Sử dụng bộ quan sát trạng thái tốc độ cao điều khiển bền vững robot

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

-----------------------------------

NGUYỄN TUẤN PHƯỜNG

SỬ DỤNG BỘ QUAN SÁT TRẠNG THÁI TỐC ĐỘ CAO ĐIỀU
KHIỂN BỀN VỮNG ROBOT
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS. NGUYỄN PHẠM THỤC ANH

Hà Nội - 2010


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn được xây dựng hoàn
toàn là do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của cô
giáo và tham khảo các tài liệu đã được trích dẫn.
Tác giả luận văn:

Nguyễn Tuấn Phường

MỤC LỤC
Mở đầu ..........................................................................................................................1

Chương 1: Khái quát về Robot công nghiệp
1.1.Giới thiệu về robot công nghiệp
1.1.1 Lịch sử phát triển robot công nghiệp ................................................................3
1.1.2 Các ứng dụng của robot công nghiệp ...............................................................6
1.1.3 Một số định nghĩa về robot ...............................................................................9
1.1.4 Đặc tính của robot công nghiệp ........................................................................10
1.2 Các phần tử cơ bản hệ điều khiển robot
1.2.1 Kết cấu cơ khí ...................................................................................................12
1.2.2 Các cấu hình không gian ...................................................................................13
1.2.3 Cơ cấu chấp hành ..............................................................................................15
1.2.4 Cơ cấu cảm biến ................................................................................................16
1.2.5 Bộ điều khiển ....................................................................................................17
1.3 Tổng quan về điều khiển Robot công nghiệp .........................................................18
1.3.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược......................................................19
1.3.2 Phương pháp điều khiển PID truyền thống..........................................................20
1.3.3 Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường ......................................................... 21
1.3.4 Điều khiển thích nghi theo sai lệch .....................................................................22
1.3.5 Phương pháp điều khiển thích nghi động lực học ngược ....................................23
1.3.6 Điều khiển bền vững theo chế độ trượt ..............................................................26

Chương 2 - Thiết kế bộ điều khiển trượt và bộ quan sát trạng thái tốc độ
cao
2.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot n bậc tự do ................................................35
2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt ................................................................................35
2.1.2 Phương pháp nâng cao chất lượng hệ điều khiển trượt ......................................39
2.1.3 Kết luận ...............................................................................................................41
2.2 Thiết kế bộ quan sát trạng thái tốc độ cao

2.2.1 Tổng quan về bộ quan sát trạng thái ...................................................................42
2.2.2 Bộ quan sát trạng thái Luenberger .......................................................................44
2.2.3 Bộ quan sát trạng thái Kalman.............................................................................45


2.2.4 Bộ quan sát trượt .................................................................................................47
2.2.5 Bộ quan sát trạng thái tốc độ cao (High Gain Observer – HGO) ........................49
2.2.6 Kết luận ................................................................................................................53

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển trượt trên cơ sở bộ quan sát tốc độ cao cho
robot 2 thanh nối
3.1 Khái quát về Robot Planar 2 bậc tự do ..................................................................55
3.1.1 Bài toán động học thuận ......................................................................................56
3.1.2 Bài toán động học ngược ....................................................................................58
3.1.3 Phương trình động lực học ..................................................................................59
3.1.4 Mô tả đối tượng bằng phương trình trạng thái ....................................................62
3.2 Thuật toán điều khiển trượt kết hợp với bộ quan sát tốc độ cao cho robot 2 thanh nối
3.2.1 Bài toán đặt ra ......................................................................................................63
3.2.2 Thiết kế bộ quan sát tốc độ cao ...........................................................................64
3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt kết hợp tín hiệu quan sát. .......................................64

Chương 4: Mô phỏng kết quả và đánh giá thuật toán điều khiển
4.1 Xây dựng chương trình mô phỏng .........................................................................68
4.1.1 Mô hình đối tượng robot planar ..........................................................................68
4.1.2 Mô hình bộ quan sát tốc độ cao ..........................................................................68
4.1.3 Mô hình hệ điều khiển trượt không dùng bộ quan sát ........................................70
4.1.4 Mô hình hệ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát trạng thái tốc độ cao .............72
4.2 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................73
4.2.1 Kết quả mô phỏng bộ quan sát tốc độ cao ...........................................................73
4.2.2 Hệ điều khiển trượt không dùng bộ quan sát tốc độ ............................................76

4.2.3 Đáp ứng bền vững của hệ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát tốc độ cao .......80
4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng ....................................................................................83
Kết luận .........................................................................................................................84
Tài liệu tham khảo.........................................................................................................85
Phụ lục...........................................................................................................................87


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nội dung

BĐK

Bộ điều khiển

ĐLH

Động lực học

DOF

Bậc tự do

PD

Proportion-Derivative Controller

PID

Proportion-Intergral-Derivative Controller

HGO

High Gain Observer

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Hình dạng của một Robot công nghiệp
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-2 Robot phun sơn
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-3 Robot hàn
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-4 Robot lắp ráp
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-5 Khớp tịnh tiến
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-6 Các loại khớp quay
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.


Hình 1-7 Cấu hình Robot dạng Đề Các
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.

Hình 1-8 Cấu hình Robot dạng hình trụ
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-9 Cấu hình Robot dạng hình cầu
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-10 Cấu hình Robot dạng khớp nối
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-11 Cấu hình Scara
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-12 Sơ đồ khối Robot công nghiệp.
............................................................................................................................................ Er
ror! Bookmark not defined.
Hình 1-13 Các phương pháp điều khiển Robot...................................................................... 1
Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ĐLH ngược ........................................................... 20
Hình 1-15 Sơ đồ điều khiển PID ......................................................................................... 21
Hình 1-16 Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng trường ............................................................... 22
Hình 1- 17 Hệ thống điều khiển thích nghi theo sai lệch .................................................... 23
Hình 1-18 Sơ đồ khối bộ điều khiển động lực học ngược thích nghi .................................. 24
Hình 1-19 Đối tượng điều khiển bởi rơ le 2 vị trí ................................................................ 28
Hình 1-20 Quỹ đạo pha đường chuyển đổi e =0 ................................................................. 29
Hình 1-21 Hệ trượt với luật chuyển đổi phản hồi ............................................................... 30
Hình 1-22 Mạch điều khiển với phản hồi nội ..................................................................... 30
Hình 1-23 Quỹ đạo pha với đường chuyển đổi S = -(y1 +αy2)=0 ..................................... 31
Hình 1-24 Sơ đồ nguyên lýđiều khiển kiểu trượt .................................................................. 34
Hình 2-1, Hình 2-2, Hình 2-3 ............................................................................................... 36
Hình 2- 4 Định nghĩa lớp biên B(t) ....................................................................................... 41

Hình 2-5 Môhình quan sát trạng thái ........................................................................................ 43
Hình 2-6. Bộ quan sát Luenberger ........................................................................................ 44
Hình 2-7 Môhình bộ quan sát Kalman .................................................................................... 45
Hình 2-8 Bộ quan sát trượt cho Robot .................................................................................. 48
Hình 2-9 Bộ quan sát tốc độ cao ........................................................................................... 51
Hình 3-1 Môhình Robot Planar hai bậc tự do ....................................................................... 55
Hình 3-2 Chọn các hệ tọa độ gắn với Robot ......................................................................... 56
Hình 3-3 Tính biến khớp theo tọa độ tay ............................................................................. 58
Hình 4-1 Môhình đối tượng robot planar .............................................................................. 68
Hình 4-2 Môhình bộ quan sát tốc độ cao cho robot planar ..................................................... 70
Hình 4-3 Bộ điều khiển trượt cho robot planar ................................................................... 71
Hình 4-4 Khối tính giá trị trung gian tg1 ............................................................................... 71
Hình 4-5 Khối tính giá trị trung gian tg2 ............................................................................... 72
Hình 4-6 Hệ điều khiển trượt không dùng bộ quan sát ............................................................ 72
Hình 4-7 Môhình hệ điều khiển trượt kết hợp bộ quan sát ..................................................... 73
Hình 4-8 Khảo sát bộ quan sát ............................................................................................... 74
Hình 4-9 Đáp ứng bộ quan sát vị trí khi l1 =20 ,l2 =5 ,l3 =18 ,l4 =4 ...................................... 74
Hình 4-10 Đáp ứng bộ quan sát tốc độ khi l1 =20 ,l2 =5 ,l3 =18 ,l4 =4 ................................ 75
Hình 4-11 Đáp ứng bộ quan sát vị trí khi l1 =300, l2 =5, l3 =250 ,l4 =4 ................................ 75
Hình 4-12 Đáp ứng bộ quan sát tốc độ khi l1 =300, l2 =5, l3 =250 ,l4 =4 ............................ 75
Hình 4-13 Đáp ứng bộ quan sát vị trí khi l1 =300, l2 =5, l3 =250 ,l4 =4 ................................ 76
Hình 4-14 Đáp ứng bộ quan sát tốc độ khi l1 =300, l2 =5, l3 =250 ,l4 =4 ............................ 76
Hình 4-15 Đáp ứng vị trí khi dùng hàm SIGN .......................................................................... 77
Hình 4-16 Đáp ứng tốc độ khi dùng hàm SIGN ....................................................................... 77
Hình 4-17 Mômen điều khiển khi dùng hàm SIGN ................................................................ 78
Hình 4-18 Đáp ứng vị trí khi dùng hàm SAT ............................................................................ 79
Hình 4-19 Đáp ứng tốc độ khi dùng hàm SAT ........................................................................ 79
Hình 4-20 Mômen điều khiển khi dùng hàm SAT .................................................................. 80
Hình 4-21 Đáp ứng vị trí khi tín hiệu đặt bậc thang q1d = 0,5rad; q2d = 0,3rad ................... 81

Hình 4-22 Đáp ứng tốc độ khi tín hiệu đặt bậc thang q1d = 0,5rad; q2d = 0,3rad ............... 81
Hình 4-23 Đáp ứng vị trí vàtốc độ khi tín hiệu đặt: q1d = sin(t)rad; q2d = 0,5rad ................ 82
Hình 4-24 Đáp ứng vị trí vàtốc độ khi tín hiệu đặt: q1d = sin(t)rad; q2d = 2sin(2t) rad ........ 82


Hình 4-25 Đáp ứng vị trí vàtốc độ khi tín hiệu đặt: q1d = sin(t)rad; q2d = [0,2;0,4;0,8]
rad/1,5s ............................................................................................................................... 82


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, ngành Điều khiển và Tự động
hoá cũng đã có những bước tiến quan trọng. Những bước tiến đó đã góp phần
không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành và nâng cao chất
lượng của sản phẩm. Nói tới lĩnh vực Tự động hóa công nghiệp, người ta không thể
không nhắc tới Robot. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển thì việc đưa Robot
vào trong quá trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người, đồng
thời khắc phục tình trạng không đồng đều về chất lượng sản phẩm, đã trở nên rất
phổ biến trong thời gian gần đây.
Ở nước ta, việc áp dụng Tự động hoá và trang bị Robot cho các dây chuyền
sản xuất trong các nhà máy còn khá mới mẻ nhưng bước đầu đang được ứng dụng,
phát triển. Tuy nhiên, để phát triển trong lĩnh vực Robot công nghiệp theo chiều
sâu, chúng ta cần tiếp cận theo hướng nghiên cứu các thuật toán điều khiển thông
minh, điều khiển nâng cao, áp dụng vào cho cánh tay Robot. Theo hướng phát triển
đó, tác giả luận văn đã quyết định lựa chọn đề tài: Sử dụng bộ quan sát trạng thái
tốc độ cao trong điều khiển bền vững Robot làm đề tài cho luận văn cao học của
mình. Đề tài này đề cập đến một vấn đề rất quan trọng trong điều khiển Robot, đó
là vấn đề điều khiển chuyển động của Robot bền vững với nhiễu và quan sát tốc độ
khớp quay bằng bộ quan sát tốc độ cao.
Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương với nội dung cơ bản như
sau:

Chương 1- Khái quát về Robot công nghiệp: Giới thiệu về lịch sử phát
triển của Robot công nghiệp, các khái niệm cơ bản trong điều khiển Robot và sơ
lược các phương pháp điều khiển chuyển động Robot.
Chương 2- Thiết kế bộ điều khiển trượt và bộ quan sát trạng thái tốc độ
cao: Trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt cho Robot. Sơ lược các bộ
quan sát trạng thái, phương pháp thiết kế bộ quan sát trạng thái tốc độ cao.
Chương 3- Thiết kế hệ điều khiển trượt sử dụng bộ quan sát trạng thái tốc
độ cao cho Robot 2 thanh nối: Xây dựng mô hình động lực học, bộ điều khiển
1


trượt, bộ quan sát tốc độ cao cho robot planar. Trên cơ sở đó xây dựng hệ điều
khiển trượt kết hợp với bộ quan sát tốc độ cao cho robot planar.
Chương 4- Mô phỏng và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng thuật toán
điều khiển và bộ quan sát cho robot planar trên matlab-simulink và đánh giá kết
quả đạt được, đồng thời định hướng phát triển của đề tài.
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả luận văn đã cố gắng tiếp cận và giải quyết vấn
đề một cách triệt để nhất. Tuy vậy, do thời gian có hạn và trình độ chuyên môn còn
nhiều điểm chưa được hoàn thiện, chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót
nhất định. Kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô.

2


CHƯƠNG 1 - KHÁI QUÁT VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu về Robot công nghiệp
1.1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
Từ khi Robot đầu tiên xuất hiện, hơn 20 năm sau ước mơ viễn tưởng của Kerel
Capek ( Zech - 1922 ) về việc tạo ra những Robot làm nhiệm vụ tạp dịch trong nhà,

đến nay đã trải qua một quá trình cải tiến và hoàn thiện rất nhanh chóng. Bắt đầu là
cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ xa trong
các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy Minotaur I hoặc
tay máy Handyman.

Hình 0-1 Hình dạng của một Robot công nghiệp
Một số mốc phát triển đáng chú ý của Robot công nghiệp có thể điểm qua:

3


ƒ Năm 1938, Harolh Roselund và Willard người Mỹ đã thiết kế ra cơ cấu phun
sơn có thể lập trình đầu tiền cho công ty DeVibiss.
ƒ Năm 1942, Isaac Asimov xuất bản cuốn “Runaround” trong đó ông đưa ra 3
quy tắc về Robot.
ƒ Năm 1951, ở Pháp RayMond Goertz đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể
hoạt động từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử. Thiết kế này dựa toàn bộ vào các
mối nối cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp bằng thép và ròng
rọc). Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi cần sử lý các mẫu hạt nhân.
Đây được coi như một bước ngoặt trong kỹ thuật phản hồi lực.
ƒ Năm 1954, Goerge C. Devol đã thiết kế ra một cơ cấu Robot đầu tiên có thể
lập trình được và đặt tên là Universal Automation, và cũng chính là nguồn gốc tên
công ty sau này của ông là Unimation.
ƒ Năm 1959, Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phòng thí nghiệm trí
tuệ nhân tạo tại MIT (Massachusetts Institute of Technology).
ƒ Năm 1959, C.DeVol và các cộng sự cho ra đời chiếc Robot công nghiệp đầu
tiên có tên là Unimate.
ƒ Năm 1960, Tập đoàn Codec đã mua lại công ty Unimation của C.Devol và
bắt đầu phát triển hệ thống Robot Uminate. General Motors đã mua lại chiếc Robot
công nghiệp đầu tiên Unimate từ công ty Unimation và lắp đặt cho dây chuyền sản

xuất. Robot điều khiển bằng tay chính là loại đầu tiên của thế hệ Robot Unimate.
ƒ Năm 1964, Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo được
mở tại MIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, và trường
đại học Edinburgh.1964 hãng C&D Robotics được thành lập. Carnegie Mellon
University thành lập học viện về Robot (Robotics Institute).
ƒ Năm 1965, phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học
Robot – Nguồn gốc hình thành học thuyết Robot ngày nay.
4


ƒ Năm 1968, SRI đã thiết kế ra Shakey, một Robot di động có khả năng quan
sát và được điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một căn phòng.
ƒ Năm 1970, Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra
mẫu Robot Standard Arm. Mà ngày nay cơ cấu động học của nó được xem như là
cách tay Robot tiêu chuẩn.
ƒ Năm 1973, Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại Robot công
nghiệp mang tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini commercially
available (designed by Richard Hohn).
ƒ Năm 1974, Giáo sư Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford,
đã thành lập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay Robot
cho các ứng dụng công nghiệp. Loại cánh tay mới này được điều khiển bởi một máy
tính mini.
ƒ Năm 1976, cánh tay Robot được sử dụng trên các tàu thăm dò vũ trụ Viking
1 và 2. Trong các thiết bị này công ty Vicarm đã sử dụng các vi tính máy tính
(Microcomputer).
ƒ Năm 1977, ASEA, một công ty Robot của Châu Âu đã giới thiệu 2 loại
Robot công nghiệp chạy bằng điện. Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình
và điều khiển hoạt động.
ƒ Năm 1978, Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất Robot
PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Ngày nay chúng ta có

thể thấy Puma vẫn có ở trong một số phòng thí nghiệm.
ƒ Năm 1979, Sankyo và IBM đã đưa ra thị trường mẫu Robot Scara (Selective
compliant articulated Robot arm) tại trường Yamanashi của Nhật.
Cho đến nay nhờ áp dụng có các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông
tin, số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc.
Do đó Robot công nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong cá dây truyền sản xuất.
5


Đã có rất nhiều chủng loại Robot với nhiều hình dáng, kích cỡ và được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của xã hội, như: công nghiệp, khoa học, y tế, an ninh…

1.1.2

Các ứng dụng của Robot công nghiệp

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng
suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần 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 thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ
vào những khả năng tiên tiến của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ
dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm
việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm
... Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện
các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Ban đầu là để
gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Với những công việc khó khăn ở môi
trường khắc nghiệt như rèn kim loại nhiệt độ cao, việc đòi hỏi phải di chuyển nhiều

khắp phân xưởng thì Robot là sự lựa chọn tốt nhất.
• Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ thuật
đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém. Trong khi Robot có
thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp lại chính
xác các động tác khó.

6


Hình 0-2 Robot phun sơn
• Robot còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ
nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển
trung gian.
• Ứng dụng Robot trong công nghệ hàn đường, vừa đạt năng suất cao và chịu
được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm biến gắn trên Robot sẽ xác
định vị trí đúng của đường hàn.

Hình 0-3 Robot hàn
• Ứng dụng Robot trong lắp ráp, một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý
tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình

7


gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp
chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các
Robot tĩnh và động.

Hình 0-4 Robot lắp ráp
• Trong sản xuất lớn, Robot là những hệ thống được tự động hóa hoàn toàn:

chúng đo đạc, cắt khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các
công việc của mình.Chỉ cần vài người giám sát, các máy móc có thể hoạt động liên
tục, các Robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn này
tới công đoạn khác, kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho.Cánh tay Robot
được trang bị đa dạng nên có thể đáp ứng linh hoạt với nhiều công việc khác nhau.
Rõ ràng là khả năng làm việc của Robot trong một số điều kiện vượt hơn khả
năng của con người. Do đó, nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao
năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại.
Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt được như con người, trong dây
chuyền tự động, nếu có một Robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây
chuyền. Chính bởi thế, Robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.

8


1.1.3

Một số định nghĩa về Robot

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Robot tùy theo tính chất công việc mà
Robot phải thực hiện hay tuỳ theo chức năng cụ thể của Robot. Dưới đây là một số
định nghĩa thông dụng nhất về một Robot công nghiệp.
• Theo RIA-Viện nghiên cứu Robot Hoa Kì: Robot là một tay máy nhiều chức
năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi
tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển
động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa
dạng.
• 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 chơng trình đặt ra trên các trục toạ 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 để hoàn thành các chức năng
vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
• Còn theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một Robot
công nghiệp phải là Robot thỏa mãn năm yếu tố:
9 Có khả năng thay đổi chuyển động
9 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác
9 Có số bậc tự do cao
9 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động
9 Có khả năng hoạt động tương hỗ với môi trường bên ngoài

9


Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên là đặc điểm điều khiển theo
chương trình, đó là nhờ những bộ vi xử lí và các vi mạch tích hợp chuyên dùng.

1.1.4 Đặc tính của Robot công nghiệp
• Tải trọng
Tải trọng là trọng lượng Robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo
một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng
Robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó Robot không đảm bảo
được độ chính xác di chuyển. Tải trọng của Robot thông thường rất nhỏ so với
trọng lượng Robot. Ví dụ, Robot LR Mate của hãng Fanuc có trọng lượng 40 Kg
chỉ mang được tải trọng 3 Kg, Robot M-16i có trọng lượng 269 Kg mang được tải
trọng 18.5 Kg.
• Tầm với
Tầm với là khoảng cách lớn nhất mà Robot có thể vươn tới trong phạm vi

làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc và cấu trúc Robot.
• Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian là gia tăng nhỏ nhất Robot có thể thực hiện khi di
chuyển trong không gian. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điểu khiển và độ
chính xác cơ khí. Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều
khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di
chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển Robot:
Số bước di chuyển = 2n
Với n – Số bit bộ nhớ.
Ví Dụ: Một khớp tịnh tiến của Robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển
trong phạm vi 100 mm , số bước di chuyển có thể là : 4096. Độ phân giải tương ứng
là:

100
= 0.0244mm
4096

10


Độ di chuyển của Robot là tổng các dich chuyển thành phần. Do đó độ phân
giải của cả Robot là tổng các độ phân giải của từng khớp Robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu chuyển động các khớp và khâu phản hồi của
hệ thống điều khiển secvo sẽ ảnh hưởng đến độ phẩn giải. Các yếu tố làm giảm độ
chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, điều kiện bảo dưỡng Robot…Độ
chính xác cơ khí sẽ làm giảm độ phân giải.
• Độ chính xác
Độ chính xác đánh giá độ chính xác vị trí tay Robot có thể đạt được. Độ
chính xác được định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di
chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp.

Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao.
Trong thực tế, độ phân giải bị ảnh hưởng đối với một số yếu tố. Độ chính xác
sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay Robot: Phạm vi di chuyển càng
xa bệ Robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác cơ khí càng lớn. Độ
chính xác của Robot sẽ được cải thiện nếu di chuyển của Robot được giới hạn trong
phạm vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây
ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm độ chính xác di chuyển. Thông thường độ
chính xác di chuyển của Robot công nghiệp đạt 0,025 mm.
• Độ lặp lại
Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi Robot di chuyển để với tới một điểm
trong nhiều lần hoạt động (ví dụ 100 lần). Do một số yếu tố mà Robot không thể với
tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm mà các điểm với của
Robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của
đường tròn đó là độ lặp lại . Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ
chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định có thể phán
đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên khó có
thể khử được. Độ lặp lại cần phải được xác định bằng thực nghiệm với tải trọng và
các hướng di chuyển khác nhau (phương thẳng đứng và phương nằm ngang). Độ lặp
lại của các Robot công nghiệp thông thường là 0,025 mm.

11


• Độ nhún
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay Robot đáp ứng lại lực
hoặc moment tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay Robot dịch chuyển nhiều khi
lực tác động nhỏ và ngược lại. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ
chính xác dịch chuyển khi Robot mang tải trọng. Nếu Robot mang tải trọng nặng,
trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay Robot bị dịch chuyển. Khi Robot thực
hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển

Nếu Robot được lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ
giảm trong điều kiện làm việc có tải.

1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển Robot
1.2.1 Cấu hình cơ khí
Robot công nghiệp chủ yếu gồm các loại khớp sau:
• Khớp tịnh tiến :
Thực hiện dịch chuyển thẳng, chuyển động dọc trục

Hình 0-5 Khớp tịnh tiến
• Khớp quay :
Thực hiện các loại chuyển động quay, bao gồm nhiều loại như: khớp quay 1
hướng, khớp bản lề, khớp cầu…

12


Hình 0-6 Các loại khớp quay

1.2.2 Các cấu hình không gian
• Dạng Đề Các
Dạng Đecac sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các
trục toạ độ x, y, z.
Robot chuyển động theo 3 trục toạ độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi
làm việc của Robot được mở rộng theo hình chữ nhật.

Hình 0-7 Cấu hình Robot dạng Đề Các
• Dạng hình trụ
Trục cơ bản là một trụ dọc, Robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục.
Bằng các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của

Robot được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.

13


Hình 0-8 Cấu hình Robot dạng hình trụ
• Dạng hình cầu
Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả năng chuyển động
lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép Robot
mở rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu.

Hình 0-9 Cấu hình Robot dạng hình cầu
• Dạng khớp nối
Tương tự như hai cánh tay con người, nó gồm hai phần tử thẳng đứng ứng với
cánh tay và cổ tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi hai khớp tương ứng
với khớp bả vai và khớp khuỷu tay. Cổ tay được nối với cẳng tay.
Các Robot dạng này có số bậc tự do cao, vùng làm việc rất rộng, nhưng do kết
cấu phức tạp nên lập trình khó.

14


Hình 0-10 Cấu hình Robot dạng khớp nối
• Cấu hình Scara

Hình 0-11 Cấu hình Scara

1.2.3 Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành là hệ thống thanh nối, khớp tạo chuyển động cho các khâu
của tay máy.Nguồn động lực là động cơ các loại : điện, thủy lực, khí nén hoặc kết

hợp giữa chúng.
- Cơ cấu chấp hành thủy lực :
Hệ thuỷ lực có thể đạt tới công suất cao, đáp ứng với những điều kiện làm việc
nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh do kết cấu bể dầu van lọc, hệ
thống dẫn ngược.

15


Cơ cấu chấp hành thủy lực có 2 dạng cơ bản: cơ cấu xilanh-piston sử dụng cho
các khớp tịnh tiến và cơ cấu van quay truyền động dùng cho các khớp quay. Các bộ
phận Robot sử dụng dầu để cung cấp năng lượng, khi đó mômen, tốc độ khâu chấp
hành sẽ tương ứng với lưu lượng dầu cấp cho xilanh, tốc độ dịch chuyển của xilanh
và được điều khiển qua tốc độ quay động cơ.
-

Cơ cấu chấp hành khí nén:

Nguồn năng lượng cấp và truyền động cho xilanh quay hoặc trượt là dòng khí
nén áp lực cao điều khiển bằng van điện. Hệ khí nén có kết cấu gọn nhẹ hơn do
không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với một trung tâm tạo 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 theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản.
-

Động cơ điện:

Các dạng động cơ điện sử dụng trong hệ thống truyền động Robot là: động cơ
secvo một chiều, secvo xoay chiều, secvo một chiều không chổi than và động cơ
bước. Hệ thống này có nhiều ưu điểm: Sử dụng được cho mọi cỡ Robot, chất lượng

điều khiển tốt, độ chính xác cao, ảnh hưởng của mômen quán tính tải bé do có bộ
truyền, thích hợp làm việc trong các phòng sạch sẽ do không có rò rỉ, độ tin cậy cao
và nhu cầu bảo dưỡng nhỏ.

1.2.4 Cơ cấu cảm biến
Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của Robot, gồm 2 loại đơn giản
như: công tắc hành trình và hệ thống camera. Cảm biến cũng được dùng như các
phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí.
Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an toàn.
Có thể phân ra hai loại cảm biến chính dùng cho Robot công nghiệp:
• Cảm biến nội tuyến: Đo các thông tin trạng thái của Robot (vị trí, góc quay
các khớp..), thường dùng máy biến áp vi phân, encorder, chiết áp, điện kế
quay tốc độ. Đo lực, mômen bằng tenzo, Straingange, cảm biến lực 6 chiều,
cảm biến đo áp suất…

16


• Cảm biến ngoại tuyến: Đo các thông tin môi trường. Gồm các camera, cảm
biến tiếp xúc, cảm biến đo khoảng cách sử dụng công nghệ laser.

1.2.5 Bộ điều khiển
Bộ điều khiển Robot thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như
máy tính bao gồm bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất / nhập kết hợp với màn
hình để hiện thị, các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong
dịch chuyển của các khâu. Toàn bộ các phần đó được bố trí bên trong tủ điều khiển
chính và được sắp xếp theo từng môđun gồm các bo mạch điện tử. Để lập trình một
cách thuận tiện cho Robot, các nhà chế tạo thường bố trí một panen kết nối song
song, còn gọi là bộ teach pendant, với bộ điều khiển gồm một hộp có mặt ngoài là
các nút nhấn và phím bấm để thực hiện các thao tác trực tiếp chuyển động các trục

trên Robot trong chế độ lập trình huấn luyện (teaching mode), và bên trong là một
bo mạch kết nối trực tiếp với bộ xuất / nhập.
-

Bộ nhớ: lưu giữ chương trình điều khiển và thông tin cảm biến về trạng
thái Robot.

-

Khối tính toán CPU thực hiện các thuật toán điều khiển.

-

Phần cứng ghép nối hệ truyền động với cơ cấu chấp hành.

-

Ghép nối giao diện với người sử dụng

Ta có thể minh họa một hệ thống điều khiển Robot công nghiệp như ơ hình 112.

17