Nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng hệ thống điều khiển cánh tay robot

Lời cam đoan
Em xin cam đoan luận văn này là do em nghiên cứu, thiết kế dưới sự hướng dẫn
của TS Nguyễn Cảnh Quang. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung
thực.
Để hoàn thành bản đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được
ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không
được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.

Học Viên

Nguyễn Văn Hà

1


Lời cam đoan...........................................................................................................1
Mở đầu....................................................................................................................6
Chương 1.................................................................................................................8
TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT .............................................................8
1.1. Giới thiệu chung...........................................................................................8
1.1.1. Cấu tạo Robot........................................................................................9
1.1.2. Các chuyển động của Robot ................................................................ 10
1.1.3. Các cấu hình cơ bản của Robot............................................................ 10
1.1.4. Hệ thống truyền động ..........................................................................13
1.1.5. Hệ thống cảm biến...............................................................................14
1.1.6. Các phương pháp điều khiển tự động cho Robot..................................14
1.2 Phân loại Robot công nghiệp. ...................................................................... 15
1.3. Ứng dụng của Robot................................................................................... 17
1.3.1. Ưu điểm của Robot..............................................................................17
1.3.2. Các xu thế ứng dụng của Robot. ..........................................................17
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn ............................................ 18

Chương 2...............................................................................................................19
PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT.....................................................19
2.1. Xây dựng phương trình động lực học cho hệ Robot.................................... 19
2.1.1. Vận tốc và gia tốc của robot ................................................................ 21
2.1.2. Động năng của vi phân khối lượng dm ................................................24
2.1.3.Thế năng của Robot..............................................................................26
2.1.4. Phương trình động lực học của hệ robot ..............................................27
2.2 Các đặc tính của phương trình động lực học Robot...................................... 27
2.2.1. Tính đối xứng lệch và đặc tính thụ động..............................................28
2.2.2. Giới hạn trên của ma trận quán tính .....................................................29
2.2.3. Đặc tính tuyến tính của tham số...........................................................30
2.3. Phương trình động lực học cho Robot Scara. .............................................. 30
2.3.1 Giới thiệu về Robot Scara.....................................................................30
2.3.2. Phương trình động lực học cho Robot Scara ........................................38
Chương 3...............................................................................................................47
HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT....................................................................................47
3.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển Robot..................................................... 47

2


3.1.1. Giới thiệu về điều khiển hệ tuyến tính và hệ phi tuyến.........................47
3.1.2. Tính ổn định của hệ thống ...................................................................48
3.1.3. Ổn định Lyapunov...............................................................................50
3.2 Các phương pháp điều khiển cho hệ phi tuyến............................................. 52
3.2.1 Các phương pháp truyền thống............................................................. 52
3.2.2. Phương pháp điều khiển hiện đại.........................................................56
3.3. Hệ điều khiển Robot Scara ......................................................................... 58
3.3.1. Mô hình Robot SCARA ......................................................................58
3.3.2 Bộ điều khiển PD bù trọng lực[1] .........................................................59

3.3.3.Xây dựng bộ điều khiển PD bù trọng lực cho Robot SCARA ..............61
3.4. Kết luận...................................................................................................... 63
Chương 4...............................................................................................................64
MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB SIMULINK .........................................................64
4.1. Thông số của hệ thống................................................................................ 64
4.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink.................................................... 64
4.2.1. Xây dựng sơ đồ khối cấu trúc simulink................................................65
4.2.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink.............................................67
Kết luận và hướng phát triển..................................................................................79
1. Kết luận......................................................................................................... 79
2. Hướng phát triển ........................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO. ....................................................................................86

3


Danh mục hình vẽ đồ thị
Hình 1.1: Robot tọa độ vuông góc

10

Hình 1.2: Robot tọa độ trụ

11

Hình 1.3: Robot tọa độ cầu

12

Hình 2.1: Cánh tay robot scara

13

Hình 2.2: Cấu hình robot Scara

30

Hình 2.3: Bảng tham số động học của Robot Scara

33

Hình 2.4: Bảng các thông số của Robot Scara

38

Hình 2.5: Cấu hình robot Scara

39

Hình 3.1a: Điểm cân bằng ổn định

50

Hình 3.1b: Điểm cân bằng không ổn định

50

Hình 3.2: Minh họa khái niệm ổn định Lyapunov

52

Hình 3.3: Mô hình kiểu động cơ kích từ độc lập

54

Hình 3.4: Mô men trên các trục động cơ

55

Hình 3.5: Sơ đồ khối hàm truyền chuyển động một bậc tự do

56

Hình 3.6: Sơ đồ khối của một hệ thống mờ

58

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt

59

Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng lực

61

Hình 4.1: Bảng thông số vị trí ban đầu của cánh tay Robot Scara

64

Hình 4.2: Bảng thông số vị trí cần đạt tới của cánh tay Robot Scara

64

Hình 4.3: Sơ đồ khối mô phỏng Robot Scara ( 4 bậc tự do)

66

Hình 4.4: Đáp ứng thời gian của góc q1( 1 ) khi Kp=60; KD=8

67

Hình 4.5: Đáp ứng thời gian của góc q1( 1 ) khi Kp=100; KD=10

67

Hình 4.6: Đáp ứng thời gian của q 2(  2 ) khi Kp=8; KD=1.2

68

Hình 4.7: Đáp ứng thời gian góc q2(  2 ) khi Kp=20; KD=1.4

68

Hình 4.8: Đáp ứng thời gian của d3 khi Kp=200; KD=50

69

Hình 4.9: Đáp ứng thời gian của d3 khi Kp=300; KD=60

69

Hình 4.10: Đáp ứng thời gian góc q4 (  4 ) khi Kp=30; KD=2

70

4


Hình 4.11: Đáp ứng thời gian góc q1, q 2, q4 khi mt=1kg

70

Hình 4.12: Đáp ứng thời gian d3 khi mt=1kg

71

Hình 4.13: Đáp ứng thời gian d3 khi mt=6kg

71

Hình 4.14: Đáp ứng thời gian của góc q 1 khi mt=1kg

72

Hình 4.15: Đáp ứng thời gian của góc q 1 khi mt=1kg

72

Hình 4.16: Đáp ứng của d 3 khi không biết chính xác khối lượng với giá trị

73

đặt (với m=70%m*)
Hình 4.17: Sơ đồ khối mô phỏng Robot Scara (trường hợp không có bù

74

trọng lực)
Hình 4.18: Đáp ứng của d3 khi chưa có tải

75

Hình 4.19: Đáp ứng của d3 khi có tải (m=2kg)
Hình 4.20: Sơ đồ khối mô phỏng Robot Scara (với luật điều khiển PID)
Hình 4.21: Đáp ứng của d3

5

76


Mở đầu
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất
lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa
sản xuất. Xu hướng 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 người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như
trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di
chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được

lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận.
Việc điều khiển cánh tay Robot đòi hỏi tính chính xác cao, ổn định là rất
quan trọng, Giải quyết bài toán này trong thực tế có nhiều công trình nghiên cứu về
điều khiển như điều khiển PD bù trọng lực, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt,
logic mờ... dùng để điều khiển cánh tay Robot có tính chính xác và ổn định cao.
Phương pháp điều khiển PD bù trọng lực đã thỏa mãn được yêu cầu về đáp ứng tốc
độ nhanh, đảm bảo đạt được tốc độ đặt, hệ thống hoạt động khá ổn định khi biết
chính xác các thông số vật lý của hệ, đặc biệt là kết cấu bộ điều khiển đơn giản,
khối lượng tính toán ít.
Đó cũng chính là lý do tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng và mô
phỏng hệ thống điều khiển cánh tay Robot”
Luận văn này được chia thành 4 chương với những nội dung cơ bản được
tóm tắt như sau:
-

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các hệ thống Robot. Nội dung
chính của chương này là giới thiệu tổng quan cấu trúc, mô hình và
phương pháp điều khiển cũng như ứng dụng của Robot trong cuộc sống
của con người.

-

Chương 2: Xây dựng phương trình động lực học cho Robot SCARA.
Nội dung của chương này là tính toán, xây dựng các phương trình động
lực học của Robot SCARA.

6


-

Chương 3: Giới thiệu hệ điều khiển thường sử dụng để điều khiển
Robot. Nội dung của chương trình bày thiết kế bộ điều khiển theo
phương pháp PD bù trọng lực.

-

Chương 4: Mô phỏng cánh tay Robot Scara theo phương pháp PD bù
trọng lực trong môi trường Matlab-Simulink, qua đó rút ra nhận xét và
kết luận.

Kết luận và hướng phát triển:
Tóm tắt các kết quả đã đạt được, đồng thời phân tích mặt tồn tại và đề xuất
hướng phát triển của luận văn.
Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi những
khiếm khuyết cần phải hoàn thiện thêm. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý, chỉ
dẫn của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Cảnh Quang, Giảng viên Bộ
môn Đo lường và các hệ thống điều khiển, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.

7


Chương 1
TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG ROBOT
1.1. Giới thiệu chung[2]
Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi
các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự
động có tính linh hoạt cao đang hình thành.

Thuật ngữ “Robot” xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Universal Robot” của Karel Capek. Hơn 20 năm sau, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những
tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng
xạ. Vào giữa những năm 50 thì xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và
điện từ như tay máy Minotaur I hoặc Handyman của General Electric…
Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm 1961 tại một
nhà máy ô tô của General Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ.
Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
Hoa Kỳ và đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra các loại robot nổi tiếng.
Những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của Robot đã chú ý nhiều đến
sự lắp đặt thêm các loại cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại
trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển
bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ cảm biến và thị giác.
Từ những năm 80 và 90, do sự áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhất
là vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng lên, giá thành giảm và
tính năng thì vượt trội. Nhờ vậy, Robot công nghiệp có vị trí quan trọng trong các dây
chuyền tự động sản xuất hiện đại.
Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được,
có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người và
giữa các tay máy có thể hợp tác được với nhau.
Ứng dụng của Robot: nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm
giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải

8


thiện điều kiện lao động. Thông thường, robot công nghiệp được dùng trong các
lĩnh vực: đúc, gia công áp lực, hàn và nhiệt luyện, gia công và lắp rắp…
1.1.1. Cấu tạo Robot
Robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay

người. Cũng có thể hiểu robot là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế
để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu
động. Trong đó phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay
còn gọi là chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép,
xylanh khí nén, … Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác
động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu
công cụ chuyên dùng.
Tay máy (cánh tay cơ khí của Robot công nghiệp) thông thường là một chuỗi
động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với nhau nhờ các khớp động.
Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công
tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển
động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ
phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu
chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của
khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành
phần.
Các Robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với
sàn. Cơ thể được gắn với đế, tổ hợp cánh tay được nối với cơ thể. Cuối cánh tay là
cổ tay.
Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng các vị trí. Quan
hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: cổ tay, cánh tay được
thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động
quay và chuyển động tịnh tiến.
Về mặt cơ khí, Robot được cấu tạo từ những thanh nối và khớp. Các thanh
nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép Robot có các chuyển động đa dạng.

9


1.1.2. Các chuyển động của Robot

Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất. Các
công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của
Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí. Cổ tay được sử dụng cho Robot
thực hiện chính xác công việc. Các chuyển động của Robot được chia làm hai
chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể.
Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này
và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (degrees of freedom). Bậc tự do là số khả
năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Nói chung
Robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
5

W  6n   ipi

(1.1)

i 1

Trong đó:

n: số khâu động
p i: số khớp loại i
W: số bậc tự do.
Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế Robot công nghiệp điển

hình là khớp tịnh tiến và khớp quay (khớp quay, xoắn và quay vòng).
1.1.3. Các cấu hình cơ bản của Robot
- Robot ba khớp tọa độ vuông góc. Kiểu này gọi là Robot Đề các. Vị trí tâm
cổ tay của loại này có thể xác định theo ba tọa độ vuông góc liên quan tới ba khớp
lăng trụ. Vùng không gian làm việc là khối hộp chữ nhật.

Hình 1.1 Robot tọa độ vuông góc.

10


Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình 1.2 gồm ba chuyển
động định vị X,Y,Z theo các trục tọa độ vuông góc. Ứng dụng chính của robot loại
này là các thao tác vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc, dập,…
Ưu điểm:
- Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m
- Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc
khác.
-Hệ thống điều khiển đơn giản.
Hạn chế:Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật
liệu khác trong không gian làm việc của robot không được thích hợp lắm .Việc duy
trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều
gặp nhiều trở ngại .
- Robot trụ. Nếu khớp thứ nhất hoặc thứ hai của robot Đề các được thay
bằng khớp quay. Vị trí tâm cổ tay của robot trụ có thể được xác định bằng tập hợp
các tọa độ cầu liên hệ với ba biến khớp. Các khớp lăng trụ thường được giới hạn cơ
học ở cả hai đầu. Do đó, không gian làm việc của robot trụ bị giới hạn bằng hai hình
trụ đồng tâm có chiều dài hữu hạn.

Hình 1.2 Robot tọa độ trụ.
Trong ba chuyển động chính, robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến
và một chuyển động quay.

11

Ưu điểm:
- Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất.
- Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn.
- Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn.
- Khả năng lặp lại tốt.
Nhược điểm: bị giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và
giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang
- Robot cầu. Nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là
khớp lăng trụ. Nói chung, khớp lăng trụ không song song với trục của khớp thứ 2.
Vị trí tâm cổ tay của robot cầu là tập hợp các tọa độ cầu có liên quan với ba biến
khớp nối. Do đó, không gian làm việc của robot cầu được giới hạn bằng hai khối
cầu đồng tâm.

Hình 1.3 Robot tọa độ cầu.
Robot loại này được bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động
định vị.
Không gian làm việc của robot này phức tạp, thường có tiết diện hình xuyến.
- Robot SCARA. Là loại Robot đặc biệt, gồm hai khớp quay liên tiếp, khớp
tiếp theo là lăng trụ. Ngoài ra, cả ba trục khớp đều song song với nhau và thường
hướng theo trục trọng trường nên hai bộ tác động đầu không làm việc đối với trọng
lực của các khớp và tải. Cổ tay thường chỉ có 1 bậc tự do, do đó toàn bộ robot có 4

12


bậc tự do. Kiểu cơ cấu chấp hành này thường được dùng để lắp đặt các chi tiết
phẳng.

Hình 1.4 Robot SCARA

Ưu điểm:
- Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn. Tỉ lệ kích thước
/tầm vươn được đánh giá cao.
- Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo
phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu
gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng.Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc
quỹ đạo chuyển động đối với Robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại
bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z.
1.1.4. Hệ thống truyền động
Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của Robot là:
- Truyền động bằng thuỷ lực.
- Truyền động điện.
- Truyền động khí nén.
Trong đó truyền động điện và truyền động bằng thuỷ lực được sử dụng phổ
biến trong các Robot vì tính kinh tế và đơn giản.

13


Truyền động khí nén thường sử dụng trong các Robot có số bậc tự do nhỏ,
yêu cầu độ tác động nhanh cao.
1.1.5. Hệ thống cảm biến
Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của Robot, gồm nhiều loại khác
nhau. Cảm biến cũng được dùng như các phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị
trí.
Các loại cảm biến thông dụng:
- Cảm biến va chạm: là cảm biến phản ứng lại lực khi va chạm với một vật
khác.
- Cảm biến phạm vi gần: là thiết bị cảm nhận được vật ở gần.
- Cảm biến hỗn hợp: gồm các cảm biến nhiệt độ, áp suất và các đại lượng vật

lý khác.
- Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát.
Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát.
1.1.6. Các phương pháp điều khiển tự động cho Robot
Để điều khiển cho Robot, người ta thường phân chia theo mục đích sử dụng
và môi trường làm việc để có các phương pháp điều khiển khác nhau. Có nhiều
cách khác nhau để phân loại các hệ thống điều khiển tự động. Thường có các hệ
thống điều khiển sau:
-

Hệ thống liên tục: khi các tín hiệu tác động trong hệ là hàm liên tục theo thời
gian.

-

Hệ thống rời rạc: trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời
gian.

-

Hệ thống tối ưu: là hệ thống điều khiển trong đó thiết bị điều khiển có chức
năng tổng hợp được tín hiệu điều khiển u(t) tác động lên đối tượng điều
khiển để đạt được trạng thái tối ưu theo một chỉ tiêu nào đó.

14


-

Hệ thống thích nghi (hệ thống tự chỉnh): là hệ thống có khả năng tự thích

ứng với những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng
điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc của thiết bị điều khiển.

Trong kỹ thuật người máy thì cũng có thể phân chia hệ điều khiển thành:
-

Điều khiển theo chương trình: hệ thống thực hiện theo chương trình định sẵn.

-

Điều khiển thích nghi: việc điều khiển tùy thuộc vào thông tin nhận biết
được trong quá trình làm việc về hiện trạng của môi trường thao tác và bản
thân người máy.

Tùy theo khả năng thực hiện các chuyển động của tay máy mà chia thành các
phương pháp điều khiển:
-

Điều khiển theo chu tuyến: chuyển động theo đường liên tục.

-

Điều khiển theo vị trí: chuyển động được đảm bảo qua một số vị trí nhất
định.

-

Điều khiển theo chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và
cuối hành trình của mỗi bậc tự do.

1.2 Phân loại Robot công nghiệp
Có thể phân loại Robot theo nhiều cách khác nhau. Theo số bậc tự do, cấu
trúc động học, hệ truyền động, dạng hình học…
Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc.
Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không
gian tác động có thể với tới. Thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung
gọi là tâm cổ tay. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác
định theo vùng không gian làm việc.
Phân loại theo phương pháp điều khiển.
Robot giới hạn chuyển động liên tục. Robot giới hạn chuyển động liên tục
không sử dụng hệ điều khiển bám để di chuyển tới các vị trí lân cận trong các khớp
nối. Chúng được giới hạn điều khiển bằng các công tắc hành trình để dừng và thiết
kế điểm cuối cho mỗi chuyển động cho mỗi khớp nối.

15


Robot lặp lại với điều khiển từ điểm tới điểm. Robot lặp lại sử dụng hệ điều
khiển với một chuỗi các vị trí hoặc chuyển động được dạy cho Robot, ghi lại trong
bộ nhớ và được lặp lại dưới sự điều khiển của chính nó. Chia làm hai loại:
- Lặp lại từ điểm tới điểm.
- Lặp lại liên tục.
Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục. Robot chuyển động với quỹ đạo đã
được xác định trước. Quỹ đạo chuyển động là một chuỗi các điểm mô tả trên đường
chuyển động. Tín hiệu đặt là vị trí mong muốn của cổ tay, Robot chuyển động theo
luật điều khiển xác định trước để đến đích.
Phân loại theo số bậc tự do.
Mỗi bậc tự do tương ứng với một chuyển động độc lập của Robot. Số bậc tự
do là số vị trí cần thiết để xác định hoàn toàn cấu hình của Robot. Thông thường số
bậc tự do của Robot là số khớp nối từ thân đến cổ tay.

Lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả
năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số
dịch chuyển, tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị trí của khâu tác động
cuối. Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo
dưỡng Robot.
Phân loại theo hệ thống truyền động.
Các dạng truyền động phổ biến là :
Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều hoặc các động
cơ bước. Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực: Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn
tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động

16


theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick
and Place or PTP : Point To Point).
Ngoài ra có rất nhiều cách phân loại khác tùy theo quan điểm và mục đích sử
dụng, nghiên Cứu robot.
1.3. Ứng dụng của Robot
1.3.1. Ưu điểm của Robot
Robot có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng chỉ ngừng hoạt
động khi cần duy tu, bảo dưỡng, thay thế.
Robot có khả năng làm việc trong môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm,
hoặc những nơi con người không thể đến được.
Với chương trình được đặt trước, Robot có khả năng làm việc với hiệu suất

cao hơn con người, tiết kiệm nguyên vật liệu , độ chính xác làm việc cao.
Giá thành và chi phí lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng thấp do sự tiến bộ của
khoa học kỹ thuật.
Khi thay đổi công việc, lập trình lại cho Robot nhanh hơn và chi phí thấp hơn
so với việc đào tạo một công nhân.
1.3.2. Các xu thế ứng dụng của Robot
Robot ngày càng thay thế nhiều lao động, trở nên chuyên dụng, đảm nhận
được nhiều loại công việc và phổ biến trong tất cả các lĩnh vực.
- Trong ngành công nghiệp cơ khí, Robot thực hiện những công việc nặng
nhọc như nâng hạ, lắp ráp các chi tiết lớn, cồng kềnh yêu cầu độ chính xác cao. Sử
dụng Robot để hàn điểm, hàn hồ quang, sơn, mạ.
- Sử dụng Robot trong môi trường độc hại, nguy hiểm như trong các lò phản
ứng hạt nhân, dưới nước...
- Robot thám hiểm vũ trụ, các hành tinh thuộc hệ mặt trời mà con người chưa
tới được.
- Trong sinh hoạt, Robot trợ giúp người già, phục vụ trong nhà bếp... làm
giảm sức lao động của con người.

17


Như vậy cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ tự động
hoá, Robot ngày càng được hoàn thiện và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp
cũng như trong cuộc sống hàng ngày của con người.
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng được cấu trúc và thuật toán
điều khiển cho cánh tay Robot Scara 4 bậc tự do.
Luận văn nghiên cứu về lý thuyết điều khiển cánh tay Robot trên cơ sở mô
hình và ứng dụng vào Robot SCARA, kiểm nghiệm tính đúng đắn của các công
thức tính động học thuận nghịch, động lực học, tổng hợp hệ truyền động trong quá

trình thiết kế.
Bộ điều khiển cho cánh tay Robot Scara dựa trên luật PD bù trọng lực. Chất
lượng của hệ thống của hệ thống được đánh giá và phân tích dựa trên các kết luận
của mô phỏng sử dụng Matlab Simulink.
Trong quá trình mô phỏng tác giả đã dựa vào các thông số của Robot Scara
ở trên và với điều kiện khi Robot chưa mang, Robot mang tải định mức và trường
hợp Robot mang tải không xác định, từ đó đưa ra nhận xét cho từng trường hợp.

18


Chương 2
PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
2.1. Xây dựng phương trình động lực học cho hệ Robot
Nghiên cứu động lực học Robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng
như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Việc nghiên cứu động lực học
robot thường giải quyết hai nhiệm vụ sau đây:
+ Xác định momen và lực xuất hiện trong quá trình chuyển động. Khi đó
quỹ đạo biến đổi của biến khớp qi(t) coi như đã biết. Các cấu hình khác nhau của cơ
cấu tay máy trong từng thời điểm xác định bằng các độ dịch chuyển góc hoặc độ
dịch chuyển dài của các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến.
+ Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc
tính toán, được gọi là các toạ độ suy rộng (generalized joint coordinates). Ở đây ta
gọi chúng là các biến khớp (toạ độ suy rộng) của cơ cấu tay máy và biểu thị bằng :

q

i





i

i

 (1   i ) S i

(2.1)



với

i

1,®èi ví i khí p quay

0,®èi ví i khí p tÞnh tiÕn

Trong đó:  i - Độ dịch chuyển góc của các khớp quay.

S - Độ dịch chuyển tịnh tiến của các khớp tịnh tiến.
i

+ Việc tính toán lực trong cơ cấu tay máy là rất cần thiết để chọn công suất
động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng để đảm bảo độ tin cậy của Robot.
+ Xác định các sai số động tức là sai lệch so với quỹ đạo chuyển động mong
muốn chương trình. Lúc này cần khảo sát phương trình chuyển động của Robot có

tính đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu.
+ Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học Robot, nhưng thường gặp
hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là dùng phương trình Lagrange Euler. Đối với các khớp của Robot, với các nguồn động lực và kênh điều khiển

19


riêng biệt, không thể bỏ qua các hiệu ứng trọng trường (gravity effect), quán tính
(initial), tương hỗ (Coriolis), ly tâm (centripetal)... mà những khía cạnh này chưa
được xét đầy đủ trong cơ học cổ điển, Cơ học Lagrange nghiên cứu các vấn đề nêu
trên như một hệ thống khép kín nên đây là nguyên lý cơ học thích hợp đối với các
bài toán động lực học robot.
Các phương trình động lực học được thiết lập dựa trên cơ sở phương trình
Lagrange bậc 2:

d  L  L



dt   q
 i   qi F Mi

,i=1,...,n

(2.2)

Trong đó :
L- hàm Lagrange

L=K-P

(2.3)

K, P- động năng và thế năng của hệ.
FMi - Lực hình thành trong khớp động thứ i khi thực hiện chuyển động.
q i – Biến khớp (tọa độ suy rộng ).
q - đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian.
i

Đồng thời khi mô tả vị trí giữa 2 hệ toạ độ thứ i và i-1 dùng ma trận thuần
nhất Ai hoặc viết đầy đủ hơn là

i 1

A . Dùng ma trận này có thể mô tả vị trí trạng
i

thái trong hệ toạ độ thứ i-1 của một điểm bất kì thuộc hệ toạ độ thứ i.
Các biến khớp qi là bộ các thông số dịch chuyển của các khớp động của
Robot. Vị trí trạng thái của điểm tác động cuối của Robot hoàn toàn được xác định
bởi bộ biến khớp q i này.
Xét khâu thứ i của một robot có n khâu. Tính lực tổng quát Fi của khâu thứ i
với khối lượng vi phân của nó là dm. Lực tổng quát Fi đóng vai trò rất quan trọng
khi xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm điều khiển cho robot có n bậc tự do.

20


2.1.1. Vận tốc và gia tốc của robot
Để xây dựng mô hình động lực học Robot dùng phương trình Lagrange bậc

2, ta cần biết vận tốc của điểm bất kì trên tay máy.
Điểm M nào đó trong hệ toạ độ i, xác định bằng véc tơ mở rộng i ri :
i

T,

ri = ( xi , yi , zi , 1 )

(2.4)

Kí hiệu i ri có nghĩa là điểm M cho biết trong hệ toạ độ i và được biểu thị
cùng trong hệ toạ độ i. Còn khi dùng kí hiệu 0 ri thì có nghĩa là điểm M cho biết
trong hệ toạ độ i, nhưng được biểu thị trong hệ toạ độ x0, y0, z0, tức là trong hệ toạ
độ cơ bản.
Như trước đây, dùng ma trận

i 1

Ai để mô tả vị trí tương đối giữa hệ toạ độ

thứ i đối với hệ toạ độ i-1 và ma trận 0 Ai để mô tả quan hệ giữa hệ toạ độ thứ i và hệ
toạ độ cơ bản.
Vậy quan hệ giữa 0 ri và
0

với

0

Ma trận

i 1

ri có thể biểu thị như sau :

ri = 0 Ai i ri

(2.5)

Ai = 0 A1 1 A2 … i 1 Ai

(2.6)

i 1

Ai là

C i  Ci S i

S
Ci C i
i 1
Ai =  i
 0
Si

0
 0

Si Si

 Si C i
Ci
0

a i C i 

a i Si 
di 

1 

(2.7)

Biểu thức (2.7) là viết cho trường hợp khớp quay i, còn nếu khớp động là
khớp tịnh tiến thì ai =0 và từ (2.7) ta có :

21


C i  Ci S i

S
Ci Ci
i 1
Ai =  i
 0
Si

0
 0

Si Si
 Si C i
Ci
0

0

0
di 

1

(2.8)

Đối với khớp quay thì  i là biến khớp và đối với khớp tịnh tiến thì d i là biến
khớp.
Các phần tử khác không của ma trận 0 Ai đều là hàm của  j, d j, j và aj (j = 1
,2 ,…, i). Trong đó i, j lại là thông số xác định bằng cấu trúc cụ thể của tay máy.
Do vậy các phần tử này là hàm của biến khớp q i nói chung (qi  j đối với khớp
quay và q i  di đối với khớp tịnh tiến).
Vi phân biểu thức (2.5) với lưu ý rằng các vectơ i ri là không đổi với hệ toạ
độ thứ i vì giả thiết rằng các khâu của tay máy là vật rắn tuyệt đối, ta có:
0

Vi  Vi =

d 0
d
( ri )  ( 0Ai i ri ) =

dt
dt
i 1

 ... i 1 A i r  ...  0 A ...
= A i 1 A2 ... i 1 Ai i ri  0 Ai 1 A
2
i i
i
0

 i  0 Ai  i
Vi  
 ri
 j 1 q j 

0

Đạo hàm của ma trận

A i i ri  0 Ai i ri
(2.9)

i 1

Ai đối với biến khớp qi có thể dễ dàng xác định theo

công thức sau :
d i-1 Ai
 Dii1 Ai

dqi

(2.10)

Trong đó đối với khớp quay :
0  1
1 0
Di = 
0 0

0 0

0 0
0 0
0 0

0 0

(2.11)

22


và đối với khớp tịnh tiến :
0
0
Di = 
0

0

0 0 0
0 0 0 
0 0 1

0 0 0

(2.12)

Trong trường hợp i = 1, 2,…,n ta có :
 0 Ai


( A1 A2 ...A j 1 A j ...Ai 1 Ai )
q j
q j

(2.13)

Trong các ma trận bên vế phải chỉ có Aj phụ thuộc vào qj, do đó theo (2.7) ta
có :
dA j
 0 Ai
 A1 A2 ...A j 1
...Ai 1 Ai
q j
dq j

(2.14)

với Dj tính theo (2.9) hoặc (2.10) :
 0 Ai
 A1 A2 ...A j 1 D j ...Ai 1 Ai
q j

(2.15a)

Phương trình (2.15a) mô tả sự thay đổi vị trí các điểm của khâu thứ i gây nên
bởi sự dịch chuyển của khớp động thứ j.
Kí hiệu vế trái của (2.15a) là Uij và đơn giản hoá cách viết (2.15a) như sau :

 0 Aj 1D jj 1 Ai , j  i
U ij  
0, j  i


(2.15b)

Vậy công thức (2.6) có thể viết lại là:



i



Vi =   U ijq j  i ri
 j 1


(2.16)

Tiếp theo, từ biểu thức (2.23) xác định gia tốc:

23


dVi  i  0 Ai
a
 
dt  s1 qs



 2 Ai


qs qk  i ri
q
s 
s1 k1 q q

s
k
i

i

(2.17)

2.1.2. Động năng của vi phân khối lượng dm
Kí hiệu Ki là động năng của khâu i ( i =1,2, …, n) và dKi là động năng của
một chất điểm khối lượng dm thuộc khâu i ta có:

1
1
T
dKi  ( x12  y12  z12 )dm  Tr ( VV
)dm
i i
2
2

(2.18)

Trong đó Tr là vết của ma trận :
n

TrA =

a

ii

i 1

Ta có :
T
i
i

dKi= 1 Tr   U q i p r   U q 1 r   dm
ip
i 
ir
r
i 
2
p1
 r1






i
i
= 1 T r    U i r 1 r T U T q p q r  d m
ir
 p 1 r 1 ip i i

2

i
i
= 1 T r    U ip ( i ri dm i r T i )U Tir q p q r 
 p 1 r 1

2

(2.19)

Như đã nói ở trên ma trận Uij biểu thị sự thay đổi vị trí của các điểm thuộc
khâu i gây nên bởi sự dịch chuyển của khớp động j. Ma trận này đều như nhau tại
mọi thời điểm thuộc khâu i và không phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng trên
khâu i, tức là không phụ thuộc vào dm. Cũng vậy, đạo hàm của biến khớp q i theo
thời gian không phụ thuộc vào dm. Do vậy ta có:
K i  dK

i



i
i
1
Tr   U

 p 1 r 1
2

ip



i

ri i r i T d m

U

T
ir

q p q r 


Phần trong ngoặc đơn là ma trận quán tính Ji của khâu i:

24

(2.20)


 xi2 dm

 xi yi dm
Ji =  i rii riT dm   
  xi zi dm
 x dm
  i

 x y dm
 y dm
 z y dm
 y dm
i

i

2
i

i

i

i

 x z dm
 z y dm
 z dm
 z dm
i i

i

i

2
i
i

 x dm 
 y dm .
 z dm 
 dm 
i

i

(2.21)

i

Nếu dùng Tenso quán tính Iij: (tiếng Pháp tenseur (tăng-xơ) là một khái
niệm được đưa ra bởi Cauchy Augustine, Tensor hiểu giống như ma trận vậy)
 

I ij    ij  xk2  xi x j  dm,

  k

(2.22)

Với các chỉ số i, j, k lấy lần lượt bằng các giá trị xi , yi, zi, đó là các trục của
hệ toạ độ i, và ij là kí hiệu Cronecke, thì ma trận Ji có thể biểu thị ở dạng sau:
I I I

 xx yy zz
Ixy
Ixz
mi xi 
2




Ixx Iyy Izz


Ixy
Iyz
mi yi 
2

Ji  


Ixx Iyy Izz

Ixz
Iyz
mi zi 

2



 mi xi
mi yi
mi zi
mi 

(2.23)

T

1




Ở đây r i   x i , y i ,z i ,1 - bán kính vector biểu diễn trọng tâm của khâu


thứ i trong hệ toạ độ i. Công thức (2.23) viết thành :
  k 2 k 2 k 2
 i11 i 22 i 33
2


2

ki12
Ji  

2

ki13



xi

Ở đây K ijk 

2
ki12

2
ki13

k2i11 ki222 ki233
2

ki223

ki223

2
ki11
ki222 ki233
2

yi

zi

I jk và j = 1,2,3 ; k = 1, 2, 3
mi
25


xi 


yi 


zi 



1 

(2.24)