (1.4÷ 1.7). Ngƣời ta kí hiệu dạng của
robot theo các chữ cái kí hiệu các khớp liên tiếp :
• Dạng hệ tọa độ cực (TRL)
• Dạng hình trụ TLO
• Dạng tay gắn vào thân TRR hoặc VVR
•

Dạng tọa độ vuông góc LOO hoặc VVR
7


• Dạng SCARA

Hình 1.4: Dạng tay gắn vào thân

Hình 1.6: Dạng hình trụ

Hình 1.5: Dạng hệ tọa độ cực

Hình 1.7: Dạng SCARA

1.1.4. Các thông số đặc trƣng của hệ thống robot
Hệ thống điều khiển robot cũng đƣợc đặc trƣng bởi các khái niệm về độ

phân giải, độ chính xác, độ lặp lại.
Độ phân giải đặc trƣng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn đƣợc
trên toàn bộ dải chuyển động của một khớp :
8


CR=(dải chuyển động)/2n

(1.1)

trong đó n là số bit để biểu diễn một số trong hệ thống điều khiển. Tuy nhiên đây
mới là độ phân giải cho một khớp robot. Đối với robot ngƣời ta đƣa ra khái niệm
về độ phân giải không gian. Khái niệm này kết hợp độ phân giải của hệ thống
điều khiển vớii sai số do hệ thống cơ khí gây ra trên các khớp và các mối liên
kết. Nói chung sai số cơ khí tuân theo phân bố xác suất chuẩn và ngƣời ta xác
định độ phân giải không gian, kí hiệu là SR, nhƣ sau :
SR = CR + 6

(1.2)

Độ chính xác đặc trƣng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của
tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó.
Độ chính xác = CR/2 + 3

(1.3)

Độ chính xác liên quan đến độ phân giải không gian đƣợc xác định là :
Độ chính xác = SR/2

(1.4)

Độ lặp lại đặc trƣng cho khả năng của robot đƣa đầu cuối bàn tay của nó
chạm vào một điểm theo chƣơng trình định sẵn. Mỗi lần robot định chạm vào
một điểm đãđƣợc lập trình trƣớc đó, nó sẽ chỉ chạm đƣợc vào gần đó do hệ
thống cơ khí có sai số. Do đó độ lặp lại của robot đƣợc xác định bằng :
Độ lặp lại =(+/-) 3

(1.5)

1.1.5. Hệ thống truyền động robot
Các khớp có thể đƣợc thực hiện các chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp
hành đƣợc truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau nhƣ truyền động điện,
thủy lực, khí nén. Các hệ thống truyền động điện cho khả năng về điều khiển
linh hoạt tốt hơn cả và dễ dàng phối hợp với máy tính trong hệ thống điều khiển.
Các hệ truyền động thủy lực có tốc độ cao hơn và công suất cũng lớn hơn. Các
hệ khí nén chỉ đƣợc dùng trong công suất nhỏ và cho các ứng dụng đơn giản nhƣ
cơ cấu vận chuyển, bàn kẹp.

9


1.1.6. Hệ thống điều khiển chuyển động
Chức năng của các bộ điều khiển trong hệ thống là đảm bảo cho robot
chuyển động theo đúng quỹ đạo mong muốn đƣợc đặt trƣớc. Bộ điều khiển có
thể đƣợc thiết kế từ các vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển logic khả trình
PLC hoặc máy tính. Dựa vào hệ thống có hay không sử dụng các tín hiệu phản
hồi thông báo thông tin về trạng thái hiện tại của robot, có thể phân chia các hệ
thống điều khiển thành hệ thống mạch kín và hệ thống mạch hở.
Hệ thống mạch kín gồm hai cảm biến đo vị trí góc và tốc độ góc. Bài toán
điều khiển trong không gian khớp đƣợc đề cập cho hệ thống này. Vị trí khớp và

tốc độ khớp đƣợc so sánh với các tín hiệu đặt tƣơng ứng. Các sai số này sẽ đƣợc
sử đụng để tổng hợp tín hiệu điều khiển theo thuật toán phù hợp.
Hệ thống mạch hở không có cảm biến gắn trên khớp, rõ ràng bộ điều khiển
không biết vị trí của tay máy trong quá trình chuyển động. Tuy nhiên trên mỗi
trục có gắn với một công tắc hành trình, khớp sẽ ngừng chuyển động khi nó
chạm phải công tắc này hoặc bộ truyền động động cơ ngắt tín hiệu điều khiển
sau một khoảng thời gian định trƣớc.
1.1.7. Cảm biến
Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại:
• Cảm biến ngoại tuyến tăng khả năng nhận thức cho robot về môi trƣờng

xung quanh.
• Cảm biến nội tuyến cung cấp các thông tin về đặc tính của bản thân robot.

Cảm biến nội tuyến đƣợc gắn trực tiếp trên trục động cơ hoặc khớp, thƣờng là
các encoder, chiết áp đo vị trí, tốc độ khớp.
1.1.8. Ứng dụng robot công nghiệp
Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng nhƣ trong đời sống
sinh hoạt của con ngƣời, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền
công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, năng cao chất lƣợng cũng nhƣ khả năng
cạnh tranh của sản phẩm tạo ra.
10


Robot có thể thay thế con ngƣời làm việc ổn định bằng các thao tác đơn
giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự
thay đổi của qui trình công nghệ.
Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết
kiệm nhân công ở những nƣớc mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao
nhƣ : Nhật Bản, các nƣớc Tây Âu, Hoa Kỳ...

Tất nhiên nguồn năng lƣợng từ robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu
tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mói thay thế đƣợc sức lao động
của con ngƣời. Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhƣng dễ nhầm lẫn,
nhàm chán.
Robot có khả năng nghe đƣợc siêu âm, cảm nhận đƣợc từ trƣờng
Bên cạnh đó, một ƣu điểm nổi bậc của robot là môi trƣờng làm việc. Chúng
có thể thay con ngƣời làm việc ở nhũng môi trƣờng độc hại, ẩm ƣớt, bụi bặm
hay nguy hiểm. Ở những nơi nhƣ các nhà máy hoá chất, các nhà máy phóng xạ,
trong lòng đại dƣơng, hay các hành tinh khác ... thì việc ứng dụng robot để cải
thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng.
• Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí:

Trong lĩnh vực cơ khí, robot đƣợc ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng
hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao. Các loại robot hàn là một ứng dụng
quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí...
Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng robot phục vụ cho các công nghệ đúc, một
môi trƣờng nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đòii hỏi độ tin cậy. Đặc biệt
trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vai trò rất quan trọng
trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau.
• Ứng dụng trong các lĩnh vực gia công lắp ráp:

Các thao tác này thƣờng đƣợc tự động hóa bởi các robot đƣợc gia công
chính xác và mức tin cậy cao.

11


Hình 1.8: Robot sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp
• Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất:

Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vực quân sự, y
tế, ...rất đƣợc quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, robot
đặc biệt là tay máy đƣợc dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca
phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao.
Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot đƣợc thiết kế
để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng đƣợc các ƣu điểm lớn của
chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc.
1.2. Phƣơng pháp điều khiển robot
Khi xét bài toán điều khiển tay máy cho một robot nào đó, trƣớc hết chúng
ta sẽ phải mô hình hóa tay máy đó là một cơ cấu - đối tƣợng đƣợc điều khiển,
trong đó các cảm biến đƣợc đặt tại các khớp để quan sát trạng thái của các khớp.
Chúng ta luôn muốn điều khiển các khớp của robot bám đúng quỹ đạo đƣợc
thiết kế. Do vậy chúng ta phải sử dụng các hệ điều khiển để tính toán các lệnh
phù hợp nhất cho các phần tử này sao cho chúng thục hiện đúng các quy luật
chuyển động mong muốn. Trong nhiều trƣờng hợp nhờ sử dụng tín hiệu phản
hồi, moment đầu ra thực tế sẽ đƣợc kiểm soát để tính toán moment mong muốn.

12


Quỹ đạo đặt

Thuật toán
ĐKchuyển động

M

Động lực học
Robot

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý điều khiển
Từ các giá trị đầu vào vị trí qd, vận tốc qd , gia tốc q , bộ điều khiển có
nhiệm vụ tính toán vector moment Mdk để điều khiển robot chuyển động theo
quỹ đạo mong muốn. Nhƣ vậy, tín hiệu phản hồi sẽ đƣợc sử dụng để tính toán
sai lệch giữa vị trí E và sai lệch vận tốc E .
E = qd – q
E

qd

q

Hệ điều khiển sẽ dựa vào các sai lệch trên để điều chỉnh tín hiệu mô men
sao cho các sai lệch E , E giảm dần về 0 khi thời gian t → ∞. Trên cơ sở đó, có
hai hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển trong không gian
khớp và hệ thống điều khiển trong không gian làm việc.
• Điều khiển trong không gian khớp

Đại lƣợng điều khiển là vị trí của khớp robot : góc quay đối với khớp quay;
độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến. Bộ điều khiển đƣợc thiết kế đảm
bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về
không với thời gian nhỏ nhất.
Vectơ khớp : q = [q1, q2,q3....qn]T
T

q = [ q 1, q 2,…., q n]

Giá trị đặt biến khớp :
qd =[q1d, q2d,...qnd]T
Yêu Cầu đặt ra là tìm M để q →q d khi t→∞.

13


• Điều khiển trong không gian làm việc

Tín hiệu đặt là vị trí bàn tay máy
Qũy đạo chuyển động của tay máy E là
X

x, y , z ,

x

,

y

T

,

z

Qũy đạo đặt của tay máy E là
Xd

xd , yd , zd ,

xd

,

yd

,

T
zd

Bài toán điều khiển chuyển động trong không gian Decac là tìm tín hiệu điều
khiển momen M sao cho X

Xd

khi t
Thuật toán điều
khiển chuyển
động

ĐK chuyển động trong

ĐK chuyển động trong
không gian khớp

Phƣơng

pháp PD
bù trọng
trƣờng

pháp
PID

không gian làm việc

ĐK phi
tuyến
trên cơ
sở mô
hình

Thuật
toán Lislotine
thích
nghi

ĐK ma
trận
Jacobi

ĐK ma
trận
Jacobi

vị

đảo

Hình 1.10: Sơ đồ khối các thuật toán điều khiển robot
Đề tài giới hạn điều khiển chuyển động trong không gian khớp khi chƣa

biết chính xác các thông số động lực học, một số biến điều khiển không đo
đƣợc. Từ đó tìm ra giải pháp để nghiên cứu, đánh giá, qua đó lựa chọn phƣơng
pháp điều khiển phù hợp.

14


1.2.1.Phƣơng pháp PD bù trọng trƣờng
Yêu cầu đặt ra là tổng hợp bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt
đối xung quanh điểm cân bằng (E= qd - q = 0). Xét tính ổn định của hệ thống
theo Lyapunov.
Phƣơng trình điều khiển:
M

(1.6)

K p E Kd E G(q)

Các thông số bộ điều khiển bao gồm
K p là ma trận đƣờng chéo xác định dƣơng
Kd

là ma trận đƣờng chéo xác định dƣơng

E

là sai số vị trí khớp robot E qd q

E

là sai số tốc độ khớp robot E = qd - q

Phƣơng trình động lực học kín :
1
H ( q ) S ( q, q ) q K P E
2

H (q)q

K Dq

(1.7)

Do qT S (q, q)q 0
1d T
q H (q )q E T K p E
2 dt

qT K D q

Rõ ràng V ( E , E ) là hàm xác định dƣơng
V (E, E )

0

Hàm V ( E , E ) chỉ bằng 0 khi đồng thời E , q đều bằng 0.
E

V ( E, E ) 0
q

0

qd

q 0

q 0

khi

t

Thay vào phƣơng trình (1.7) ta đƣợc:
KpE

0

E

qd

khi
q

0

t
khi

t

Điều đó có nghĩa là sai số vị trí hội tụ về 0 khi t tiến tới vô cùng

15

(1.8)


Sơ đồ điều khiển:

Hình 1.11: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển PD bù trọng trƣờng
Nhận xét về phƣơng pháp PD bù trọng trƣờng:
Ƣu điểm: Đơn giản về mặt toán học
Nhƣợc điểm: Thành phần G(q) trong luật điều khiển là thành phần trọng
trƣờng phụ thuộc vào khối lƣợng của các thanh nối hay khối lƣợng của khớp
nối, khối lƣợng của vật mà Robot gắp. Mà các thành phần này không xác định
đƣợc một cách chính xác, do đó luật điều khiển PD bù trọng trƣờng không đƣợc
sử dụng trong điều khiển Robot đòi hỏi độ chính xác cao.
1.2.2.Thuật toán PID
Moment điều khiển:
M

K p E Kd q K I Edt

K p = diag{k p1 , k p2 ,.. .k pn } là ma trận đƣờng chéo hệ số khuếch đại.
K d = diag{k d1 ,k d ,..,k dn} là ma trận đƣờng chéo hệ số đạo hàm.
Sơ đồ điều khiển :

Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PID

16

(1.9)


Nhƣợc điểm của phƣơng pháp PID là các thông số KI, Kd, Kp chỉ đƣợc xác
định bằng thực nghiệm nên rất khó đƣa ra đƣợc thông số chính xác.
1.2.3.Phƣơng pháp điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình
Moment điều khiển:
M = α.τ+β

(1.10)

Trong đó : α =H(q)
β = V(q, q ) + G(q)
qd

Kd E K p E

Kd, Kp là ma trận cấp n, đƣờng chéo dƣơng
E =qd- q là sai số giữa giá trị đặt và giá trị thực tế
Phƣơng trình động lực học kín:
(1.11)

H (q)(E Kd E K p E) 0

Chọn Kp , Kd sao cho

Kd2 4K p

0

Nghiệm của phƣơng trình vi phân:
e(t )

(C1 C2t )e

KD
t
2

C1, C2 phụ thuộc vào điều kiện ban đầu
Ta có sơ đồ nghiệm:

Hình 1.13: Sơ đồ nghiệm khi ∆ = 0
Nhƣ vậy khi ∆ =0 thì sai lệch e(t) →0, bộ điều khiển đạt trạng thái tốt nhất.

17


Sơ đồ điều khiển :

Hình 1.14 Điều khiển phi tuyến trên cơ sở mô hình
Ƣu điểm: Đảm bảo sai số bám quỹ đạo về 0 khi lựa chọn thông số bộ điều khiển
phù hợp.
Nhƣợc điểm:
- Khối lƣợng tính toán lớn
- Phải biết chính xác các thông số động lực học và động học của hệ thống
Robot.
1.2.4.Phƣơng pháp điều khiển Li - Slotine

Phƣơng trình động lực học Robot biểu diễn dƣới dạng
M

(1.12)

H ( q ) q C ( q, q ) q G ( q )

Moment điều khiển:

M

dk

H ( q ) v C ( q , q )v K d r G ( q )

(1.13)

Trong đó
v

qd

(qd

q) qd

E

r

v q

qd

q

q)

v
r

Kd,

qd

(qd

E

E

E

v q

là ma trận đƣờng chéo xác định dƣơng

Phƣơng trình động lực học hệ kín nhƣ sau:
H (q)(v q) C (q, q)(v q)
H ( q ) r C ( q, q ) r

(1.14)

Kd r

(1.15)

Kd r

18


Nhân cả hai vế của phƣơng trình (1.16) với r T ta có:
rT H (q)r C(q, q)r

(1.16)

Kd r

1
H ( q ) S ( q, q )
2

C ( q, q )

1 T
r H ( q ) r S ( q, q )
2

r T H (q)r

1d T
[r H (q)r ]
2 dt

rT Kd r

rT Kd r

(1.18)

Do H, Kdlà ma trận đối xứng dƣơng nên:

1 d T
[r H (q)r ] ≤ 0
2 dt

Thật vậy, chọn hàm Lyapunov
1 T
r H (q )r
2

V (r )

1 d
V
2 dt

rT Kd r

Rõ ràng
V (r ) 0 ;
V (r )

0

r

0

V ( r ) 0 ; V (r ) 0

E

qd

q

0

E

qd

q

0

khi

t

r

0

Do đó
r

0

khi

t

E

qd

q

0

E

qd

q

0

(1.17)

Vậy hệ thống sẽ ổn định xung quanh điểm cân bằng r = 0.
Sơ đồ điều khiển:

19


v

d

e

v

d

e

r

e

Kd r
dk

Robot

,

e
Y (q, q, v, v) pˆ

pˆ

yT r

Hình 1.16. Sơ đồ luật điều khiển Li-Slotine
Các phƣơng pháp điều khiển chuyển động đƣợc trình bày ở trênyêu cầubiết
đƣợc chính xác mô hình động lực học robot, các tham số của robot và phụ thuộc
vàogiá trị tính toán tham số bộ điều khiển. Tuy nhiên một số robot khó có thể
xác định đƣợc chính xác hoặc các tham số biến đổi trong quá trình làm việc nhƣ:
khối lƣợng tải robot gắp ở tay, moment quán tính tải, ma sát. Vì thế để xác định
đƣợc lƣợng moment truyền động cần thiết lên các khớp di chuyển theo quỹ đạo,
bền vững theo sự thay đổi tham số, có khả năng bù sự thay đổi của tải... thì cần
phải sử dụng bộ điều khiển có khả năng chỉnh định đƣợc các thông số động lực
học tay máy trong quá trình chuyển động.
Điều khiển thích nghi sẽ tạo ra đƣợc bộ điều khiển làm cho hệ thống có
chất lƣợng không đổi, đảm bảo độ chính xác chuyển động khi robot không đuợc
xác định chính xác hoặc biến đổi. Phƣơng pháp của bộ điều khiển thích nghi là
ƣớc lƣợng các tham số động lực học của robot rồi dựa vào luật thích nghi để
chỉnh định lại các tham số ƣớc lƣợng đảm bảo sai lệch E và E → 0 khi t→ ∞.
Ngoài ra, trong những phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển trƣớc ta thƣờng
giả thiết là vector trạng thái X là đo đƣợc để phản hồi ngƣợc về bộ điều khiển.
Nhƣng làm thế nào để thực hiện đƣợc việc phản hồi đƣợc những tín hiệu đó.
Thông thƣờng, việc xác định giá trị tín hiệu đơn giản nhất là đo trực tiếp nhờ các
thiết bị cảm biến (sensor) nhƣ cảm biến vị trí, tốc độ. Tuy nhiên đối với các
20