Luận Văn Thạc sĩ “ Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ THU HẰNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THEO ĐẠI SỐ GIA TỬ
CHO ROBOT 2 BẬC TỰ DO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thu Hằng
Sinh ngày: 25/8/1991
Học viên lớp cao học Khóa 18 – Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường
Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Trường cao đẳng nghề số 1- Bộ Quốc Phòng
Xin cam đoan về luận văn “ Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số
gia tử cho robot 2 bậc tự do” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn
là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
nguồn gốc, xuất xứ rõ rang.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như
nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề
gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời
cam đoan của mình/.

Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Học viên

Nguyễn Thị Thu Hằng


iii

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương được sự giúp đỡ,
hướng dẫn tận tình của thầy PGS - TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài
“Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do” đã
được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp

đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại
học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình
học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên,
giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................ iii
MỤC LỤC .................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................... vi
DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT .................................................... vi
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài. ..................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................ 2
3. Đối tượng nghiên cứu. .............................................................................. 2
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài.......................................... 2
4.1. Ý nghĩa khoa học. .................................................................................. 2
4.2. Ý nghĩa thực tiễn. .................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 3
1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................... 3
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng ...................................................... 7
1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp .................................................. 7
1.4. Kết cấu tay máy. .................................................................................... 8
1.5. Động học robot. ................................................................................... 11
1.5.1. Bảng thông số DH. ........................................................................... 12

1.5.2. Tính toán ma trận mô tả quan hệ khâu i đối với hệ tọa độ gốc 0Ti . ... 14
1.6. Động lực học robot. ............................................................................. 15
1.6.1. Hàm Lagrange. ................................................................................. 15
1.6.2. Phương trình động lực học robot 2 bậc tự do. ................................... 18
1.6.3. Phương trình động lực học robot 2 bậc tự do. ................................... 20
1.7. Kết luận chương 1 ............................................................................... 23
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ 24


v

2.1. Suy luận xấp xỉ dựa trên tập mờ. ......................................................... 24
2.1.1. Khái niệm ......................................................................................... 24
2.1.2. Mô hình mờ đa điều kiện .................................................................. 25
2.2. Điều khiển mờ ..................................................................................... 27
2.2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ ......................................................... 27
2.2.2. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ dựa trên luật. ...................... 28
2.3. Suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử .................................................. 30
2.3.1. Một số kiến thức cơ bản về đại số gia tử ........................................... 31
2.3.2. Ứng dụng đại số gia tử giải bài toán suy luận sấp xỉ. ........................ 40
2.4. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử ..................................................... 45
2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................... 47
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN NỀN .................. 48
ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO .............................. 48
3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy 2 bậc tự do ............................ 48
3.2. Tổng hợp độ điều chỉnh PID cho động cơ điện một chiều ................... 50
3.2.1. Mô Hình toán của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập ................... 50
3.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện........................................................ 51
3.2.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ............................................................. 53
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng tay máy 2 bậc tự do ............................... 56

3.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự do .......................... 57
3.4.1. Định nghĩa các tập mờ đầu vào và đầu ra.......................................... 58
3.4.2. Xây dựng luật điều khiển .................................................................. 59
3.4.3. Chọn luật hợp thành và phương pháp giải mờ................................... 60
3.4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 61
3.5. Xây dựng bộ điều khiển trên nền đại số gia tử ..................................... 62
3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................... 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 69


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Tay máy kiểu tọa độ Đề các.......................................................

8

Hình 1.2.

Tay máy kiểu tọa độ trụ.............................................................

9

Hình 1.3.

Tay máy kiểu tọa độ cầu............................................................

9

Hình 1.4.

Tay máy kiểu tọa độ góc...........................................................

10

Hình 1.5.

Tay máy kiểu SCARA ..............................................................

10

Hình 1.6.

Sơ đồ khối đơn giản của động học robot...................................

11

Hình 1.7.

Minh họa phương pháp DH.......................................................

11

Hình 1.8.

Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm.......................................

16

Hình 1.9.

Hệ tọa độ robot 2 bậc tự do........................................................

16

Hình 2.1.

Phép “and” được thực hiện theo công thức min........................

26

Hình 2.2.

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ.........................................

27

Hình 2.3.

Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển mờ........................................

29

Hình 2.4.

Độ đo tính mờ của các phần tử sinh...........................................

36

Hình 2.5.

Độ đi tính mờ của một số hạng từ ngữ.......................................

37

Hình 2.6.

Sự sắp xếp của các xX, hjH, cG.........................................

38

Hình 2.7.

Hàm ánh xạ ngữ nghĩa định lượng.............................................

39

Hình 2.8.

Mô hình của bộ suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử..............

43

Hình 2.9.

Sơ đồ bộ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử..........................

45

Hình 3.1.

Sơ đồ khối hệ điều khiển tay máy 2 bậc tự do...........................

48

Hình 3.2.

Cấu trúc khối động cơ khớp 1....................................................

49

Hình 3.3.

Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều......................................

51

Hình 3.4.

Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện...................................

51

Hình 3.5.

Sơ đồ thu gọn của mạch vòng điện...........................................

52

Hình 3.6.

Sơ đồ mạch vòng tốc độ động cơ điện một chiều.......................

53

Hình 3.7.

Sơ đồ thu gọn của mạch vòng tốc độ.........................................

54


vii

Hình 3.8.

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập............................................................................

55

Hình 3.9.

Mô Hình mô phỏng tay máy hai bậc tự do.................................

56

Hình 3.10.

Sơ đồ mô phỏng khớp 1 của tay máy.........................................

56

Hình 3.11.

Sơ đồ mô phỏng khớp 2 của tay máy.........................................

57

Hình 3. 12.

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ..................................................

57

Hình 3. 13.

Các hàm liên thuộc đầu vào 1....................................................

58

Hình 3. 14.

Các hàm liên thuộc đầu vào 2 (sau khi hiệu chỉnh)...................

58

Hình 3. 15.

Các hàm liên thuộc đầu ra..........................................................

59

Hình 3.16.

Tác động của luật điều khiển ứng với một cặp giá trị đầu vào..

60

Hình 3.17.

Quan hệ Vào – ra của bộ điều khiển mờ....................................

61

Hình 3.18.

Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển tay máy bằng điều khiển mờ....

61

Hình 3.19.

Đường cong quĩ đạo các khớp khi sử dụng bộ điều khiển mờ

62

Hình 3.20.

Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử..................

62

Hình 3.21.

Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy sử dụng đại số
gia tử...........................................................................................

Hình 3.22.

Đáp ứng quá độ của tay máy khi điều khiển bằng đai số gia
tử................................................................................................

Hình 3.23.

65

65

So sánh đáp ứng quá độ của hệ thống đối với bộ điều khiển
mờ và bộ điều khiển đại số gia tử..............................................

66


viii

DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

1. SISO: Single in put -Single output
2. MISO: Mult input – Single output
3. MIMO: Mult input – Mult output
4. ĐSGT: Đại số gia tử
5. FAM : Fuzzy Associate Memory
6. HAC: Hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, vấn đề tự
động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Một trong những phương
pháp giúp cho vấn đề tự động hóa đạt hiệu quả cao là sử dụng robot công
nghiệp vào quá trình sản xuất.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao
năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản
phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra
cho chúng ta vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải
có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị
trường hàng hóa cạnh tranh. Robot công nghiệp là một bộ phận không thể
thiếu trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó.
Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết
được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều
khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp kinh điển và được thiết
kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay
đổi thì thông số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác

điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi,
điều khiển mờ, mạng nơron,…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ
điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản
xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng
dụng hệ mờ để điều khiển đối tượng phi tuyến. Trong đề tài này, tác giả
nghiên cứu về: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc
tự do”. Sau đề tài nghiên cứu này, sẽ thiết kế được một bộ điều khiển để điều


2

khiển robot 2 bậc tự do theo dạng điều khiển hiện đại, tính toán và thiết kế bộ
điều khiển trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do, đảm bảo điều khiển
các chuyển động của robot một cách chính xác.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo
đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tính toán thiết kế bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử cho robot 2
bậc tự do; kiểm tra kết quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm..
3. Đối tượng nghiên cứu.
- Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ trên nền đại số gia tử.
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
4.1. Ý nghĩa khoa học.
Bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử giống như một công cụ điều
khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý
nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến.
Đề tài này đề cập đến ứng dụng mờ trên nền đại số gia tử trong việc
điều khiển đối tượng phi tuyết đặc biệt là điều khiển robot.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn.

Việc điều khiển canh tay robot được áp dụng mờ trên nền đại số gia tử
có ý nghĩa thực tiễn lớn. Bời vì, robot được áp dụng ngày một rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng phải làm việc ở những môi trường có điều
kiện khắc nghiêt và luôn thay đổi để thay thế cho con người. Việc nâng cao
chất lượng điều khiển robot sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng
cao năng suất và hiệu quả lao động.


3

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY
Robot công nghiệp là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau. Có định
nghĩa là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có
thể thực hiện những công việc có ích tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp
của con người. Theo ISO thì “Rbot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu,
có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động , dùng để tháo lắp
phôi, dụng cụ và các vật dụng khác”.
Do chương trình thao tác có thể thay đổi, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa
dạng nên có thể nói robot công nghiệp được hiểu như một thiết bị tự động,
linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động của con người. Theo đó,
robot công nghiệp cũng là một hệ thống tự động hóa lập trình được. Robot
công nghiệp có khả năng thực hiện được nhiều chức năng, phụ thuộc vào
chương trình và công cụ làm việc.
1.1. Lịch sử phát triển
Từ thế kỉ 1, một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số đặc tính
làm việc như robot công nghiệp hiện nay. Jacques de Vancanson đã chế tạo
một vài “búp bê nhạc sỹ” . Năm 1805, Hentri Maillarder đã chế tạo một con
búp bê cơ khí có khả năng vẽ tranh. Trong các đồ chơi đó, một số cơ cấu cam
được sử dụng như một chương trình điều khiển thiết bị vẽ và viết. Trong cuộc

cách mạng công nghiệp, một số phát minh cơ khí khác trong lĩnh vực dệt.


4

Một số điểm mốc của lịch sử phát triển công nghệ robot
Thời gian
Giữa thế

Sự kiện quan trọng
J.de Vancanson chế tạo được một con búp bê cơ khí đánh nhạc

kỉ 17
1801

J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình

1805

H.Maillader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh

1892

S.Babbitt (Mỹ) đã thiết kế một cần trục truyền động động cơ có cơ
cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung

1938

W.Pollard và H. Roselund (Mỹ) đã thiết kế một cơ cấu phun sơn
lập trình do công ty DeVibiss

1946

G.C. Devol (Mỹ) sáng chế thiết bị điều khiển có thể ghi lại những
tín hiệu điện bằng từ hóa, sau đó được sử dụng để điều khiển một
máy cơ khí

1951

Cơ cấu máy điều khiển từ xa có thể mang các vật liệu phóng xạ
được chế tạo

1952

Mẫu máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công nghệ
Massachusetts sau vài năm nghiên cứu chế tạo.

1954

G.C. Devol đăng ký bản quyền phát minh thiết kế Robot
“Unimate” đầu tiên được giới thiệu là robot thủy lực, nó sử dụng
nguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy.

1961

Công ty Ford lắp đặt robot Unimate

1962

Công ty General Motor (GM) lắp đặt robot công nghiệp đầu tiên

(Robot Unimate) trong dây chuyền sản xuất.


5

Thời gian

Sự kiện quan trọng

1966

Công ty robitTrallfa (Nauy) lắp đặt robot phun sơn

1968

Robot di chuyển “Shakey” được chế tạo tại Viện Nghiên Cứu
Stanford (Mỹ). Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp xúc,
máy ảnh, có thể di chuyển trên mặt sàn

1970

Tay máy Stanford là robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo
ở Đại học Stanford (Mỹ)

1971

Hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản (JIRA) bắt đầu đề xuất sử
dụng robot trong công nghiệp Nhật Bản.

1973

Viện nghiên cứu Stanford (Mỹ) công bố ngôn ngữ lập trình máy
tính đầu tiên cho Robot trên là ngôn ngữ WAVE.

1974

Công ty Cincinnati Milacron giới thiệu Robot T3 điều khiển bằng
máy tính.
Robot “Sigma” được sử dụng trong công nghiệp lắp ráp – là một
trong ứng dụng robot trong dây chuyền lắp ráp đầu tiên

1975

Phòng thí nghiệm Charles Stack Draper (Mỹ) đã chế tạo cơ cấu
nhún có tâm ở xa sử dụng cho robot lắp ráp

1976

Robot PUMA (máy lắp ráp vạn năng có thể lập trình) được trình
diễn

1978

Robot T3 của hang Cincinnati được lập trình thực hiện các công
việc khoan và hàn trên các bộ phận của máy bay.
Robot SCARA được sáng chế cho dây chuyền lắp ráp ở trường Đại
học Yamanashi (Nhật). Một số robot thương mại này được giới
thiệu vào năm 1981

6

Thời gian

Sự kiện quan trọng

1979

Robot công nghiệp bắt đầu một thời kì phát triển nhanh chóng, với
các robot mới

1980

Robot truyền động trực tiếp (DDR) được sáng chế ở trường Đại
học Carnegie – Mellon.

1981

Hãng máy tính IBM chế tạo Robot RS – 1 cho lắp ráp

1982

Một số hệ thống lập trình “OFF – line” được trình diễn cho robot

1986

Ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung vào tích hợp
robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt (FMS) và hệ thống
CIM

1991

Bước phát triển mới của nền kinh tế thế giới và tập trung sản xuất
các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vi điện và công
nghệ hiển thị trong robot của dây truyền sản xuất tự động hóa.
Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa

là hai công nghệ quan trọng trong sự nghiệp phát triển robot. Robot hiện đại
là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa. Ngoài ra,
còn có những đóng góp giá trị về ngôn ngữ lập trình robot đã đánh dấu
bước phát triển quan trọng của robot hiện đại. Đó là công trình nghiên cứu
về ngôn ngữ lập trình hướng, đối tượng cho robot của Viện Nghiên cứu
Stanford: Ngôn ngữ thực nghiệm WAVE (1973) và ngôn ngữ AL (năm
1974). Ngôn ngữ VAL của công ty Unimate là ngôn ngữ lập trình Robot
thương mại đầu tiên.


7

1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng
- Một trong các lĩnh vực đó là kỹ thuật đúc. Thường trong xưởng đúc
công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hang thay
đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác.
- Trong ngành gia công áp lực, điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ
gây mệt mỏi. Nhất là trong các phân xưởng rèn, dập. Đòi hỏi áp dụng robot
công nghiệp
- Trong ngành hàn và nhiệt luyện bao gồm nhiều công việc nặng nhọc,
độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy, ngành này nhanh chóng ứng dụng robot
công nghiệp để thay thế cho con người.
- Ngành gia công, lắp ráp thưởng sử dụng robot vào việc tháo lắp phôi và

sản phẩm trong các máy gia công bánh rang, máy khoan, máy tiện bán tự động.
1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Robot công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:
+ Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo thành các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh
hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo thành chuyển động cho các khâu cổ tay máy,
động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành.
+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và cá thiết bị chuyển đổi tín
hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng
thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến bên ngoài để nhận
biết trạng thái của môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều
khiển hoạt động của robot.


8

1.4. Kết cấu tay máy
Tay máy là một phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot
công nghiệp, đó là thiết bị bảo đảm cho robot khả năng làm việc như nâng hạ
vật. Ban đầu con người chế tạo tay máy phỏng theo tay người. Còn hiện nay,
tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người. Tuy nhiên, vẫn sử dụng
thuật ngữ như: Vai, cánh tay, cổ tay và các khớp để chỉ các bộ phận của nó.
Trong thiết kế tay máy, người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởng khả
năng làm việc.
- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay.
- Tầm với của vùng làm việc.
- Khả năng định vị, định hướng phần công tác.
Chúng có đặc điểm sau:

Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành
một chuỗi động học hở các khớp chủ yếu là các khớp quay và các khớp trượt
tùy theo cách bố trí mà các khớp có thể tạo ra tay máy có tọa độ đề các, tọa độ
trụ, tọa độ góc và SCARA.
+ Tay máy kiểu tọa độ đề các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản
tịnh tiến théo phương của các hệ tọa độ gôc (cấu hình T.T.T). Trường công
tác có dạng khối hình chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ
cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để
chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng,…

Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề các


9

+ Tay máy kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ
rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ: Như robot 3 bậc tự do,
cấu hình R.T.T như hình vẽ

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ
+ Tay máy 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
(Hình 1.3)

Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu
+ 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

10

các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài
toán phẳng, ưu điểm nổi bật của loại robot hoạt động theo hệ 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.

Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc
+ Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời nă, 1979 tại trường đại
học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng
của quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là chữ viết tắt của “Selective
Complaint Articulated Robot Arm” – Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này
thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là
“Selective Complaince Articulated Robot Arm”. Ba khớp đầu tiên của Robot
này có cấy hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng . Sơ đồ
robot SCARA hình 1.5

Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA


11

1.5. Động học robot
Trong mô phỏng robot, phân tích hệ thống là cần thiết như phân tích
động học, mục đich là mang lạu những hiểu biết của những chuyển động của
từng phần cơ khí robot và mối quan hệ giữa chúng. Phân tích động học được
chia thành động học thuận và động học ngược. Động học thuận bao gồm tìm
ra vị trí trong không gian chuyển động của các khớp là F(1, 2,….., n)=

[x,y,z,R] và động học ngược bao gồm các thông số các biến khớp để có được
vị trí cuối cùng và hướng mong muốn F(1, 2,….., n)= [x,y,z,R].

Hình 1.6. Sơ đồ khối đơn giản của động học robot.
Một phương pháp phổ biến sử dụng thuận tiện cho việc lựa chọn khung
tham chiếu trong ứng dụng robot là phương pháp Denavit – Hartenberg hoặc
phương pháp D-H biểu diễn như hình 1.7

Hình 1.7. Minh họa phương pháp DH


12

- ai: Khoảng cách theo phương xi từ Oi đến giao điểm xi và zi-1.
- di: Khoảng cách theo phương zi -1 từ Oi-1 đến giao điểm của trục xi và
zi-1,di thay đổi khi khớp I là khớp trượt.
- i: Là góc quay quanh trục xi từ zi-1 đến zi.
- i: Là góc quay quanh trục zi-1 từ xi-1 đến xi.
1.5.1. Bảng thông số DH
Bước 1: Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ mở rộng lên các khâu:
- Giả định vị trí ban đầu của robot.
- Xác định các trục khớp và đặt tên tương ứng z0……. Zn-1.
- Xác định hệ tọa độ nền. Đặt gốc của hệ tọa độ này tại bất kỳ điểm nào
trên trục zo. Các trục x0 và y0 được chọn thỏa qui tắc tam diện thuận.
- Chọn gốc tọa độ Oi là giao điểm của đường vuông góc chung giữa zi
và zi-1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục xi chọn theo hướng
vuông góc với mặt phẳng tạo bởi zi và zi-1.
- Xác định yi theo qui tắc tam diện thuận.
Bước 2: Lập bảng thông số Denavit – Hartenberg (D-H) cho các khâu robot.
Bước 3: Dựa và thông số D-H xác định các ma trận Ai bằng cách thay đổi

các thông số ở bước 2.
Trường hợp đang xét ở đây là khớp quay thì i là biến, còn di =const.
Bảng thông số D-H như sau:


13

Bảng 1.1.
Khâu Khớp nối

i

i

di

ai

1

0-1

1

1

d1

a1

2

1-2

2

2

d2

a2

……

……

……

j

(j-1)-j

j

……

…….

……

n

(n-1)-n

n

…… ……

j

dj

aj

…… ……

n

……

dn

……
an

Dựa vào bảng thông số D-H, mỗi ma trận chuyển đổi thuần nhất Ai
được trình bày như là tích của 4 chuyển đổi cơ bản sử dụng thông số của khâu
i và khớp nối
(i-1 và i).
Ai  Rot ( z,i )Trans( z, di ) Rot ( x, ai )

(1.1)

Ở đây ký hiệu Rot (z, i) viết tắt quay quanh trục xi một góc i .Trans(x,ai) là dịch chuyển theo trục xi một khoảng ai. Giải thích tương tự kí
hiệu Rot(x,ai) và

c i  s i
s
c i
Ai    i
0
0

0
0
Trans( z, di )

0 0  1
0 0 0
1 0  0

0 1  0

0 0 0  1
1 0 0 0
0 1 0  0

0 0 1  0

0 0 ai  1 0

0
1 0 0  0 cai  sai
0 1 0  0 sai cai

0 0 1  0 0
0

0
0 
0

1


14

c i  s i cai s i sai ai c i 
s
c i cai c i sai ai sai 
i

Ai 
0
sai
cai
di 


0
0

1 
0
(1.2)
Đối với một khâu theo một khớp quay thì I, di, ai là hằng số. Như vậy,
ma trận Ai của khớp quay i.
1.5.2. Tính toán ma trận mô tả quan hệ khâu i đối với hệ tọa độ gốc 0Ti
Như ta đã trình bày trong mục 1.5.1 ma trận Ai mô tả vị trí và hướng
của khâu thứ i so với khaia thứ i-1. Như vậy, tích của các ma trận Ai là ma
trận 0Ti mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với phần đế cố định.
0T
i

= Ti = A1 A2….. Ai

(1.3)

Nếu một robot có n khâu có ma trân T của khâu chấp hành cuối :
Tn = A1 A2….. Ai

(1.4)

Tn mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ
tọa độ gốc, có kích thước 4x4, có thể biểu diễn như sau:

Ma trận R có kích thước 3x3, là ma trận biểu diễn hướng của khâu chấp
hành cuối .


15

Vectơ 𝑝⃗ có kích thước 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của gốc
tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ gốc.
1.6. Động lực học 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 hai nhiệm vụ sau đây:
- Xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động.
Khi đó quy luật biến đổi của biến khớp qi(t) coi như đã biết. 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 vững, đảm bảo độ tin cậy của robot.
- Xác định các sai số động tức là sai lệch so với quy luật chuyển động
theo chương trình. Lúc này, cần khảo sát phương trình chuyển động của robot
có 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 khâu khớp của robot, với các nguồn lực và
kênh điều khiển 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 đền 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.
Xét khâu thứ i của robot có n khâu
1.6.1. Hàm Lagrange
Một điểm trên khâu thứ i được mô tả trong hệ tọa độ cơ bản là:


16

r  Ti i ; i  1  n

(1.5)

Tốc độ của vi khối lượng dm được tính bởi công thức:

d r d i  i Ti  i
r
 Ti r   
q r
 j 1 q j 
dt dt
j



(1.6)

Khi tính bình phương của vận tốc này ta có:

rr   r 2 ( xo , y0 , z0 )  Tr (rr T )

(1.7)

Hình 1.8. Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm
Với

 a11

Tr 
a
 m1

a1n  n

aii

i 1
amn 

Do vậy

 i i Ti i i T TiT

 d i d Ti T 
r  Tr  rr   Tr  Ti r Ti r   Tr 
rr
q j qk  (1.8)
dt
qk
 dt

 j 1 k 1 q j

2

T

Động năng của vi khối lượng dm đặt tại vị trí ir trên khâu thứ i.


17


1 2
1  i i Ti i i T Ti T
dK i  r dm  Tr  
r r
q j qk  dm
2
2  j 1 k 1 q j
qk


(1.9)

T

1  i i Ti i
i T Ti
 Tr  
( rdm r )
q j qk 
2  j 1 k 1 q j
qk


Động năng của khâu thứ i sẽ là:

Ki 



dK 

Khaui

 i i T
1
i
Tr  
2
 j 1 k 1 q j


  i rdm i r T
 Khau i



 Ti T
q j qk 

 qk



 i i Ti

1
Ti T
 Tr  

Ji
q j qk 
2
qk
 j 1 k 1 q j

(1.10)
Với Ji là ma trận quán tính được tính:

ji 



i

rdmi r T

Khaui

Động năng của robot có n khâu được tính:
n

K   Ki (1.11)
i 1

Thế năng của robot có n khâu được tính:

Pi  mi gri  mi gTi i ri

(1.12)

Trong đó vectơ gia tốc trọng trường được biểu diễn dưới dạng:

g   g x

gy

gz

0  0 9,8 0 0
T

T

Thế năng của robot có n khâu được tính:
n

P   Pi
i 1

(1.13)