Tối ưu hóa hình học và thiết kế bộ điều khiển fuzzy pid cho robot delta

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRẦN THANH HẢI TUẤN

C
C

R
L
T.

TỐI ƯU HĨA HÌNH HỌC VÀ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO ROBOT DELTA

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRẦN THANH HẢI TUẤN

C
C

TỐI ƯU HĨA HÌNH HỌC VÀ THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO ROBOT DELTA

R
L
T.

DU

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số
: 85.20.11.4

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ NHƯ THÀNH

Đà Nẵng - Năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Võ Như Thành
cùng TS. Lê Hồi Nam và TS. Nguyễn Đình Sơn. Các Thầy đã tận tình hướng dẫn và
truyền cho em những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học. Em xin gửi lời
cảm ơn tới Khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình làm luận văn này. Em xin cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè,
đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình làm luận văn. Cuối cùng,

em xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã động viên ủng hộ trong suốt quá trình làm
luận văn.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép tuy

C
C

nhiên, do thời gian có hạn nên đề tài nghiên cứu không tránh khỏi những thiếu sót, vì

R
L
T.

vậy em rất mong được sự thơng cảm và góp ý của Quý Thầy để em có thể tiếp tục nghiên
cứu và hoàn thành tốt hơn về sau.

DU

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 06 năm 2020
Tác giả luận văn

Trần Thanh Hải Tuấn


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên
cứu được trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa từng được cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cám
ơn, các thơng tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 06 năm 2020
Tác giả luận văn

C
C

Trần Thanh Hải Tuấn

DU

R
L
T.


TĨM TẮT LUẬN VĂN
TỐI ƯU HĨA HÌNH HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO
ROBOT DELTA
Học viên: Trần Thanh Hải Tuấn

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử

Mã số: 8520114

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Khóa: 39

Tóm tắt – Robot Delta đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp với nhiều
ưu điểm vượt trội như khả năng chịu tải lớn, độ cứng cao… Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu

và chi phí trong q trình thiết kế và chế tạo robot nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng
làm việc của robot như độ cứng và độ bền, việc sử dụng phương pháp tối ưu hóa hình học
trong thiết kế là một giải pháp có thể giải quyết vấn đề trên. Ngoài ra, ở Việt Nam, robot
Delta thuộc lĩnh vực nghiên cứu vẫn còn mới, vẫn chưa có nhiều bài viết phân tích sâu về
các phương pháp điều khiển áp dụng cho loại robot này. Nghiên cứu này được đề xuất
nhằm ứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học để tiết kiệm vật liệu trong quá trình chế
tạo robot cũng như thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PID cho robot. Các quy trình thiết kế lại
cánh tay trên của robot cũng như bộ điều khiển Fuzzy PID đã giới thiệu. Tác giả đã tóm tắt
các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo.

C
C

R
L
T.

Từ khóa – Robot Delta; tối ưu hóa hình học; tiết kiệm vật liệu; bộ điều khiển Fuzzy PID;
nâng cao năng suất.

DU

TOPOLOGY OPTIMIZATION AND DESIGNING FUZZY PID CONTROLLER
FOR DELTA ROBOT
Abstract – Delta robot is used more and more widely in industry with many advantages
such as fast-moving speed, great productivity, etc. With the need to reduce the material in
designing and manufacturing process but still ensure the work capacity, using topology
optimization method in design is an approach that can solve this problem. Besides,
nowadays, in Vietnam, there are a few researches in controlling Delta robot. This thesis is
proposed to apply topology optimization method for saving material in manufacturing

process as well as to design the Fuzzy PID controller for robot. The procedures to design
the upper arm of Delta robot and Fuzzy PID controller are presented. The achieved results
are summarized and perspective of the work is provided.
Key words - Robot Delta; Topology Optimization; saving material; Fuzzy PID controller;
increasing productivity.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................3
1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................. 3
1.1.1. Robot có cấu trúc song song ....................................................................3
1.1.2. So sánh robot chuỗi và robot song song ...................................................4
1.1.3. Ứng dụng của robot song song .................................................................5
1.2. Một số nghiên cứu về robot song song ở trong và ngoài nước........................9
1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................9
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước ....................................................................10
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ LẠI CÁNH TAY TRÊN CỦA ROBOT DELTA SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HÌNH HỌC .............................................................. 12
2.1. Phương pháp tối ưu hóa hình học ..................................................................12
2.1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 12
2.1.2. Thuật tốn tối ưu hóa..............................................................................13
2.1.3. Phân tích phần từ hữu hạn ......................................................................13
2.2. Phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu hóa hình học ...............................................14

C
C

R
L

T.

DU

2.3. Trình tự thiết kế lại cánh tay trên của robot Delta .........................................15
2.3.1. Phân tích lực ........................................................................................... 15
2.3.2. Q trình thực hiện tối ưu hóa trên phần mềm Solidthinking Inspire....20
2.4. Kết luận ..........................................................................................................24
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO ROBOT DELTA.....25
3.1. Tổng quan về điều khiển chuyển động .......................................................... 25
3.1.1. Giới thiệu chung .....................................................................................25
3.1.2. Bài tốn điều khiển trong khơng gian khớp ...........................................25
3.1.3. Bài tốn điều khiển trong khơng gian thao tác .......................................26
3.2. Giới thiệu về bộ điều khiển PID và Fuzzy PID .............................................26
3.3. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PID bằng phần mềm MATLAB/ Simulink và
SimMechanics .......................................................................................................28
3.3.1. Mơ hình robot Delta ...............................................................................28
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ .............................................................. 30
3.3.3. Kết quả mô phỏng ..................................................................................36
3.4. Kết luận ..........................................................................................................45
KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG ...................................................................................46


DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .............47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 48

C
C

DU

R
L
T.


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc robot song song .................................................................................3
Hình 1.2. Robot Puma [3]................................................................................................ 4
Hình 1.3. Cơ cấu song song Gough [3] ...........................................................................5
Hình 1.4. Robot Delta ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm [2] ...................................6
Hình 1.5. Cơ cấu song song Stewart [3] ..........................................................................6
Hình 1.6. Sản phẩm Persival của École Nationale d’Équitation (Pháp) [3]....................6
Hình 1.7. Bộ mơ phỏng xe đạp của Viện KAIST và sản phẩm Caren của Motek [3] ....7
Hình 1.8. Sản phẩm SuriScope [1] ..................................................................................7
Hình 1.9. Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương [19] ..................................8
Hình 1.10. Robot Stewart [3] ..........................................................................................8
Hình 1.11. Robot Delta [2] .............................................................................................. 8
Hình 2.1. Trình tự thiết kế lại chi tiết sử dụng phương pháp tối ưu hóa hình học ........15
Hình 2.2. Mơ hình động học (a) và thiết kế 3D (b) của robot Delta ............................. 16
Hình 2.3. Bản vẽ CAD chi tiết cánh tay trên của robot Delta .......................................17
Hình 2.4. Mơ hình các cánh tay robot Delta trong mặt phẳng ......................................17
Hình 2.5. Lực tác dụng lên các khâu của cánh tay số 1 ................................................18

C
C

R
L
T.

DU

Hình 2.6. Chuyển hệ tọa độ các lực tác dụng lên khâu phát động ................................ 19
Hình 2.7. Định nghĩa khơng gian thiết kế trong phần mềm ..........................................21
Hình 2.8. Định nghĩa vật liệu cho chi tiết trong phần mềm ..........................................21
Hình 2.9. Định nghĩa tải trọng cho chi tiết trong phần mềm .........................................22
Hình 2.10. Định nghĩa liên kết cho chi tiết trong phần mềm ........................................22
Hình 2.11. Định nghĩa các thông số của phần tử hữu hạn trong phần mềm .................23
Hình 2.12. Một số kết quả tối ưu hóa trong phần mềm .................................................23
Hình 2.13. Chi tiết hồn chỉnh cánh tay trên của robot Delta .......................................24
Hình 2.14. Chi tiết cánh tay trên của robot Delta sau khi được in 3D .......................... 24
Hình 3.1. Điều khiển trong khơng gian khớp ................................................................ 25
Hình 3.2. Điều khiển trong khơng gian thao tác ........................................................... 26
Hình 3.3. Cấu trúc của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ........................................27
Hình 3.4. Cấu trúc của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID mờ ..................................28
Hình 3.5. Mơ hình 3D của robot Delta sau khi đã được tối ưu hóa cánh tay trên.........28
Hình 3.6. Mơ hình SimMechanics của robot Delta .......................................................29
Hình 3.7. Cấu trúc bộ điều khiển chỉnh định tham số PID............................................30
Hình 3.8. Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ .....................................................................31


Hình 3.9. Giao diện mơ phỏng mờ ................................................................................33
Hình 3.10. Hàm liên thuộc của tín hiệu e(t) ..................................................................34
Hình 3.11. Hàm liên thuộc của tín hiệu de(t)/dt ............................................................ 34
Hình 3.12. Hàm liên thuộc của biến 𝐾𝑃 ........................................................................35
Hình 3.13. Hàm liên thuộc của biến 𝐾𝐷 ........................................................................35
Hình 3.14. Hàm liên thuộc của biến 𝛼 ..........................................................................36
Hình 3.15. Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ trong MATLAB........................................36
Hình 3.16. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay

thứ nhất của robot Delta khơng chịu tác dụng của ngoại lực ........................................37
Hình 3.17. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay
thứ hai của robot Delta khơng chịu tác dụng của ngoại lực ..........................................38
Hình 3.18. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay
thứ ba của robot Delta khơng chịu tác dụng của ngoại lực ...........................................39
Hình 3.19. Biên độ chuyển động của cơ cấu chấp hành khi không chịu tác dụng của
ngoại lực ........................................................................................................................40
Hình 3.20. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay
thứ nhất của robot Delta chịu tác dụng của ngoại lực ...................................................41
Hình 3.21. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay

C
C

R
L
T.

DU

thứ hai của robot Delta chịu tác dụng của ngoại lực .....................................................42
Hình 3.22. Đặc tính điều chỉnh PID và Fuzzy PID đối với động cơ điều khiển cánh tay
thứ ba của robot Delta chịu tác dụng của ngoại lực ......................................................43
Hình 3.23. Biên độ chuyển động của cơ cấu chấp hành khi chịu tác dụng của ngoại lực
.......................................................................................................................................44


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Hàm liên thuộc của hai biến đầu vào ............................................................ 32
Bảng 3.2. Hàm liên thuộc của ba biến đầu ra ................................................................ 32

Bảng 3.3. Luật điều khiển cho hệ số 𝐾𝑃 ........................................................................32
Bảng 3.4. Luật điều khiển cho hệ số 𝐾𝐷 ........................................................................33
Bảng 3.5. Luật điều khiển cho hệ số 𝛼 ..........................................................................33

C
C

DU

R
L
T.


DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải thích

CAD

Computer-aided design

PID

Proportional–Integral–Derivative

C
C

DU

R
L
T.


1
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, các loại robot đang ngày càng phát triển và phục vụ trực tiếp các nhu
cầu thực tiễn của con người. Robot song song ra đời nhằm khắc phục một số nhược điểm
của các loại robot cổ điển kiểu chuỗi. Đặc biệt, robot Delta là loại robot song song có
rất nhiều ưu điểm: khả năng chịu tải lớn, độ cứng vững cao, tốc độ di chuyển nhanh,
năng suất làm việc lớn…
Robot Delta được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: các dây chuyền lắp ráp,
gắp thả trong công nghiệp; y học; quân sự; trong các phịng thí nghiệm phục vụ giảng
dạy, nghiên cứu.
Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế và chế tạo robot

C
C

nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot như độ cứng và độ bền, việc
sử dụng phương pháp tối ưu hóa hình học trong thiết kế là một giải pháp có thể giải
quyết vấn đề trên.

R
L
T.

DU

Ngồi ra, với mong muốn nâng cao khả năng hoạt động của mơ hình robot Delta
tại Viện Cơ khí và Tự động hóa, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, việc thiết kế bộ
điều khiển Fuzzy PID để điều khiển chuyển động là một giải pháp khả dĩ.
Với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Tối ưu hóa hình học và thiết kế bộ
điều khiển Fuzzy PID cho robot Delta”.
Mục tiêu nghiên cứu
 Tìm hiểu cấu trúc robot Delta;
 Phân tích lực tác dụng lên cánh tay để tối ưu hóa hình học;
 Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy PID cho robot Delta.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Robot song song Delta ba bậc tự do RUU.
Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu giữa nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng:


2
 Nghiên cứu lý thuyết:
o Tổng hợp và nghiên cứu tài liệu về bài toán động học, động lực học, trường
làm việc của robot;
o Tổng hợp và nghiên cứu tài liệu về phương pháp tối ưu hóa hình học trong
thiết kế cơ khí;
o Tổng hợp và nghiên cứu tài liệu về các phương pháp điều khiển robot.
 Mô phỏng:
o Mô phỏng và thiết kế tối ưu hóa hình học cho cánh tay của robot Delta sử
dụng phần mềm Altair SolidThinking Inspire;
o Mô phỏng các kết quả đáp ứng của robot Delta sử dụng bộ điều khiển
Fuzzy PID bằng phần mềm MATLAB/Simulink và SimMechanics.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học:
o Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học trong thiết kế, góp phần cải
thiện năng suất làm việc của robot Delta;
o Sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID góp phần cải thiện độ ổn định, độ chính
xác và tăng thời gian đáp ứng của robot Delta.
 Ý nghĩa thực tiễn:
o Tạo tiền đề cho việc tiết kiệm vật liệu trong quá trình chế tạo robot;
o Phương pháp điều khiển robot bằng Fuzzy PID nhằm nâng cao hiệu quả
làm việc của robot Delta theo từng ứng dụng cụ thể;
o Góp phần tạo ra mơ hình robot song song kiểu Delta để phục vụ trong
cơng tác giảng dạy, nghiên cứu…

C
C

R
L
T.

Bố cục của luận văn

DU

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm những phần chính sau đây:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thiết kế lại cánh tay trên của robot Delta sử dụng phương pháp tối ưu
hóa hình học.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PID cho robot Delta.

3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương này sẽ trình bày tổng quan về lịch sử phát triển, ứng dụng của robot song
song nói chung và robot Delta nói riêng, các nghiên cứu trong và ngoài nước về động
học, điều khiển robot song song.
1.1. Lịch sử phát triển
1.1.1. Robot có cấu trúc song song
Do được ứng dụng rộng rãi nên robot được phát triển rất đa dạng và phong phú.
Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm 1962
[1] và ứng dụng của nó được khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ngày nay, robot
song song đã có những sự phát triển vượt bậc và có khả năng đạt được 6 bậc tự do.
Robot có cấu trúc song song thường gồm có tấm đế di động được nối với tấm đế

C
C

cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là cánh tay. Thường số cánh
tay bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên tấm đế cố định hoặc
ngay trên cánh tay.

R
L
T.

DU

Hình 1.1. Cấu trúc robot song song
Robot Delta [2] là một dạng của robot song được được sáng chế bởi Reymond
Clavel vào đầu thập niên 1980. Robot Delta bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp

quay ở tấm đế cố định. Đặc điểm thiết kế chính của nó là sử dụng hình bình hành trong
các cánh tay, giúp duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối. Robot Delta đã nhận
được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO
(WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4, 976, 582 cấp ngày
11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991).


4
1.1.2. So sánh robot chuỗi và robot song song
Robot chuỗi bao gồm các khâu cứng được liên kết bởi các khớp quay hoặc khớp
trượt. Một đầu của chuỗi này là cố định được gọi là bệ hoặc đế cố định, và đầu kia của
chuỗi được trang bị một bàn kẹp được gọi là khâu thao tác. Loại robot này được mơ
phỏng theo cánh tay của con người, có lợi thế là không gian làm việc lớn nhưng khả
năng chịu tải tương đối kém. Các cấu trúc chuỗi như vậy có xu hướng lớn và đắt tiền do
yêu cầu về độ cứng liên kết và truyền tải lực giữa các khâu. Chúng có thể được phân
loại thêm như các thao tác không gian và phẳng. Robot Puma là loại thao tác khơng gian
điển hình (Hình 1.2). Do cấu trúc nối tiếp, tải trọng của loại robot này bị giới hạn bởi
mô men xoắn dẫn động của các động cơ trong chuỗi động. Các động cơ và các khâu của
các khớp kế tiếp trở thành tải trọng của các khớp trước đó. Như vậy, tải trọng của robot
có thể chịu được là thấp và ảnh hưởng của quán tính rất lớn. Kết quả là, tốc độ và khả
năng tăng tốc của khâu thao tác có thể đạt được là tương đối thấp. Khi ta nhìn vào các
thơng số kỹ thuật của một số robot chuỗi sẽ thấy rằng nó rất lớn và nặng nhưng chỉ có
khả năng gắp những vật nhẹ [3]. Hơn nữa, các sai số về truyền động được tích lũy từng
khâu và cộng dồn đến khâu thao tác.

C
C

R
L

T.

DU

Hình 1.2. Robot Puma [3]
Robot song song có độ cứng vững cao và khả năng chịu tải từ các thiết bị truyền
động hoạt động song song để hỗ trợ tải. Độ chính xác vị trí của robot song song cao vì
các sai số được bù trung bình từ sai số của từng cánh tay do cấu trúc song song mà khơng
bị tích lũy như robot chuỗi. Trong khi các chuỗi động học tạo ra các ràng buộc và giới
hạn về không gian làm việc, các thiết kế điển hình có đặc tính quán tính thấp. Các lĩnh
vực ứng dụng robot song song bao gồm: máy CNC, máy chính xác cao, máy móc tự
động hóa trong bán dẫn và cơng nghiệp lắp ráp điện tử tốc độ và gia tốc cao. Để so sánh
giữa robot chuỗi với robot song ta có Bảng 1.1.


5
Bảng 1.1. So sánh robot chuỗi và robot song song
STT
Tính năng
1
Độ chính xác
2
Khơng gian làm việc
3
Độ cứng vững
4
Tỉ số tải/khối lượng
5
Tải trọng quán tính
6

Tốc độ làm việc
7
Độ phức tạp thiết kế/ điều khiển
1.1.3. Ứng dụng của robot song song

Robot chuỗi
Thấp hơn
Lớn hơn
Thấp hơn
Thấp hơn
Lớn hơn
Thấp hơn
Đơn giản

Robot song song
Cao hơn
Nhỏ hơn
Cao hơn
Cao hơn
Nhỏ hơn
Cao hơn
Phức tạp

Robot song song đã được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Một số ứng dụng cụ
thể bao gồm:
a. Ứng dụng trong cơng nghiệp

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.3. Cơ cấu song song Gough [3]
Vào năm 1949, Eric Gough đã đưa ra nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là:
“Universal Tyre-Testing machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểm tra lốp
xe cho hãng Dunlop (Hình 1.3). Thiết bị này chính thức đi vào vận hành năm 1955. Tấm
dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu dẫn động tịnh
tiến bằng các khớp cầu. Đầu còn lại của các khâu tác động được nối với bệ bằng các
khớp Cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này
vẫn sử dụng đến năm 2000. Hiện nay, thiết bị này đang được trưng bày tại viện bảo tàng
khoa học Anh.
Robot Delta (Hình 1.4) được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết
bị nâng gắp…


6

Hình 1.4. Robot Delta ứng dụng trong cơng nghệ thực phẩm [2]
b. Ứng dụng trong mô phỏng
Vào năm 1965, Stewart [4] đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị
mơ phỏng bay (Hình 1.5). Hãng École Nationale d’Équitation (Pháp) đã phát triển một
thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa (Hình 1.6).

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.5. Cơ cấu song song Stewart [3]

Hình 1.6. Sản phẩm Persival của École Nationale d’Équitation (Pháp) [3]


7
Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp (Hình 1.7).
Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho
người bệnh và khuyết tật.

Hình 1.7. Bộ mơ phỏng xe đạp của Viện KAIST và sản phẩm Caren của Motek [3]
c. Ứng dụng trong y học
Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã
dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng
trong việc giải phẫu (Hình 1.8).

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.8. Sản phẩm SuriScope [1]
Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image
Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm hỗ trợ cho các bác sĩ một
công cụ phẫu thuật xương hiệu suất cao (Hình 1.9).


8

Hình 1.9. Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương [19]
d. Các ứng dụng khác
Phịng thí nghiệm PCR tại Đại học kỹ thuật Sharif đã thiết kế, mô phỏng,
phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay

C
C

R
L
T.

bóng đèn thay cho cơng nhân. Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi
động học được bố trí các khớp là UPU (U: Khớp Cardan, P: Khớp trượt).

DU

Hình 1.10. Robot Stewart [3]

Hình 1.11. Robot Delta [2]

Một trong những cơng trình đầu tiên là của Stewart năm 1965 [4], trong đó
ơng đã giới thiệu cách sử dụng các cấu trúc song song (ngày nay thường được biết
đến với tên gọi bệ Stewart) cho việc mơ phỏng bay. Kể từ đó nhiều phiên bản của
bệ này đã được đề xuất và nghiên cứu.


9
1.2. Một số nghiên cứu về robot song song ở trong và ngoài nước
1.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước
Về mặt cơ học, robot song song là hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng. Tính tốn
động lực học là bài toán cần thiết để thiết kế và nâng cao chất lượng điều khiển của robot
song song. Các phương pháp thiết lập phương trình động lực học của hệ nhiều vật cấu
trúc mạch vòng được đề cập khá kĩ trong các tài liệu [5, 6]. Sau đó, bài tốn động học,
động lực học đươc đề cập cụ thể hơn trong các tài liệu về robot song song [4, 7].
Wittenburg [6] là một trong những người đầu tiên đề xuất việc sử dụng các khái
niệm về tách cấu trúc để giải bài tốn động lực học của hệ nhiều vật có cấu trúc mạch
vòng. Nakamura [8] và Schiehlen [9] sử dụng các khớp chủ động để tham số hóa khơng
gian cho bài tốn động lực học. Sau đó, các cơng trình khác được trình bày và phân tích
tổng qt hơn để giải bài toán động lực học các robot song song dựa trên các dạng
phương trình chuyển động khác nhau. Ví dụ như [10, 11] sử dụng phương trình
Lagrange-Euler, sử dụng nguyên lý công ảo [12-14]. Staicu và đồng nghiệp [15] đề xuất
phương pháp ma trận truy hồi (Recursive matrix method) để tính tốn động lực học cho
robot song song.

C
C

R
L
T.

DU

Abdellatif và Heimann [16] sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử để giải
bài toán động lực học ngược một robot song song cụ thể.
Một cơng trình nghiên cứu gần đây của nhóm tác giả Corves [17] đã đồng thời
tính tốn động lực học ngược robot song song Delta bằng ba phương pháp: Lagrange
dạng nhân tử, ngun lý cơng ảo, phương trình Newton – Euler sau đó giải các phương
trình bằng phương pháp số thu được kết quả tương tự nhau. Tuy nhiên, phương pháp
Lagrange dạng nhân tử có thời gian tính tốn ít nhất. Mơ hình hai chất điểm ở hai đầu
của khâu hình bình hành của robot Delta được S. B Park [18] sử dụng để thiết lập phương
trình chuyển động bằng phương pháp Lagrange dạng nhân tử và tính tốn động lực học
ngược. Nhóm tác giả Q. Zhang [19] sử dụng phần mềm ANSYS để tính tốn độ bền,
biến dạng và tần số dao động riêng của robot này và R. Kelaiaia [20] đã phân tích biến
dạng tĩnh cho việc bù biến dạng để nâng cao độ chính xác của robot này.
Một loại robot song song có tên 3-PRS được nhóm nghiên cứu của tác giả M.S.
Tsai [6, 21, 22] nghiên cứu và chế tạo. Trong đó, bài tốn động học thuận được giải
bằng phương pháp số, bài toán động lực học ngược giải bằng cách thiết lập phương pháp
Lagrange dạng nhân tử, phương pháp điều khiển dựa trên mô hình cũng được áp dụng


10
thực nghiệm vào robot thực. Dựa trên cơ sở đó, các tác giả Q. Xu và Y. Li [7, 23, 24]
phát triển thêm phương pháp điều khiển dựa trên mô hình sử dụng mạng nơron.
Nhóm tác giả Mueller đã xây dựng mơ hình một loại robot song song dư dẫn
động PKM [25-28]. Trong đó, bài tốn động lực học ngược được giải bằng phương
pháp số và mô phỏng số phương pháp điều khiển dựa trên mơ hình.
Nhóm tác giả Liu [29] tính tốn và xây dựng vùng làm việc lý tưởng của robot
Delta dựa vào các phương trình động học thuận và ngược.
Trong các tài liệu, hầu hết các nhà nghiên cứu thu được các phương trình

chuyển động bằng cách xây dựng các giả định đơn giản hóa, chẳng hạn như tách
một số khớp và kết nối với hệ thống như là một hệ thống cây với các phương trình
liên kết, và áp dụng các nguyên lý động lực học cho các hệ thống cây trong khi bỏ
qua mô men xoắn ở các khớp cắt. Phương pháp này được gọi là tách cấu trúc

C
C

(Subsystem) [3].

R
L
T.

Trong các nghiên cứu kể trên về robot song song Delta không gian, các
phương pháp được sử dụng để thiết lập phương trình chuyển động là Lagrange dạng
nhân tử, ngun lý cơng ảo, phương trình Newton – Euler, tách cấu trúc... Khi thiết

DU

lập phương trình, thanh nối giữa hai khâu dẫn và bàn máy động được mơ hình hóa
bằng thanh đồng chất hoặc bằng hai khối lượng tập chung ở hai đầu thanh. Cho đến
nay chưa có cơng trình nào so sánh, đánh giá hai loại mơ hình này.
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
Các vấn đề động học, động lực học của hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vòng được
tác giả Nguyễn Văn Khang đề cập khá kỹ trong [30-33]. Trong các tài liệu này, tác giả
đưa ra cách thức thiết lập các phương trình động lực học của hệ nhiều vật có cấu trúc
cây bằng các phương trình Lagrange loại 2. Với các robot song song tác giả sử dụng
phương pháp tách cấu trúc và phương pháp Lagrange dạng nhân tử để thiết lập phương
trình chuyển động của robot. Tác giả đã trình bày hai phương pháp số giải bài toán động

lực học ngược robot song song [4, 31, 34, 35]. Đó là phương pháp dựa trên các phương
trình Lagrange dạng nhân tử và phương pháp dựa trên các phương trình vi phân thu gọn
về các tọa độ tối thiểu. Đặc biệt phương pháp thứ hai rất thuận tiện cho bài toán điều
khiển robot. Ngồi ra, tác giả cũng đề xuất ba thuật tốn biến đổi phương trình chuyển
động của hệ nhiều vật cấu trúc mạch vịng từ dạng phương trình vi phân - đại số sang


11
phương trình vi phân thường để giải bài tốn động lực học thuận [30, 36]. Các kết quả
bài toán động học ngược và điều khiển trượt sử dụng mạng nơron robot dư dẫn động
cũng được nhóm nghiên cứu của tác giả cơng bố [30, 31].
Nhóm tác giả Nguyễn Quang Hồng đã đề nghị giải pháp ổn định hóa phương trình
liên kết của hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng dựa trên nguyên lý trượt [37], phương
pháp số giải bài toán động học ngược robot song song và chuỗi [26, 38].
Nhóm tác giả Trịnh Hồng Kiên, Phạm Huy Hồng [39] đã mô phỏng không
gian thao tác và động lực học ngược robot song song phẳng ba bậc tự do 3RRR.
Nhóm nghiên cứu của tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc [40] đã lựa chọn mơ hình,
mơ phỏng động lực học và tính tốn thiết kế để chế tạo một robot cơ cấu song song
Hexapod ứng dụng trong gia cơng cơ khí. Các máy công cụ truyền thống sau khi
thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia cơng được những chi tiết có bề mặt phức tạp mà

C
C

trước đây khơng thực hiện được.

R
L
T.

Nhóm nghiên cứu của tác giả Nguyễn Minh Thạnh [24, 41, 42] đã mơ hình
hóa và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến không gian thao tác trong q trình mơ
hình hóa, đồng thời nhóm cũng đề xuất phương pháp tối ưu hóa thiết kế của tay

DU

máy song song dùng thuật tốn di truyền.

Nhóm tác giả Lê Đức Thọ, Nguyễn Hưng Long [43] đã nghiên cứu so sánh cấu
trúc của robot song song dư dẫn động với cấu trúc của robot song song 6-RUS từ đó
đưa ra cấu trúc robot tối ưu hơn.
Nhóm tác giả Tưởng Phước Thọ [44] đã thiết kế cơ khí cho một mơ hình
robot Delta cụ thể trên cơ sở đó các tác giả đã tính tốn động học ngược để phục vụ
cho việc điều khiển robot.
Nhóm tác giả Lê Hồi Nam, Lê Xn Hồng [45] đã nghiên cứu về bài tốn động
học, động lực học và phương pháp thiết kế hình học cho robot Delta kiểu ba khớp quay
từ đó đưa ra cấu trúc tối ưu hơn.
Hiện nay có một số lượng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học robot song
song và các vấn đề này đã được giải quyết khá trọn vẹn. Tuy nhiên cịn ít nghiên cứu về
động lực và điều khiển, tối ưu hóa hình học các chi tiết robot. Đây là những vấn đề sẽ
thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian tới.


12
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ LẠI CÁNH TAY TRÊN CỦA ROBOT DELTA SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HÌNH HỌC
Chương này sẽ trình bày các vấn đề liên quan về phương pháp tối ưu hóa hình học
cũng như q trình ứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học sử dụng phần mềm Altair
Solidthinking Inspire để thiết kế lại cánh tay trên của robot Delta.
2.1. Phương pháp tối ưu hóa hình học

2.1.1. Giới thiệu
Tối ưu hóa hình học (Topology Optimisation) hay cịn gọi là tối ưu hóa tơ-pơ là
phương pháp giải quyết vấn đề phân bố vật liệu bằng cách tối ưu các cấu trúc hình học
bên trong của vật liệu. Mục tiêu của tối ưu hóa hình học là xác định phân bố của vật liệu
bằng cách tính tốn các ràng buộc về độ bền của từng phần tử vật liệu bên trong. Sau
đó, những phần tử vật liệu khơng chịu tác dụng lực hay những phần tử có ứng suất bên

C
C

trong rất bé sẽ bị loại bỏ. Phần còn lại sau khi loại bỏ những phần tử đó ta được một cấu

R
L
T.

trúc đã được tối ưu hóa hình học. Nghiên cứu đầu tiên về phương pháp tối ưu hóa hình
học được thực hiện bởi GS. Bendsoe của khoa Kỹ thuật Cơ khí và Tốn học của Trường
đại học Kỹ thuật của Đan Mạch vào năm 1988 và sau đó hai học trị của ơng là GS.

DU

Sigmund và Peterson của nhóm nghiên cứu này đã mở rộng ra nghiên cứu tối ưu hóa
hình học và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực từ năm 1998 đến nay. Hiện nay, có hai phương
pháp tiếp cận chính trong việc tối ưu hóa hình học đó là phương pháp vật liệu đẳng
hướng đồng nhất (SIMP: Solid Iso Material with Penalization) được phát triển bới GS
Bendsoe và các cộng sự của Đại học Kỹ thuật, Đan Mạch từ năm 1988 và GS.
Rozvany và các cộng sự thuộc trường Đại học Kỹ thuật và Kinh tế Budapest, Hungary
từ năm 1992. Phương pháp tiếp cận thứ hai đó là tối ưu hóa cấu trúc tiến hóa hình học
theo hai hướng (BESO: Bidirectional Evolutionary Structural Optimisation) do GS.

Querin và cộng sự thuộc trường Đại học Kỹ thuật, Vương Quốc Anh phát triển từ năm
1998 đến nay và được phát triển cho nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
Tối ưu hóa một cấu trúc hay hệ thống có thể chia ra làm ba loại:
 Tối ưu hóa kích thước: đó là việc tối ưu hóa các giá trị tham số có thể là bề
dày của kết cấu, diện tích của mặt cắt ngang của các thanh hay phân bố bề
dày của các tấm...Việc tối ưu hóa kích thước không làm thay đổi không gian
thiết kế và kết cấu bên trong mà chỉ thay đổi các kích thước của các phần


13
tử trong kết cấu đó.
 Tối ưu hóa hình dáng: đó là việc tối ưu hóa các thành phần bên trong kết
cấu, có thể chọn lựa hoặc thêm bớt hay bố trí các thành phần kết cấu bên
khơng gian thiết kế để đưa ra giải pháp tối ưu nhất.
 Tối ưu hóa hình học: đó là việc tối ưu hóa bố trí vật liệu bên trong một
khơng gian thiết kế cho trước sao cho thỏa mãn tốt nhất các điều kiện ràng
buộc về độ bền, hình học.
2.1.2. Thuật tốn tối ưu hóa
Để có thể tìm được lời giải cho bài tốn tối ưu, có nhiều phương pháp và thuật tốn
được đề xuất. Trong đó, có ba thuật tốn chính thực hiện bài tốn tối ưu hóa hình học
đó là:
 Đồng nhất hóa (Homogenization)

C
C

 Vật liệu đẳng hướng (Solid Isotropic Material with Penalization - SIMP)

R
L

T.

 Tối ưu hóa cấu trúc tiến hóa (Evolutionary Structural Optimization- ESO)
Ta có thể sử dụng nhiều thuật tốn khác nhau để tìm lời giải cho bài tốn tối ưu.
Mỗi thuật tốn có những ưu và nhược điểm khác nhau và cho ra những kết quả tương

DU

đối đối giống nhau. Tuy nhiên, tùy vào mức độ phức tạp của thuật tốn và cũng như
phương pháp lập trình trên các ngơn ngữ lập trình khác nhau mà chúng ta lựa chon thuật
toán cho phù hợp. Trong số những thuật tốn đã giới thiệu ở trên, thì thuật tốn SIMP
là thuật tốn khá đơn giản trong lập trình. Hơn nữa, thuật tốn SIMP được sử dụng và
tích hợp trong nhiều phần mềm thương mại về tối ưu hóa hình học như Abaqus, Ansys,
Altair, Autodesk... Chính vì lí do đó, tác giả lựa chọn sử dụng thuật toán SIMP trong đề
tài nghiên cứu này để thực hiện thiết kế về tối ưu hóa hình học cho chi tiết cánh tay trên
của robot Delta.
2.1.3. Phân tích phần từ hữu hạn
Tất cả các phương pháp hay thuật tốn tối ưu hóa hình học đều phụ thuộc vào kết
quả của bước phân tích phần tử hữu hạn để đánh giá sự thay đổi của ứng xử kết cấu.
Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn là một phương pháp số hóa nhằm tính toán và
dự đoán các ứng xử của một kết cấu hay một sản phẩm trong thế giới thực trước các tác
động của lực, dao động, nhiệt, dòng chảy và các tác động vật lý khác. Phân tích phần tử
hữu hạn cho thấy được liệu một sản phẩm sẽ bị phá hỏng, mài mịn và có làm việc theo


14
đúng thiết kế hay khơng.
Phân tích phần tử hữu hạn làm việc bằng cách mô phỏng một đối tượng trong thực
tế thành một số lượng lớn các phần tử như phần tử lục diện hay tứ diện... Những phần
tử này được gọi là lưới. Mỗi phần tử trong lưới này được gán với một tính chất vật liệu

và một tải trọng sẽ được áp dụng lên kết cấu gồm các lưới phần tử này. Các phần mềm
phần tử hữu hạn sẽ hỗ trợ cho việc tính tốn các ứng xử của mỗi phần tử thơng qua việc
giải các phương trình toán học liên quan với mỗi phần tử. Sau khi tính tốn ứng xử trên
mỗi, phần mềm có nhiệm vụ kết nối các kết quả này cho toàn bộ kết cấu.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả tính tốn trong phương
pháp phân tích phần tử hữu hạn đó là cách tạo lưới các phần tử. Do vậy, việc tạo lưới
không gian thiết kế sẽ ảnh hưởng nhiều đến kết quả của quá trình tối ưu hóa hình học.
Như vậy, việc tạo lưới này liên quan đến độ chính xác của kết quả tối ưu hóa và thời

C
C

gian tính tốn của q trình tối ưu hóa hình học. Đối với bài tốn tối ưu hóa 3 chiều, các
phần tử tứ diện và lục diện thường được sử dụng nhiều. Tuy nhiên, phần tử tứ diện được
lựa chọn nhiều hơn nhờ vào số lượng phần tử ít hơn và thời gian tính tốn giảm hơn.

R
L
T.

2.2. Phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu hóa hình học
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều phần mềm hỗ trợ lập trình tối ưu hóa hình

DU

học với nhiều giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng. Trong đó, phải kể đến các
phần mềm của các công ty lớn như: Altair, Dassault Système, TOSCA, Siemens, Ansys.
Trong đó phần mềm Hyperworks OptiStruct được Hyperworks cho phát hành đầu
tiên vào những năm 1994 được xem là một trong những nhà công cấp phần mềm thương
mại đầu tiên trong lĩnh vực tối ưu hóa kết cấu. Tuy nhiên, cho đến ngày nay thì phần

mềm này ít được sử dụng vì sự hạn chế của phương pháp tiếp cận khá cổ điển làm cho
người sử dụng thơng thường rất khó có thể thao tác trên đó.
Phần mềm Simula Abaqus ATOM được phát hành phiên bản 6.11 vào năm 2011
có tích hợp thêm một mơ-đun ATOM (Abaqus Topology Optimization Module) có
nhiệm vụ việc tối ưu hóa cấu trúc. Tuy nhiên, mơ-đun này khơng hỗ trợ việc thiết kế và
chuẩn bị không gian thiết kế trực tiếp trên phần mềm nên là cho người dùng có nhiều
khó khăn trong việc triển khai các tham số trên không gian thiết kế.
Phần mềm thiết kế tối ưu hóa FE Design Tosca Structure là một trong các phần
mềm đáng tin cậy về tối ưu hóa hình học. Tuy nhiên, phần mềm này dưới dạng một mô-