Điều khiển robot scara bằng phương pháp điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

NGUYỄN THÀNH NHẪN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện tư
Mã số ngành: 60 52 01 14


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

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

NGUYỄN THÀNH NHẪN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT PHƯƠNG PHÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện tư
Mã số ngành: 60 52 01 14

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

TP. HỒ CHÍ MINH, 29 tháng 3 năm 2014


TP. HỒ CHÍ MINH, 29 tháng 3 năm 2014


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
Ngày 10 tháng 5 năm 2014
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
1. TS. Nguyễn Thanh Phương

Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Võ Hoàng Duy

Phản biện 1

3. PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến

Phản biện 2

4. TS. Nguyễn Hùng

Ủy viên

5. TS. Võ Đình Tùng

Ủy viên, Thư ký Hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
chuyên ngành

Quản lý


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 29 tháng 3 năm 2014

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN

Giới tính:

Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử

Nơi sinh: TP. HCM
MSHV: 1241840018

I- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRƯỢT
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt.
Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot

-

SCARA
Mô phỏng kết quả điều khiển đối tượng trên Matlab-Simulink
Kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm điều khiển đối tượng
thực

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Cán bộ hướng dẫn khoa học

TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

Quản lý chuyên ngành


TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT
SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” là công trình
nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Viễn Quốc.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn
này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ
nguồn gốc Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn
trích dẫn và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Thành Nhẫn


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến sĩ Nguyễn
Viễn Quốc, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ,
dành nhiều thời gian trao đổi và định hướng cho tôi trong quá trình
thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ
Nguyễn Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng

quản lý khóa học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Công Nghệ
Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
học tập tại Trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn, các bạn học viên lớp 12SCĐ11
Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình
giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm giúp tôi hoàn thành luận án.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm
2014
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Thành Nhẫn


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay Robot đã được ứng dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp.
Robot SCARA đã được các nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng trong
một số lĩnh vực. Luận án này giới thiệu Robot SCARA với một bộ điều khiển
PID có cấu trúc thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi và
mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA bám theo góc
đặt. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ
thống được thiết lập dưới dạng toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi
của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần
mềm Matlab, và hoạt động của mô hình thực nghiệm.
Luận văn này tập trung chủ yếu tính toán bộ điều khiển và xây dựng mô hình
thực nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng
bao gồm : Cơ cấu truyền động của tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử
dụng vi điều khiển TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển
động cơ. Bộ điều khiển được phỏng trên phần mềm MATLAP được dịch bằng
phần mềm CCS_v4 nạp trực tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông
qua Card giao tiếp DSP C2000, điều khiển chuyển động tay máy và bám theo

quỹ đạo đặt của robot.
Thông qua luận văn này, tôi cũng hy vọng sẽ cung cấp một mô hình thực
nghiệm hệ robot SCARA với bộ điều khiển PID trượt và một số kiến thức hữu
ích cho các kỹ sư, sinh viên .v.v… đang học tập và nghiên cứu về hệ thống robot.


ABSTRACTS
Currently the robot has been popular applications in industrial production.
SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some
fields. This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines
structural changes between the controller and the changing structure PID sliding
surface to control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle.
Conditions existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global
system is set up in the form of a quadratic Lyapunov function. The feasibility of
the controller is verified through simulation results on Matlab software, and
operation of experimental models.
This thesis focuses primarily calculate the controller and built empirical
models SCARA robot actual experiments included construction hardware
including: actuators of the manipulator; C2000 DSP Card interface using microTMS320F28335 control, power circuits, power circuits motor control. The
controller is adapted on MATLAP software CCSV4 translated by software
loaded directly into TMS320F28335 microcontroller via C2000 DSP Card
communication, motion control and robotics followed the trajectory of the robot
set.


MỤC LỤC

Tên đề mục

Trang

Lời cam đoan .....................................................................................................i
Lời cảm ơn .......................................................................................................ii
Tóm tắt luận văn ..............................................................................................iii
Mục lục ...........................................................................................................iv
Danh mục các bảng biểu .................................................................................vii
Danh mục các sơ đồ, hình ảnh........................................................................viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................1
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT...............................................................4
2.1.Cấu trúc tổng quan của một Robot..........................................................4
2.2.Các Hệ Thống Điều Khiển Robot............................................................7
2.3.Các Phương Thức Điều Khiển Robot......................................................7
2.3.1. Điều khiển theo quỹ đạo đặt......................................................8
2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn............................8
2.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback).............................................8
2.4..1.3. Điều khiển kiểu robot thông minh....................................8
2.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính......................................8
2.3.3. Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến.......................................9
2.4.Phương Pháp Điều Khiển Robot..............................................................9
2.4.1. Điều khiển trượt...........................................................................9


2.4.2. Thiết kế một bộ điều khiển kiểu trượt....................................10
2.4.3. Lý thuyết ổn định của Lyapunov áp dụng cho điều khiển phi
tuyến hệ Robot.................................................................................12
2.5. Tiêu Chuẩn Lyapunov...........................................................................13
2.6.Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho Robot N Bậc Tự Do..................13
2.6.1 .Cơ sở toán học:........................................................................14
2.6.1.1. Các giả thuyết........................................................................14
2.6.1.2. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt.................................15

2.7.Nhận xét...................................................................................................18
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TAY MÁY SCARA..............20
3.1 Giới Thiệu Về Robot Scara.....................................................................20
3.2Mô Hình Động Học Của Tay Máy...........................................................21

3.2.1. Mô hình động học thuận.............................................................21
3.2.2.Mô hình động học ngược.............................................................21
3.3Mô Hình Động Lực Học Của Tay Máy...................................................22

.................................................................................................................

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN..............................................26
4.1 Bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi với mặt trượt PID..................26
4.2Điều kiện trượt..........................................................................................28
4.3Ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống.................................................31
4.4Sơ đồ khối của hệ thống...........................................................................39

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................40
5.1

Thông số mô hình và chương trình mô phỏng.................................40


5.2

Kết quả mô phỏng..............................................................................43

CHƯƠNG 6 : MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM...............................................48
6.1

Bộ điều khiển......................................................................................48

6.2

Mô hình tay máy................................................................................48

6.3 Kết quả thực nghiệm...............................................................................49
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....51
7.1 Kết luận.....................................................................................................51
7.2 Hướng phát triển của đề tài.......................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................52


DANH SÁCH CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Trang

Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot...............................................5

Bảng 5.1: Thông số tay máy....................................................................40
Bảng 5.2: Thông số bộ điều khiển...........................................................41


DANH MỤC CÁC LƯU ĐỒ, HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1: SCARA robot của hãng EPSON.......................................................1
Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản.......................................................................5
Hình 2.2: Không gian làm việc của robot..........................................................6
Hình 2.3: Sơ đồ khối của Robot........................................................................6
Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot....................................................7
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý điều khiển kiểu trượt............................................12

Hình 2.6: Minh hoạ khái niệm ổn định Lyapunov...........................................13
Hình 3.1: Mô hình tay máy Scara....................................................................20
Hình 3.2: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy.............................................21
Hình 3.3: Tay máy SCARA trong hệ tọa độ 0xy.............................................22
Hình 4.1:Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tay máy....................................39
Hình 5.1 Mô hình simulink của tay máy.........................................................41
Hình 5.2 Chương trình mô phỏng của tay máy...............................................42
Hình 5.3 Góc đặt và góc quay của khớp 1.......................................................43
Hình 5.4: Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 1....................................44
Hình 5.5: Góc đặt/goc quay của khớp 2..........................................................44
Hình 5.6 Sai số giữa góc đặt và góc quay của khớp 2.....................................45
Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển 1.......................................................................45
Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển 2.......................................................................45
Hình 5.9: Mặt trượt 1......................................................................................46
Hình 5.10: Mặt trượt 2....................................................................................47
Hình 5.11. Quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo quay được.................................47
Hình 6.1 sơ đồ khối điều khiển mô hình Scara................................................48
Hình 6.2 Mô hình thực nghiệm tay máy Scara................................................48
Hình 6.3 Chương trình mô phỏng bộ điều khiển SCARA sử dụng DSP Card
C2000F28335..................................................................................................49


Hình 6.4: Kết quả mô phỏng quỷ đạo SCARA trên MatLap...................................49
Hình 6.5: kết quả quỷ đạo SCARA trên mô hình thực...............................................50

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc
nghiên cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất

có một ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như
hiện nay. Việc tự động hoá quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ
làm tăng khả năng mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản
phẩm và đặc biệt là có thể làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh
tranh. Ngoài ra Robot công nghiệp còn có một tính năng quan trọng khác là nó
có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể
tham gia vào được như: môi trường nhiều khói bụi, môi trường độc hại của
hoá chất, môi trường nhiệt độ cao ...
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về robot và cũng đã
có rất nhiều robot được chế tạo và ứng dụng vào quá trình sản xuất như các
robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, các robot lắp ráp linh kiện trong dây
chuyền sản xuất board mạch, Robot lắp máy, Robot đào đường hầm, robot cấp
phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, Robot quay camera trong các sân
vận động ... Tuy nhiên, ở Việt Nam thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở
giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở mức độ chế thử, chỉ một số ít được
chuyển giao vào quá trình sản xuất. Các robot này chưa có tính thích ứng với
môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo một chương trình định trước.


Hình 1.1: SCARA robot của hang EPSON.
Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot
hiện vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất
nhiều.
1.2 Cơ sở chọn đề tài
Tay máy là một đối tượng có độ phi tuyến rất cao do đó việc thiết kế bộ
điều khiển cho đối tượng này là khá phức tạp. Như đã biết, điều khiển với cấu
trúc thay đổi (sliding mode control) là phương pháp hữu hiệu để điều khiển
cho các đối tượng phi tuyến bởi luật điều khiển hồi tiếp phi tuyến [1] – [4].
Điều khiển với cấu trúc thay đổi là một kỹ thuật điều khiển rất mạnh, và bền
vững. Trong những năm gần đây, hệ thống điều khiển với cấu trúc thay đổi đã

được ứng dụng rộng rãi để ổn định hoá cho chuyển động của robot. Có rất
nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển có cấu trúc thay đổi, có thể kể đến như: Bộ
điều khiển trượt trong hệ liên tục trình bày trong [8,9], bộ điều khiển trượt
được đưa ra trong [10] để điều khiển cho tay máy, …
Với mục tiêu đưa ra một phương pháp điều khiển khã thi, ổn định, có
khả năng ứng dụng cao vào sản xuất công nghiệp, luận án này giới thiệu một
bộ điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp giữa bộ điều khiển có cấu trúc
thay đổi và mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay của tay máy SCARA
bám theo góc đặt. hàm trượt có dạng phương trình của bộ điều khiển PID. Và
hàm trượt này được gọi là hàm trượt kiểu PID. Giải thuật này loại bỏ được


hiện tượng dao động khi biên độ của luật điều khiển trượt tăng. Và giải thuật
được áp dụng để điều khiển đối tượng phi tuyến-hệ tay máy SCARA 02 bậc tự
do. Điều kiện tồn tại của mặt trượt và tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ
thống được thiết lập dưới dạng toàn phương của hàm Lyapunov. Tính khả thi
của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần
mềm Matlab và mô hình thực nghiệm.
Luận án được chia làm 07 chương với nội dung như sau:
+ Chương 1: Tổng quan
Nội dung của chương này trình bày lý do chọn đề tài và tổng quan về hệ thống
tay máy và ứng dụng của nó trong công nghiệp đồng thời giới thiệu sơ lược về
bộ điều khiển được thiết kế trong luận án.
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Nội dung chương này trình bày tổng quát cơ sở lý thuyết Robot, hệ thống và
phương thức điều khiển 01 Robot.
+ Chương 3: Mô hình toán của tay máy SCARA
Nội dung chương này giới thiệu về mô hình động học thuận, ngược và mô
hình động lực học của tay máy.
+ Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển

Nội dung chương này trình bày về bộ điều khiển PID trượt kết hợp với mặt
trượt PID, điều kiện tồn tại mặt trượt và điều kiện ổn định của hệ thống.
+ Chương 5: Kết quả mô phỏng
Nội dung chương này trình bày kết quả mô phỏng hệ thống tay máy SCARA
bằng phần mềm Matlap với bộ điều khiển trượt PID được thiết kế trong luận
án.
+ Chương 6: Xây dựng mô hình thực nghiệm


Nội dung chương này xây dựng mô hình thực nghiệm tay máy Scara với bộ
điều khiển PID trượt.
+ Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cấu trúc tổng quan của một Robot :
Các Robot công nghiệp ngày nay thường được cấu thành bởi các hệ thống sau:
Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra
các chuyển động cơ bản, gồm:
. Bệ (thân) - Base
. Khớp - thanh nối: joint- link
. Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt.
. Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hoàn thành các thao tác trên
đối tượng.
Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của cơ cấu chấp hành là động cơ.
Hệ thống cảm biến gồm các sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các Rôbốt cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản
thân các cơ cấu của Rôbốt.

Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển
hoạt động của Rôbốt, có thể chia ra thành 2 hệ thống:
. Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo) .
. Hệ thống điều khiển lực.
Cấu trúc vật lý cơ bản của một robot bao gồm thân, cánh tay và cổ tay. Thân
được nối với đế và tổ hợp cánh tay thì được nối với thân. Cuối cánh tay là cổ
tay được chuyển động tự do.
Về mặt cơ khí, Rôbốt có đặc điểm chung về kết cấu gồm nhiều khâu, được nối
với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến
phần công tác. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay
máy kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trị, tọa độ cầu…
Trong robot thì thân và cánh tay có tác dụng định vị trí còn cổ tay có tác dụng
định hướng cho end effector. Cổ tay gồm nhiều phần tử giúp cho nó có thể


linh động xoay theo các hướng khác nhau và cho phép Rôbốt định vị đa dạng
các vị trí. Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của tay máy như:
cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động
bao gồm chuyển động quay, chuyển động tịnh tiến…
Sự chuyển động của Robot bao gồm chuyển động của thân và cánh tay,
chuyển động của cổ tay. Những khớp kết nối chuyển động theo 2 dạng trên gọi
là bậc tự do. Ngày nay robot được trang bị từ 4 đến 6 bậc tự do.
Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng không gian mà cổ tay có thể di chuyển
tới mà người ta chia robot thành bốn hình dạng cơ bản sau :


Robot cực

(H 1.1.a) .



Robot Decac

(H 1.1.b) .



Robot trụ

(H 1.1.c).



Robot tay khớp

(H 1.1.d) .

a

b

c

d

Hình 2.1: Phân loại robot cơ bản .
Các khớp được sử dụng trong robot là khớp L, R, T, V (khớp tuyến tính, khớp
quay, khớp cổ tay quay và khớp vuông). Cổ tay có thể có đến 3 bậc tự do.
Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot

Loại

Tên

L

Tuyến tính

R

Quay

T

Cổ tay quay

V

Vuông

Minh họa
Output link
Input link
Output link

Input link

Output link

Input link
Output link
Input link


Các khớp có thể chuyển động được chính là nhờ được cung cấp năng lượng
bởi các thiết bị truyền động. Các robot hiện nay thường dùng một trong ba
phương pháp truyền động sau đây :


Truyền động thuỷ lực .



Truyền động khí nén.



Truyền động điện .

Không gian làm việc của một robot phụ thuộc vào hình dạng và kết cấu cơ khí
của tay máy robot. Robot có 3 hình dạng cơ bản của không gian làm việc là
dạng cầu, dạng trụ và dạng khối hộp (lập phương hoặc chữ nhật) Cartesian.
Hình dưới mô tả hình dạng của không gian làm việc của robot :

(a)

(c)

(b)

Hình 2.2: Không gian làm việc của Robot

A

Máy tính

Chế độ dạy
học

Ghi dữ
liệu

B

Động học
thuận

Lưu giữ kết
quả

Động học
ngược

Mặt phẳng quỹ
đạo

D
Khóa
chuyển mạch

C : Sai số vị trí
Bộ
điều khiển

Chạy

Nguồn động lực

Cơ cấu
chấp hành

Servo

Vị trí

Hình 2.3: Sơ đồ khối của Robot

vật lý


Trong đó :
 Khối A: là khối thu thập và chuyển giao dữ liệu đầu vào.
 Khối B: là khối não bộ của robot gồm các cụm vi xử lý, giải quyết
các vấn đề về:
- Thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở bộ thông tin
đầu vào (s , hs). (cụm Động học thuận).
- Lưu trữ và chuyển giao các kết quả của quá trình giải bài toán
động học thuận. (Cụm Cartesian Point Storage).
- Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm hình học để hoàn thành toàn

bộ quỹ đạo chuyển động cần có. (cụm Mặt phẳng quỹ đạo).
- Giải các bài toán động học ngược để tìm ra các thông số điều
khiển (còn gọi là bộ dữ liệu điều khiển) - (Cụm Động học ngược).
 Khối C: là khối điều khiển.
 Khối D: là khối cơ cấu chấp hành. Nó bao gồm nguồn động lực
(Motor Dynamics), các cơ cấu chấp hành (Robot Dynamics) và các
bộ cảm nhận vật lý trên chúng (Cụm vị trí vật lý).
2.2. CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT:
Hệ thống điều khiển của robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện
để thực hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của quá trình công
nghệ. Hệ thống Điều khiển Robot có thể chia ra:
- Điều khiển vị trí (quỹ đạo) - điều khiển thô.
- Điều khiển lực - điều khiển tinh.
Tùy theo khả năng thực hiện các chuyển động theo từng bậc tự do mà
phân ra các hệ thống điều khiển dưới đây:
- Điều khiển chu tuyến: chuyển động được thực hiện theo một đường liên tục.
- Điều khiển vị trí: đảm bảo cho robot dịch chuyển bám theo một quỹ đạo
đặt trước.
Sơ đồ khối mô tả:
Quỹ đạo đặt

Bộ điều

Tín hiệu
điều khiển

Robot

khiển
Phản hồi

Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot

Quỹ đạo thực


Điều khiển chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và cuối của
mỗi bậc tự do.
2.3. CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU KHIỂN:
Điều khiển theo quỹ đạo đặt (3 phương thức điều khiển):


Điều khiển Robot theo chuỗi các điểm giới hạn.



Điều khiển lặp lại ( playback ):





Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP).



Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC.

Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thông minh).

Điều khiển dựa vào tính chất của đối tượng điều khiển là tuyến tính hay phi

tuyến.
2.3.1. Điều khiển theo quỹ đạo đặt:
2.3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn:
Là phương thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và
các điểm dừng cơ khí. Chuyển động của các khớp nối được bắt đầu và kết thúc
khi gặp các công tắc giới hạn hoặc các điểm dừng cơ khí này.
Việc thiết lập các điểm dừng và các công tắc giới hạn tương đương với
việc lập chương trình cho robot, mỗi một công tắc được coi như một phần tử
nhớ. Phương pháp điều khiển này thường được dùng trong các loại robot đơn
giản.
2.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback):
Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo
chuyển động của robot là theo một quỹ đạo đã được tính toán và xác định từ
trước thông qua một chuỗi các vị trí xác định. Các vị trí này đã được ghi vào
bộ nhớ của robot và robot phải tự tính toán điều khiển để đạt tới các vị trí
mong muốn này theo các điều kiện tối ưu có thể. Robot điều khiển playback
được chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển: Điều khiển kiểu
điểm- điểm. (PTP), Phương pháp điều khiển quỹ đạo liên tục (PCC - Path
Continuos Control).
2.3.1.3. Điều khiển kiểu robot thông minh:
Ứng dụng để điều khiển cho những robot ngoài việc có thể thực hiện
được chương trình đặt trước, nó còn có khả năng tùy biến thực hiện các hành
động phù hợp với các cảm nhận từ môi trường. Robot thông minh có thể thay
đổi chương trình phù hợp với điều kiện làm việc của môi trường nhận được từ
các sensor (quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường, âm thanh, tần số…) sử dụng


logic mờ và mạng nơron. Robot loại này có khả năng giao tiếp với con người
hoặc với hệ thống máy tính chung để có thể đưa ra các xử lý thông minh. Hiện
nay trên thế giới đã xuất hiện các robot thông minh có thể hiểu được các lệnh

đơn giản của con người, có thể giao tiếp, giúp đỡ để thực hiện các công việc
phức tạp trong nhà máy.
2.3.2. Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính:
Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một
hệ thống, thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn
đến cho phép mô tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử
dụng nguyên lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta còn có thể dễ dàng tách riêng
các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những
công cụ toán học chặt chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả.
2.3.3. Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến:
Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính
động học phi tuyến (đặc biệt là robot là đối tượng có tính phi tuyến mạnh - có
thể thấy rất rõ ngay trong hệ thống điều khiển Robot luận văn này sẽ trình
bày), tức là không thoả mãn nguyên lý xếp chồng; và không phải đối tượng
nào, hệ thống nào cũng có thể mô tả được bằng một mô hình tuyến tính, cũng
như không phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mô
hình tuyến tính được thoả mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ có
thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này
bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính toán động học của đối tượng,
tổng hợp hệ thống bằng những công cụ toán học phi tuyến.
Để nghiên cứu và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quỹ đạo
Robot, chương này sẽ tổng hợp và nêu lên một số phương pháp điều khiển các
hệ phi tuyến như đã được trình bày chi tiết trong [8], [10] và [11] và ứng dụng
có hiệu quả vào hệ thống điều khiển Robot. Sau đây là một số phương pháp
điều khiển ổn định hệ thống phi tuyến:
 Phương pháp tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc
 Điều khiển tuyến tính hình thức
 Điều khiển bù phi truyến
2.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT:
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển

Robot đã được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ
yếu là:
- Điều khiển động lực học ngược.
- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.


- Các hệ thống điều khiển thích nghi.
+ Điều khiển thích nghi theo sai lệch.
+ Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC)
+ Điều khiển động lực học ngược thích nghi.
+ Điều khiển trượt
2.4.1. Điều khiển trượt:
Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển tiếp cận rất mạnh mẽ để điều
khiển các hệ thống phi tuyến và bất định. Đó là phương pháp điều khiển bền
vững và có thể áp dụng cho hệ bất định và có tham số bị thay đổi lớn. Với tay
máy robot khi các tham số của hệ thay đổi liên tục; lực, vị trí, mô men, mô
men quán tính… và các tác động qua lại làm cho mô hình robot trở nên phi
tuyến mạnh thì phương pháp điều khiển trượt tỏ ra có ưu thế vượt trội, cho
việc điều khiển chuyển động bền vững và bám theo quỹ đạo đặt của robot.
Điều khiển chuyển động bất biến với nhiễu loạn và sự thay đổi thông số
có thể sử dụng điều khiển ở chế độ trượt. Điều khiển kiểu trượt thuộc về lớp
các hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) với mạch
vòng hồi tiếp không liên tục. Phương pháp điều khiển kiểu trượt có đặc điểm
là tính bền vững rất cao do vậy việc thiết kế bộ điều khiển có thể được thực
hiện mà không cần biết chính xác tất cả các thông số. Chỉ một số các thông số
cơ bản hoặc miền giới hạn của chúng là đủ cho việc thiết kế một bộ điều khiển
trượt (Variable Structure Controller - VSC).
2.4.2. Thiết kế một bộ điều khiển kiểu trượt:
Gồm có hai bước:
Thứ nhất: là phải chọn một mặt trượt, trong đó sai lệch e giữa tín hiệu đặt

và tín hiệu ra có duy nhất một giá trị 0.
Thứ hai: chọn luật điều khiển tín hiệu vào sao cho hệ thống điều khiển kín
luôn được duy trì trên mặt trượt.
Ta xét một đối tượng SISO một tín hiệu vào u(t), một tín hiệu ra y(t) mô tả
bởi:

y  f ( y, y )  u

(2.1)
và được viết đưới dạng mô hình trạng thái kiểu:
 x 1  x2

 x 2  f ( x)  u

(2.2)


trong đó y = x1 và u u max . Giả sử đối tượng bị một nhiễu tức thời tác động

 x 10 0 
 0 . Bài toán đặt ra là tìm tín
x

0
 20


đưa nó ra khỏi điểm làm việc x 0 

hiệu điều khiển u(t) để đưa được đối tượng trở về điểm làm việc.

Đặt:

e(t) = x10 - x1(t)

(2.3)
và xét hàm chuyển đổi, ký hiệu bằng s(e), có dạng như sau:
s(e) = e +  e ,  > 0
(2.4)
Ta thấy, khi x1(t) = x10 thì với e(t) = x10 - x1(t) = 0 cũng sẽ có s(e) = 0, ngược lại
phương trình vi phân s(e) = 0 với điều kiện ban đầu e(0) = 0 chỉ có một
nghiệm e(t) = 0 duy nhất, do đó cũng có x20 = 0.
Bởi vậy bài toán trên trở thành bài toán tìm u(x1, x2) để đưa được s(e) về giá trị
0, hay u(x1, x2) phải được chọn sao cho khi s(e) > 0 thì có s (e)  0 để s(e) có
chiều hướng giảm và ngược lại khi s(e) < 0 thì s (e)  0 để s(e) có chiều
hướng tăng, tức là phải thoả mãn:
s(e).s (e)  0

(2.5)

Ngoài ra, để quá trình về 0 được nhanh, giá trị modul s (e) đặc trưng cho tốc
độ tăng, giảm giá trị của s(e) phải đạt được giá trị cực đại. Điều kiện (2.5)
được gọi là điều kiện trượt (sliding condition). Đường s(e) = 0 được gọi là
đường trượt (sliding line) hay đường chuyển đổi.
Thay (2.3) vào (2.5) có:

 e  e e  e   0   x 1  x 2  e  e   0

(2.6)

thay tiếp (2.2) vào (2.5) ta đi đến:

0   x2    f ( x1 , x2 )  u    e  e 

(2.7)

Từ đó suy ra:
  x2

      f ( x1 , x2 ) 
 

u 
    x2  f ( x , x ) 
1
2
  


khi

e  e  0

(2.8)
khi

e  e  0