Hệ thống điều khiển chuyển động robot bền vững với mô men nhiễu cản

HOÀNG QUỐC XUYÊN

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

HOÀNG QUỐC XUYÊN

ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT BỀN VỮNG
VỚI MÔ MEN NHIỄU CẢN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

KHOÁ 2009

HÀ NỘI -2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HOÀNG QUỐC XUYÊN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT BỀN VỮNG VỚI
MÔ MEN NHIỄU CẢN

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN MẠNH TIẾN

Hà Nội – 2011


Luận Văn Tốt Nghiệp

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện toàn bộ nội dung nghiên cứu trong bản
luận văn này không có sự gian lận hay sao chép. Các nội dung nghiên cứu đảm bảo
đúng theo yêu cầu đặt ra trong bản đề cương luận văn thạc sỹ khoa học đã đăng ký.
Hà nội, ngày 25 tháng 09 năm 2011
Người cam đoan

Hoàng Quốc Xuyên

1


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...................................................................... 3 
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 3 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 4 
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 6 

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP .......................................... 9 
1. 1 Khái quát chung về Robot Công Nghiệp.................................................................. 9 
1. 2 Một số phương pháp điều khiển điển hình .............................................................16 
1.3 Kết luận chương 1 ...................................................................................................25 
CHƯƠNG 2 – HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘC LẬP CÁC KHỚP ...........................27 
2. 1 Tổng quan về cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển động cho robot ......................27 
2. 2 Mô hình tổng quát hệ truyền động cho một khớp độc lập của robot. ...................28 
2. 3 Hệ thống điều khiển độc lập các khớp robot ..........................................................32 
2. 4 Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho hệ thống điều khiển một khớp độc lập ...............34 
2.5 Kết luận chương 2 ..................................................................................................40 
CHƯƠNG 3 – THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG VÀ BÙ MÔMEN NHIỄU CẢN .......41 
3. 1 Thuật toán nhận dạng mômen nhiễu cản. ..............................................................41 
3. 2 Hệ thống điều khiển khớp độc lập với khâu nhận dạng và bù mômen nhiễu cản. 45 
3.3 Kết luận chương 3 ..................................................................................................49 
CHƯƠNG 4- XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT
SCARA ..........................................................................................................................50 
4. 1 Mô hình toán học Robot SCARA...........................................................................50 
4. 2 Xây dựng hệ thống điều khiển độc lập cho 2 khớp robot SCARA ........................74 
4. 3 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................79 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................89 
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................90 
PHỤ LỤC ......................................................................................................................92 

2


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

NỘI DUNG

DCB

Disturbance Calculating Block

DOB

Disturbance Observer

LSPB

Linear Segment with Parabolic Blends

PD

Proportional-Derivative Controller

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1 - Tham số Denavit – Hartenberg của Robot SCARA ....................................52 
Bảng 4.2 - Ký hiệu các tham số động lực học của Robot Scara Serpent ......................61 
Bảng 4.3 - Tham số cơ khí của robot ............................................................................80 
Bảng 4.4 - Tham số của động cơ truyền động khớp robot ............................................80 

3


Luận Văn Tốt Nghiệp

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1- Hình dạng điển hình của Robot Công nghiệp ...............................................12 
Hình 1.2 - Các dạng khớp của Robot ............................................................................13 
Hình 1.3 - Robot kiểu tọa độ Đề các (TTT) ..................................................................14 
Hình 1.4 - Robot kiểu tọa độ trụ (RTT).........................................................................14 
Hình 1.5 - Robot kiểu tọa độ Cầu (RRR) và (RRT) ......................................................15 
Hình 1.6 - Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc .............................................................15 
Hình 1.7 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển momen tính toán ..................................17 
Hình 1.8 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển PD bù trọng trường..............................20 
Hình 1.9 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Thích nghi tự chỉnh ...................................24 
Hình 1.10 – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Thích nghi theo mô hình mẫu ................25 
Hình 2.1 - Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động khớp độc lập ................................................32 
Hình 2.2 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cho một khớp độc lập ..........................33 
Hình 2.3 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện ...........................................................34 
Hình 2.4 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện thu gọn ..............................................35 
Hình 2.5 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ .................................................................36 
Hình 2.6 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ thu gọn ....................................................37 
Hình 2.7 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí ...................................................................38 
Hình 2.8 - Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí thu gọn ......................................................39 
Hình 3.1 - Sơ đồ ước lượng mô men nhiễu cản ............................................................43 
Hình 3.2 - Sơ đồ ước lượng mô men nhiễu cản có khâu lọc thông thấp .......................43 
Hình 3.3 - Sơ đồ ước lượng mô men nhiễu cản tương đương .......................................44 
Hình 3.4 - Sơ đồ điều khiển khớp robot độc lập với khâu nhận dạng và bù mômen
nhiễu cản ........................................................................................................................45 
Hình 3.5 - Cấu trúc điều khiển bù theo mômen nhiễu cản ............................................46 
Hình 4.1 - Hình ảnh Robot Scara Serpent .....................................................................50 
Hình 4.2- Cách đặt hệ trục tọa độ cho các khớp của Robot SCARA ............................51 
Hình 4.3 - Hình chiếu của Robot SCARA xuống mặt phẳng xOy................................60 
Hình 4.4 - Sơ đồ điều khiển độc lập cho hai khớp robot ...............................................79 

4


Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 4.5 – Sai lệch vị trí khớp 1 khi lượng đặt là hàm STEP và tải là định mức .........81 
Hình 4.6 – Sai lệch vị trí khớp 2 khi lượng đặt là hàm STEP và tải là định mức .........81 
Hình 4.7 – Sai lệch vị trí khớp 1 khi lượng đặt là hàm STEP và tải là 2 lần tải định
mức ................................................................................................................................82 
Hình 4.8 – Sai lệch vị trí khớp 2 khi lượng đặt là hàm STEP và tải là 2 lần tải định
mức ................................................................................................................................83 
Hình 4.9 – Sai lệch vị trí khớp 1 khi lượng đặt là quỹ đạo LSPB, tải là định mức ....... 85 
Hình 4.10 - Sai lệch vị trí khớp 2 khi lượng đặt là quỹ đạo LSPB, tải là định mức .....85 
Hình 4.11 - Sai lệch vị trí khớp 1 khi lượng đặt là quỹ đạo LSPB và tải là 2 lần tải định
mức ................................................................................................................................86 
Hình 4.12 - Sai lệch vị trí khớp 2 khi lượng đặt là quỹ đạo LSPB và tải là 2 lần tải định
mức ................................................................................................................................87 

5


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU

MỞ ĐẦU
Ngày nay mục tiêu tăng năng suất lao động thông qua tự động hóa toàn bộ quá trình
sản xuất trở thành chiến lược quan trọng nhất của mọi ngành kinh tế. Trong dây chuyền
sản xuất với mức độ tự động hóa cao, robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng
trong việc giảm cường độ lao động cho người lao động, tăng năng suất và độ chính xác

gia công, tăng chất lượng và số lượng sản phẩm, góp phần vào làm giảm giá thành sản
phẩm.
Theo định nghĩa của viện Robot Mỹ thì Robot là một cấu trúc cơ khí đa năng, có thể
lập trình được, được thiết kế để di chuyển các vật, các bộ phận, các công cụ hoặc các
thiết bị đặc biệt thông qua các chuyển động khác nhau đã được lập trình để thực hiện các
nhiệm vụ khác nhau.
Robot đã trở thành một trong những công cụ không thể thiếu trong các nhà máy, xí
nghiệp có mức độ tự động hoá cao. Robot đảm nhận các công việc khó khăn như: làm
việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm, các môi trường có độ phóng xạ hoặc nhiệt
độ cao. Với các nhà máy cơ khí robot thực hiện các chức năng như nạp phôi cho máy
công cụ, sơn, hàn. Ngoài ra Robot còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học như:
y tế, sinh học, địa chất ... và trong đời sống như: bán hàng, trông coi...
Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí như thân bệ, các
cánh tay, các khớp..v.v, muốn các cơ cấu cơ khí thực hiện các nhiệm vụ theo yêu cầu
công nghệ thì trong Robot phải có hệ thống điều khiển.
Hệ thống chuyển động robot là một hệ thống có tính phi tuyến mạnh và ràng buộc
cao, các tham số động lực học như mô men quán tính, khối lượng tải thường biến đổi
và không được xác định chính xác. Với các bộ điều khiển kinh điển khó đảm bảo độ
chính xác chuyển động cao. Ở các robot có tỉ số truyền bộ truyền rất lớn, ảnh hưởng
ràng buộc giữa các khớp và tính phi tuyến của hệ thống chuyển động rất nhỏ. Điều đó
cho phép tách độc lập các khớp robot. Thành phần mô men phi tuyến ràng buộc của hệ
thống chuyển động có thể coi là tín hiệu nhiễu đối với mỗi khớp. Hệ thống điều khiển
sẽ đơn giản và dễ thực hiện trong thực tế do các bộ điều khiển chuyển động của khớp
có thể được thiết kế độc lập, không phụ thuộc vào tham số các khớp lân cận.
6


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU

Tuy nhiên, với các robot thực tế, tỉ số truyền của bộ truyền có giá trị hữu hạn.
Trong trường hợp này, sự ràng buộc giữa các khớp và tính phi tuyến của cơ cấu
chuyển động sẽ đáng kể. Thành phần mô men nhiễu cản biểu thị sự ràng buộc và phi
tuyến của robot thay đổi và khó xác định chính xác sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác
chuyển động của các khớp.
Việc giải quyết vấn đề nêu trên chính là nội dung yêu cầu của Luận văn với tiêu đề:
Hệ thống điều khiển chuyển động robot bền vững với mô men nhiễu cản
Nội dung chính của Luận văn là nghiên cứu một phương pháp ước lượng mô men
nhiễu cản của mỗi khớp và xây dựng một hệ thống điều khiển tuyến tính độc lập với
khâu bù mô men nhiễu cản nhằm khử sự ràng buộc giữa các khớp. Phương pháp điều
khiển đề xuất sẽ được áp dụng cho hai khớp đầu của robot SCARA.
Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương
được tóm tắt như sau:
Chương 1 - Tổng quan về robot công nghiệp: Giới thiệu một cách tổng quan về
lịch sử phát triển, các định nghĩa và khái niệm về robot công nghiệp. Nghiên cứu và
phân tích các ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot.
Chương 2 - Hệ thống điều khiển độc lập các khớp: Xây dựng mô hình động lực
học tổng quát cho các khớp độc lập. Thiết lập sơ đồ điều khiển độc lập cho một khớp
với các mạch vòng điều chỉnh dòng điện, mạch vòng điều chỉnh tốc độ động cơ và
mạch vòng điều chỉnh vị trí khớp. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh.
Chương 3 - Thuật toán nhận dạng và bù mômen nhiễu cản: Xây dựng thuật
toán nhận dạng mômen nhiễu cản, Xây dựng hệ thống điều khiển phân ly khớp với
khâu nhận dạng và bù mômen nhiễu cản của động cơ truyền động khớp.
Chương 4 - Xây dựng cấu hình hệ thống điều khiển cho Robot SCARA: Nghiên
cứu cụ thể về mô hình Robot SCARA, Tính toán mô hình động học vị trí, xây dựng
các phương trình động lực học, xây dựng hệ thống điều khiển độc lập cho 2 khớp đầu
tiên của robot SCARA. Mô phỏng hệ thống điều khiển phân ly khớp với khâu nhận
dạng và bù mômen nhiễu cản.

7


Luận Văn Tốt Nghiệp

MỞ ĐẦU

Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu để hoàn thành nội dung yêu cầu đặt ra,
xong vì thời gian và trình độ của bản thân có hạn nên bản luận văn này không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Vì vậy tác giả mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý tận tình của
các thầy cô giáo trong hội đồng bảo vệ và phản biện để luận văn sẽ được hoàn thiện
hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận văn này.

8


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1. 1 Khái quát chung về Robot Công Nghiệp
1. 1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của Robot Công Nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc
tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1920.
Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần
giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà
sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con
người.

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công
cụ điều khiển số (Numerical controlled machine tool).
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu
cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất
là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình
của máy công cụ điều khiển số.
Những năm 1950, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình
số với nền tảng là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán
(computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều
khiển xa được hình thành và triển khai nghiên cứu. Sự phối hợp tuyệt vời giữa khả
năng linh hoạt khéo léo của Teleoperators với độ thông minh nhạy bén của hệ điều
khiển NC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động cấp cao ra đời với tên gọi
là người máy hay “Robot”.
Năm 1961 người máy công nghiệp (Industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị
trường (Robot UNIMAT-USA) với lời quảng cáo hấp dẫn: “ Từ nay công nghệ chế tạo
cơ khí Hoa Kỳ đã có thêm một loại công nhân mới. Nó không ra nhập công đoàn,
không uống cà phê trong giờ nghỉ, không than phiền về điều kiện làm việc nóng bức,
khó chịu, nguy hiểm và độc hại. Nó nắm vững công việc phải làm trong vài phút và

9


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

luôn hoàn thành tốt nhiệm vụ. Nó có thể làm việc 24 giờ trong ngày mà không quan
tâm đến tiền thưởng hay lương hưu. Nó là người máy công nghiệp”.
Tiếp sau đó, trên bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nước Anh ( 1967),

Thụy Điển, Nhật Bản (1968), Đức (1971), Pháp (1972), Italia(1973) lần lượt đưa ra
các mẫu robot công nghiệp của họ. Cho đến năm 1980, thế giới công nghiệp có trên
200 công ty với khoảng 300 mẫu hình Robot công nghiệp (IR) và trong sản xuất thực
tế cho đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai ứng dụng khoảng 300.000 IR, với giá
trung bình từ 10.000 đến 250.000 USD/ 1IR.
1. 1.2 Định nghĩa và các khái niệm về Robot Công Nghiệp
a. Các định nghĩa Robot Công Nghiệp
Trong các tài liệu hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể kể đến một số
định nghĩa tiêu biểu như sau:
Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa robot như sau:
“Đó là một loại máy móc được điều khiển tự động, được lập trình sẵn, sử dụng vào
nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định
hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động.”
Định nghĩa theo Viện nghiên cứu Robot Hoa Kỳ RIA (Robot Institute of America):
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di
chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương
trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng định
vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp... theo những
hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác
nhau.
Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga):
Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên
kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại

10

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc
toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng
thích nghi khác nhau.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển
động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị những bàn
tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá
trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun
phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy...) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ
(tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá...) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển
và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh
hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và
thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
b. Khái niệm về bậc tự do của Robot Công Nghiệp
Bậc tự do của Robot là số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vật thể ở
tay Robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong
không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ xác định vị trí của đối tượng trong không gian và 3
tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Như vậy một robot công nghiệp điển hình có số
bậc tự do là 6. Số bậc tự do của robot công nghiệp sẽ tương ứng với số khớp hoặc số
thanh nối của robot.
Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6, không gian chuyển động tay robot sẽ bị hạn chế. Với
một robot có 3 bậc tự do, tay robot chỉ có thể chuyển động dọc theo các trục x,y,z và
hướng tay không xác định. Ngược lại số bậc tự do lớn hơn 6 sẽ có nhiều lời giải biểu
diễn vị trí và hướng của robot trong không gian và sẽ có nhiều phương án để điều
khiển chuyển động.
Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn.

Các robot hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự
khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo... người ta dùng robot với số
bậc tự do lớn hơn 6.

11


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Hình 1.1- Hình dạng điển hình của Robot Công nghiệp
c. Khái niệm về khớp của Robot Công Nghiệp
Khớp (joint) là khâu liên kết hai thanh nối (link) có chức năng truyền chuyển động
để thực hiện di chuyển của robot. Thanh nối gần với thân robot là thanh nối vào, thanh
nối ra sẽ chuyển động so với thanh nối vào.
Khớp robot gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay như minh họa tại hình dưới
đây. Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt thanh nối đầu ra. Các
dạng cơ cấu khớp tịnh tiến là cơ cấu xilanh-piston, cơ cấu kính viễn vọng…Khớp quay
có ba dạng: R,T,V. Khớp quay dạng R có trục quay vuông góc với trục hai thanh nối.
Khớp quay dạng T có trục xoay cùng với trục hai thanh nối. Dạng khớp quay V có trục
xoay trùng với trục thanh nối vào và vuông góc với trục của thanh nối ra.
Hình 1.2 a – Khớp tịnh tiến
Hình 1.2 b – Khớp quay dạng R
Hình 1.2 c – Khớp quay dạng T
Hình 1.2 d – Khớp quay dạng V

12

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Link i

Link i

Link i+1

a)

Link i+1

b)
Link i+1
Link i
link i+1

Link i

c)

d)
Hình 1.2 - Các dạng khớp của Robot

d. Các kết cấu tay máy của robot
Tay máy là một thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot.
Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người;
tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình

dáng rất khác xa với cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần
quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng
làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo
léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp...
Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản là:
• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Đề các, thông thường
tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P
(Prismatic).
• Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation).
Tuỳ thuộc vào số thanh nối và sự tổ hợp các chuyển động quay (R) và tịnh tiến (T)
mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu
thường gặp của là robot là robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, hệ tọa độ
góc.
Robot kiểu tọa độ Đề các:
Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ
gốc (cấu hình T.T.T) như trên hình 1.3. Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do

13


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm
bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng...

Hình 1.3 - Robot kiểu tọa độ Đề các (TTT)

Robot kiểu tọa độ trụ:

Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất
chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như trên hình 1.4.

Hình 1.4 - Robot kiểu tọa độ trụ (RTT)
Robot kiểu tọa độ cầu:
Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Thường độ cứng vững của loại robot
này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T
làm việc theo kiểu tọa độ cầu như trên hình 1.5

14


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Hình 1.5 - Robot kiểu tọa độ Cầu (RRR) và (RRT)
Robot kiểu tọa độ góc:
Đây là kiểu robot được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển
động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định
hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống
một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính
toán cơ bản là bài toán phẳng. Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ
tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản
thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak
(Nhật Bản) .v.v... Ví dụ một robot hoạt động theo hệ tọa độ góc, có cấu hình
RRR.RRR như trên hình 1.6

Hình 1.6 - Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc

15


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1. 2 Một số phương pháp điều khiển điển hình
1.2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển robot
Với các đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành
hai loại: đó là điều khiển quỹ đạo và điều khiển lực. Trước khi robot có thể thực hiện
một công việc nào đó chúng ta phải lập trình điều khiển đưa tay máy đến một vị trí xác
định đó là điều khiển quỹ đạo. Trong điều khiển quỹ đạo tay máy phải dịch chuyển
bám theo một quỹ đạo định trước, quỹ đạo chuyển động biểu thị sự di chuyển của cơ
cấu robot theo thời gian trong đoạn đường di chuyển. Bài toán thứ hai liên quan đến
quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp robot
lắp ráp một chi tiết vào một thiết bị máy. Như vậy quá trình làm việc này yêu cầu điều
khiển cả vị trí robot và lực robot sinh ra.
Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu về các phương pháp điều khiển
khiển robot trong đó có thể kể đến các phương pháp điều khiển quỹ đạo chuyển động
cho robot như là: Điều khiển mômen tính toán, phương pháp điều khiển PD bù trọng
trường, phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi, điều khiển trượt. Sau
đây ta sẽ đi tìm hiểu tổng quan về các nguyên lý điều khiển để thấy được các ưu nhược
điểm của nó.
1.2.2 Phương pháp điều khiển mômen tính toán
Phương pháp điều khiển mômen tính toán còn có tên là phương pháp điều khiển
động lực học, phương pháp điều khiển theo mô hình, cũng có thể được gọi là điều
khiển phản hồi tuyến tính hóa. Nguyên lý cơ bản của phương pháp điều khiển là lựa
luật điều khiển sao cho khử được các thành phần phi tuyến của phương trình động lực

học robot và phân ly đặc tính động lực học cho các thanh nối. Dựa trên phương trình
động lực học giả thiết tất cả các thông số đã biết hoặc được xác định chính xác,
phương trình mô tả bộ điều khiển được chọn như sau:
&
M dk =H(q)U+V(q,q)+G(q)

(1-1)

Cân bằng với phương trình động lực học
&
&&
M=H(q)q+V(q,q)+G(q)

(1-2)

16


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Ta nhận được phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 mô tả động học của hệ thống
như sau:
&&
q= U

(1-3)

(1-3) là hệ phương trình vi phân độc lập tuyến tính cấp 2 độc lập với các khớp. Do

đó ta có thể thiết kế các bộ điều khiển độc lập có cấu trúc PD hoặc PID cho từng khớp
Với luật điều khiển phụ

có cấu trúc PID như sau:
t

U= &&
qd + K P ε + K D ε& + K I ∫ ε(t)dτ

(1-4)

0

Như ta thấy là mô men điều khiển trong công thức (1-1) được tính qua các hàm
giá trị các phần tử này chỉ được tính đúng khi có đầy đủ các
tham số như khối lượng, mô men quán tính của các thanh nối. Tuy nhiên các thông số
động học của robot thay đổi trong quá trình làm việc, để khử hoàn toàn các thành phần
phi tuyến và phân ly được hoàn toàn động lực học của các khớp ta cần phải ước lượng
chính xác các thông số của robot trong quá trình làm việc. Nếu giá trị các tham số sử
dụng trong tính toán bộ điều khiển khác với giá tri thực của các tham số của robot, tính
phi tuyến và sự ràng buộc của hệ thống động lực học không được khử hoàn toàn, độ
chính xác điều khiển sẽ giảm. Đây cũng là nhược điểm của bộ điều khiển theo của
phương pháp điều khiển mômen tính toán.

KI
p

 

KP

 
Tính
&
H(q)U+V(q,q)+G(q)

RB

KD

Hình 1.7 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển momen tính toán

17


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.2.3 Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường
Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng

&& + C(q,q)q
& & + G(q)
M = H(q)q

(1-5)

Bài toán đặt ra là xác định cấu trúc bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định tuyệt
đối xung quanh điểm cân bằng (q=qd), không phụ thuộc vào khối lượng của các thanh

nối và tải. Luật điều khiển được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Liapunov trực tiếp.
Đặt biến trạng thái của hệ thống là
[

] Với vectơ sai số vị trí của khớp robot là

ε = qd − q
q& là vectơ tốc độ khớp robot

Ta chọn hàm Liapunov có dạng:

V=

1 &T
& + (ε T K ε ) ⎤ > 0
⎡⎣ (q H(q)q)
P
⎦
2

Với

(1-6)

, Trong đó Kp là ma trận đối xứng dương, Thành phần thứ nhất của

(1-6) đặc trưng cho động năng của hệ thống và thành phần thứ 2 của (1-6) biểu thị thế
năng tích lũy trong hệ thống có độ cứng là Kp. Đạo hàm hàm Liapunov đã chọn trong
(1-6) ta được:

1 &
& = 1 &&
& + 1 q& T H(q)q
&& + 1 ε& T K ε + 1 ε T K ε&
V
q T H(q)q& + q& T H(q)q
P
P
2
2
2
2
2

(1-7)

Do qd là hằng số ta có
Ma trận H( ) là ma trận đối xứng dương do đó ta có AT .H.B = BT .H.A hay

&&
&&
q T H(q)q& = q& T H(q)q

(1-8)

Sử dụng các điều kiện trên và công thức dạng (1-8) ta có thể đưa rút gọn (1-7)
thành

& = 1 q& T H(q)q
&

& + q& T H(q)q
&& - q& T K ε
V
P
2
Từ phương trình động lực học (1-5) ta rút ra thành phần mô men quán tính là:
18

(1-9)


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

&& = M- C(q,q)q
& & - G(q)
H(q)q

(1-10)

Thay (1-10) vào (1-9) và thêm bớt thành phần

q& T K D q& Với KD là ma trận hệ số dương đối xứng ta được:
& = 1 q& T H(q)q
&
& + q& T ⎡ M- C(q,q)q
& & - G(q) ⎤ - q& T K ε + q& T K q& - q& T K q&
V
P

D
D
⎣
⎦
2
& = 1 q& T ⎡ H(q)-2C(q,q)
&
& ⎤ q& + q& T ⎡ M - G(q) - K ε + K q& ⎤ - q& T K q&
V
P
D ⎦
D
⎣
⎣
⎦
2
Theo thuộc tính của phương trình động lực học ta có

&
& =0
H(q)
- 2C(q,q)

(1-11)
(1-12)

(1-13)

Nếu ta chọn Mômen điều khiển

M = G(q) + K P ε - K D q& và áp dụng công thức (1-13) ta sẽ được:
& = - q& T K q& < 0
V
D

(1-14)

có nghĩa là:
1
⎧
T
& + (ε T K ε ) ⎤ > 0
⎪ V = ⎡⎣ (q& H(q)q)
P
⎦
2
⎨
⎪V
&
&T &
⎩ = - q KDq < 0

(1-15)

Như vậy nếu ta chọn luật điều khiển bù trọng trường có dạng:

M dk = G(q) + K P ε - K D q&

(1-16)

Thì hệ thống điều khiển rôbốt sẽ ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn ổn định của
Lyapunov, vị trí q sẽ tiến đến vị trí qd trong khoảng thời gian t đủ lớn, hay sai lệch vị
trí khớp sẽ tiến tới không. Ta nhận thấy rằng bộ điều khiển có thành phần thứ nhất là
G( ) để bù trọng lực của robot. Thành phần thứ hai phụ thuộc vào sai lệch vị trí (theo
tỷ lệ KP ) và sai lệch tốc độ của robot (theo hệ số KD ) mà không phụ thuộc vào mô
hình robot.
Nhược điểm của bộ điều khiển PD bù trọng trường là luật điều khiển này không
thông minh linh hoạt. Thể hiện khi tay kẹp của robot gắp những tải có khối lượng khác
nhau dẫn tới giá trị G( ) thay đổi không biết trước, như vậy sẽ gây ra sai số cho bộ
điều khiển và dẫn tới sai lệch vị trí điều khiển.

19


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

 

M dk

Tính
= G(q) + K P ε - K D q&

RB

Hình 1.8 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển PD bù trọng trường
1.2.4 Phương pháp điều khiển Bền Vững
Điều khiển bền vững (Robust Control) là một phương pháp phân tích và tổng hợp

các bộ điều khiển sao cho tính ổn định và chất lượng của hệ thống sẽ bền vững với các
sai lệch cho phép giữa mô hình và đối tượng thật. Ngoài ra bộ điều khiển bền vững sẽ
làm cho hệ thống ổn định bền vững với các ảnh hưởng của nhiễu tác động vào hệ. Như
vậy một bộ điều khiển bền vững sẽ không những thỏa mãn các yêu cầu cho riêng một
mô hình đối tượng mà nó còn thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng điều khiển cho một
lớp các mô hình đối tượng.
Phương trình động lực học tổng quát của robot có dạng

&& + N(q,q)
&
M = H(q)q

(1-17)

Trong đó:
là vectơ mô men khớp (n x 1)
là vectơ vị trí khớp (n x 1)
là ma trận hệ số quán tính hiệu quả (n x n)
là ma trận mô men nhớt, hướng tâm và ma trận mômen trọng lực (n x 1)
Nếu ta định nghĩa véc tơ trạng thái của hệ thống là

X = ⎡⎣ q T , q& T ⎤⎦
(1-18)
Phương trình trạng thái động lực học của robot n thanh nối là sẽ có dạng:
& = AX + BU
X

(1-19)

20

Chương 1

⎛0
A= ⎜ n
⎝ 0n

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

In ⎞
⎟ ; B=
0n ⎠

⎛ 0n ⎞
⎜ ⎟
⎝ In ⎠

(1-20)

& + H(q) -1M
U = - H(q)-1 N(q,q)

(1-21)

Từ (1-17) ta thấy rằng robot là một hệ thống có tính phi tuyến và ràng buộc mạnh.
Mục đích thiết kế hệ thống điều khiển vị trí là chọn bộ điều khiển vị trí sao cho khử
các thành phần phi tuyến và ràng buộc của hệ thống, đưa hệ thống robot trở thành hệ
thống tuyến tính. Ngoài ra trong điều kiện làm việc thực tế của robot, các tham số
động lực học như khối lượng các thanh nối, mômen quán tính và hệ số ma sát trong cơ

cấu truyền lực của robot thông thường không được xác định chính xác hoặc thay đổi
trong quá trình làm việc. Sau đây ta đi xét một bộ điều khiển bền vững thiết kế dựa
trên mô hình động lực học đảo.
Giả thiết tất cả các tham số động học và động lực học của robot được xác định
chính xác thì bộ điều khiển sẽ được chọn theo phương trình sau:

&& - U ) + N(q,q)
&
M dk = H(q)(q
dk

(1-22)

Trong đó tín hiệu điều khiển phụ chọn dạng PD là

U dk = - K P ε - K D ε&

(1-23)

Phương trình động học sai số vị trí sẽ có dạng
⎛0
E& = ⎜ n
⎝ 0n

In ⎞
⎟E +
0n ⎠

⎛ 0n ⎞
⎜ ⎟ U dk

⎝ In ⎠

(1-24)

⎛ε⎞
Với E& = ⎜ & ⎟ là véc tơ sai số
⎝ε⎠
Do các tham số robot không được chính xác nên bộ điều khiển động lực học

ngược được viết dưới dạng
ˆ
ˆ
&& - U ) + N(q,q)
&
M dk = H(q)(q
(1-25)
dk
ˆ
ˆ & là các ma trận quán tính và ma trận phi tuyến chứa các
N(q,q)
Trong đó H(q),
tham số chứa các tham số biến đổi khác tham số thật của robot. Các sai lệch về quán
tính và sai lệch về thành phần phi tuyến đươc ký hiệu như sau:

ˆ -I
∆ = H -1H
n

(1-26)

21


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

ˆ
δ=N-N

(1-27)

Với luật điều khiển (1-25) phương trình trạng thái của sai lệch quỹ đạo chuyển động
có dạng
E& = AE + B(U dk + η)
η = ∆(U - &&
q) + H-1δ

(1-28)
(1-29)

dk

Từ các công thức (1-26), (1-27), (1-28), (1-29) ta thấy rằng khi

ˆ
ˆ & = N(q,q)
& Thì các ma trận ∆, δ và η= 0
H(q)
= H(q), N(q,q)

Vì bài toán điều khiển bám trở thành bài toán xét ổn định cho hệ thống sai lệch
trong phương trình (1-28) nên bộ điều khiển thiết kế dưới đây phải dựa trên giả thiết
rằng dù cho

là đại lượng chưa được xác định rõ nhưng giới hạn thay đổi của nó sẽ

được ước lượng trong trường hợp xấu nhất. Hay nói một cách khác là giới hạn sai lệch
lớn nhất của hàm

trong công thức (1-29) phải thỏa mãn các điều kiện vùng bao sau

đây:
1
1
≤ H -1 ≤ ,
µ2
µ1

µ1 ≠ 0, µ 2 ≠ 0

(1-26)

∆ ≤ a <1
δ <β 0 +β1 e +β 2 e

(1-27)
2

(1-28)

..

qd ≤ c

(1-29)

Trong đó µ1 , µ 2 , β 0 , β1 , β 2 phụ thuộc vào các kích thước những tham số thay đổi
Dựa theo phương trình trạng thái (1-28) ta sẽ chọn một bộ điều khiển trạng thái như
sau:
U = -KX = - [ K P K D ] X
(1-30)
Với luật điều khiển (1-30) phương trình trạng thái của sai lệch quỹ đạo chuyển
động có dạng
E& = (A-BK)E + Bη = A C X+ Bη

(1-31)
Mục đích đạt được của bộ điều khiển là lựa chọn được hệ số K để đảm bảo véc tơ

trạng thái sai lệch của hệ thống tiến về không. Bộ điều khiển bền vững được thiết kế
dựa theo tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov. Ta sẽ chọn một hàm Lyapunov V>0 và

22


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

thiết kế một hệ số khuyếch đại K sao cho hàm Lyapunov đơn điệu giảm dọc theo quỹ
đạo sai lệch (hay V& < 0 ), kết hợp với các điều kiện giới hạn sai lệch từ (1-26) đến (129) ta sẽ được bộ điều khiển với hệ số K như sau:

K D = 2aI và K P = 4aI

(1-32)

Với hệ số a được chọn thỏa mãn công thức sau:
a > 1+

1
1 ⎡
β1 +2(β 2β0 +β 2 (µ1 +µ 2 )c) 2 ⎤
⎢
⎥⎦
µ1 ⎣

(1-33)

Trong đó µ1 , µ 2 , β 0 , β1 , β 2 là các hệ số trong các công thức từ (1-26) đến (1-29).
Phương pháp điều khiển Bền Vững có ưu điểm là không cần phải biết chính xác
thông số của đối tượng. Tuy nhiên việc thực hiện các bộ điều khiển theo phương pháp
này chỉ áp dụng cho một lớp đối tượng nằm trong một giới hạn biên nhất định và có độ
chính xác điều chỉnh không cao.

1.2.5 Phương pháp điều khiển Thích Nghi
Các phương pháp điều khiển chuyển động đã trình bày ở các mục trên như phương
pháp điều khiển mômen tính toán, phương pháp điều khiển PD bù trọng trường được
áp dụng với một mô hình động lực học robot chính xác hay các tham số của robot phải
được biết chính xác. Tuy nhiên trong thực tế, một số tham số robot khó có thể đo
được, khó xác định chính xác, hoặc một số tham số biến đổi trong quá trình làm việc
như khối lượng tải mà tay robot gắp, mômen quán tính tải, các thành phần ma sát trong
các khớp robot. Những tham số không chính xác và luôn thay đổi này làm gây nên sự

sai lệch giữa đối tượng thật và mô hình toán học của nó và vì vậy dẫn đến sai lệch về
chất lượng điều khiển so với các chỉ tiêu thiết kế. Để khắc phục các khiếm khuyết của
các bộ điều khiển kinh điển người ta đã xây dựng nên các bộ điều khiển thích nghi. Bộ
điều khiển thích nghi đáp ứng được độ chính xác chuyển động khi mà tham số robot
không được biết chính xác hoặc biến đổi.
Hai phương pháp điều khiển thích nghi được ứng dụng trong điều khiển robot
công nghiệp là: phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu và phương pháp
điều khiển thích nghi tự chỉnh.

23