Khảo sát phương pháp điều khiển vị trí lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ/LỰC
ÁP DỤNG CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO

BÙI ĐỨC THẮNG

HÀ NỘI - 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
........................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

KHẢO SÁT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ/LỰC
ÁP DỤNG CHO ROBOT HAI BẬC TỰ DO

BÙI ĐỨC THẮNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN PHẠM THỤC ANH

HÀ NỘI - 2009

-1-

MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, ngành Điều khiển và Tự động
hố cũng đã có những bước tiến quan trọng. Những bước tiến đó đã góp phần
khơng nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành và nâng cao chất
lượng của sản phẩm. Nói tới lĩnh vực Tự động hóa cơng nghiệp, người ta khơng thể
khơng nhắc tới Robot. Ở các nước có nền cơng nghiệp phát triển thì việc đưa Robot
vào trong quá trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người, đồng
thời khắc phục tình trạng khơng đồng đều về chất lượng sản phẩm, đã trở nên rất
phổ biến trong thời gian gần đây.
Ở nước ta, việc áp dụng Tự động hoá và trang bị Robot cho các dây chuyền
sản xuất trong các nhà máy còn khá mới mẻ nhưng bước đầu đang được ứng dụng,
phát triển. Tuy nhiên, để phát triển trong lĩnh vực Robot công nghiệp theo chiều
sâu, chúng ta cần tiếp cận theo hướng nghiên cứu các thuật tốn điều khiển thơng
minh, điều khiển nâng cao, áp dụng vào cho cánh tay Robot. Theo hướng phát triển
đó, tác giả luận văn đã quyết định lựa chọn đề tài: Khảo sát phương pháp điều
khiển vị trí/lực áp dụng cho Robot 2 bậc tự do làm đề tài cho luận văn cao học của
mình. Đề tài này đề cập đến một vấn đề rất quan trọng trong điều khiển Robot, đó
là vấn đề điều khiển chuyển động của Robot có xem xét đến tác động của môi
trường.
Nội dung của luận văn được chia làm 4 chương với nội dung cơ bản như
sau:
Chương 1- Những nét khái quát về Robot công nghiệp: Giới thiệu về lịch
sử phát triển của Robot công nghiệp, các khái niệm cơ bản trong điều khiển Robot
và những thành phần chính trong một hệ thống điều khiển Robot.
Chương 2- Tổng quan về điều khiển Robot: Trình bày, phân loại các
phương pháp điều khiển Robot thơng dụng nhất. Trên cơ sở đó, đưa ra các mơ hình
điều khiển thích hợp cho từng phương pháp.

MỞ ĐẦU


-2-

Chương 3- Điều khiển đồng thời vị trí và lực trong Robot: Đưa ra các
phương pháp điều khiển đồng thời vị trí/lực trong Robot. Phân tích ưu nhược điểm
của từng phương pháp và xây dựng thuật toán điều khiển ứng với mỗi phương pháp
được đưa ra.
Chương 4- Kết quả mô phỏng và hướng phát triển tiếp theo: Xây dựng mơ
hình toán học của Robot Planar hai bậc tự do. Tiến hành mơ phỏng với phương
pháp điều khiển lai vị trí/lực và phương pháp điều khiển lai trở kháng. Đánh giá kết
quả và đưa ra hướng phát triển tiếp theo.
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả luận văn đã cố gắng tiếp cận và giải
quyết vấn đề một cách triệt để nhất. Tuy vậy, do thời gian có hạn và trình độ chun
mơn cịn nhiều điểm chưa được hồn thiện, chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những
sai sót nhất định. Kính mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thầy cô.

MỞ ĐẦU


-3-

CHƯƠNG 1

NHỮNG NÉT KHÁI QUÁT VỀ ROBOT
CÔNG NGHIỆP

1.1 Giới thiệu về Robot công nghiệp
1.1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp

Từ khi Robot đầu tiên xuất hiện, hơn 20 năm sau ước mơ viễn tưởng của Kerel
Capek ( Zech - 1922 ) về việc tạo ra những Robot làm nhiệm vụ tạp dịch trong nhà,
đến nay đã trải qua một q trình cải tiến và hồn thiện rất nhanh chóng. Bắt đầu là
cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ xa trong
các phịng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy Minotaur I hoặc
tay máy Handyman.

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

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-4-

 Năm 1938, Harolh Roselund và Willard người Mỹ đã thiết kế ra cơ cấu phun
sơn có thể lập trình đầu tiền cho công ty DeVibiss.
 Năm 1942, Isaac Asimov xuất bản cuốn “Runaround” trong đó ơng đưa ra 3
quy tắc về Robot.
 Năm 1951, ở Pháp RayMond Goertz đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể
hoạt động từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử. Thiết kế này dựa toàn bộ
vào các mối nối cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp
bằng thép và ròng rọc). Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi
cànn sử lý các mẫu hạt nhân. Nói chung đây được coi như một bước ngoặt
trong kỹ thuật phản hồi lực.
 Năm 1954, Goerge C. Devol đã thiết kế ra một cơ cấu Robot có thể lập trình
đầu tiên và đặt tên là Universal Automation, và cũng chính là nguồn gốc tên
cơng ty sau này của ông là Unimation.

 Năm 1959, Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phịng thí nghiệm trí
tuệ nhân tạo tại MIT (Massachusetts Institute of Technology).
 Năm 1959, C.DeVol và các cộng sự cho ra đời chiếc Robot công nghiệp đầu
tiên có tên là Unimate.
 Năm 1960, Tập đồn Codec đã mua lại công ty Unimation của C.Devol và
bắt đầu phát triển hệ thống Robot Uminate. General Motors đã mua lại chiếc
Robot công nghiệp đầu tiên Unimate từ công ty Unimation và lắp đặt cho
dây chuyền sản xuất. Robot điều khiển bằng tay chính là loại đầu tiên của thế
hệ Robot Unimate.
 Năm 1964, Các phịng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo được
mở tại MIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, và
trường đại học Edinburgh.1964 hãng C&D Robotics được thành lập.
Carnegie Mellon University thành lập học viện về Robot (Robotics Institute).

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-5-

 Năm 1965, phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học
Robot – Nguồn gốc hình thành học thuyết Robot ngày nay.
 Năm 1968, SRI đã thiết kế ra Shakey, một Robot di động có khả năng quan
sát và được điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một căn phòng.
 Năm 1970, Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra
mẫu Robot Standard Arm. Mà ngày nay cơ cấu động học của nó được xem
như là cách tay Robot tiêu chuẩn.
 Năm 1973, Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại Robot cơng
nghiệp mang tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini

commercially available (designed by Richard Hohn).
 Năm 1974, Giáo sư Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford,
đã thành lập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay
Robot cho các ứng dụng công nghiệp. Loại cánh tay mới này được điều
khiển bởi một máy tính mini.
 Năm 1976, cánh tay Robot được sử dụng trên các tàu thăm dò vũ trụ Viking
1 và 2. Trong các thiết bị này công ty Vicarm đã sử dụng các vi tính máy tính
(Microcomputer).
 Năm 1977, ASEA, một công ty Robot của Châu Âu đã giới thiệu 2 loại
Robot công nghiệp chạy bằng điện. Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc
lập trình và điều khiển hoạt động.
 Năm 1978, Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất Robot
PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Ngày nay chúng
ta có thể thấy Puma vẫn có ở trong một số phịng thí nghiệm.
 Năm 1979, Sankyo và IBM đã đưa ra thị trường mẫu Robot Scara (Selective
compliant articulated Robot arm) tại trường Yamanashi của Nhật.

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-6-

Cho đến nay nhờ áp dụng có các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ
thông tin, số lượng Robot cơng nghiệp đã gia tăng, tính năng có nhiều bước tiến
vượt bậc. Do đó Robot cơng nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong cá dây truyền
sản xuất. Đã có rất nhiều chủng loại Robot với nhiều hình dáng, kích cỡ và được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của xã hội, như: công nghiệp, khoa học, y tế, an
ninh…

1.1.2 Các ứng dụng của Robot công nghiệp
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng
suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ
vào những khả năng tiên tiến của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ
dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các mơi trường làm
việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm
... Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện
các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Ban đầu là để
gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Với những công việc khó khăn ở mơi
trường khắc nghiệt như rèn kim loại nhiệt độ cao, việc đòi hỏi phải di chuyển nhiều
khắp phân xưởng thì Robot là sự lựa chọn tốt nhất.
• Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ thuật
đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém. Trong khi
Robot có thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có
thể lặp lại chính xác các động tác khó.

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-7-

Hình 1-2 Robot phun sơn

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

Hình 1-3 Robot hàn
• Ứng dụng Robot trong lắp ráp, một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý
tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương
trình gia cơng, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều
Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-8-

khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông
qua các máy CNC, các Robot tĩnh và động.

Hình 1-4 Robot lắp ráp
• Trong sản xuất lớn, Robot là những hệ thống được tự động hóa hồn tồn:
chúng đo đạc, cắt khoan các thiết bị chính xác và cịn có khả năng hiệu chỉnh
các cơng việc của mình.Chỉ cần vài người giám sát, các máy móc có thể hoạt
động liên tục, các Robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm
từ công đoạn này tới công đoạn khác, kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm
vào kho.Cánh tay Robot được trang bị đa dạng nên có thể đáp ứng linh hoạt
với nhiều công việc khác nhau.
Rõ ràng là khả năng làm việc của Robot trong một số điều kiện vượt hơn khả

năng của con người. Do đó, nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng
cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc
và độc hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt được như con
người, trong dây chuyền tự động, nếu có một Robot bị hỏng có thể làm ngừng
hoạt động của cả dây chuyền. Chính bởi thế, Robot vẫn luôn hoạt động dưới
sự giám sát của con người.

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


-9-

1.1.3 Một số định nghĩa về Robot
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Robot tùy theo tính chất cơng việc mà
Robot phải thực hiện hay tuỳ theo chức năng cụ thể của Robot. Dưới đây là một số
định nghĩa thơng dụng nhất về một Robot cơng nghiệp.
• Theo RIA-Viện nghiên cứu Robot Hoa Kì: Robot là một tay máy nhiều chức
năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật
liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua
những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hồn thành
những nhiệm vụ đa dạng.
• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ
cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp
các ch-ơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng,
di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp. . .theo những hành
trình thay đổi đã chương trình hố nhằm thực hiện các nhiệm vụ cơng nghệ
khác nhau.
• Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy tự

động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một
hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hồn thành các
chức năng vận động và điều khiển trong q trình sản xuất.
• Cịn theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một Robot
công nghiệp phải là Robot thỏa mãn năm yếu tố:
 Có khả năng thay đổi chuyển động
 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác
 Có số bậc tự do cao
 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 10 -

 Có khả năng hoạt động tương hỗ với mơi trường bên ngồi
Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên là đặc điểm điều khiển theo
chương trình, đó là nhờ những bộ vi xử lí và các vi mạch tích hợp chuyên
dùng.

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

trọng 18.5 Kg.
• Tầm với
Tầm với là khoảng cách lớn nhất mà Robot có thể vươn tới trong phạm vi
làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc và cấu trúc Robot.
• Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian là gia tăng nhỏ nhất Robot có thể thực hiện khi di
chuyển trong không gian. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điểu khiển và độ
chính xác cơ khí. Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều
khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di
chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển Robot:
Số bước di chuyển = 2n
Với n – Số bit bộ nhớ.
Ví Dụ: Một khớp tịnh tiến của Robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển
trong phạm vi 100 mm , số bước di chuyển có thể là : 4096. Độ phân giải tương ứng
là:

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 11 -

100
= 0.0244mm
4096

Độ di chuyển của Robot là tổng các dich chuyển thành phần. Do đó độ phân
giải của cả Robot là tổng các độ phân giải của từng khớp Robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu chuyển động các khớp và khâu phản hồi của

hệ thống điều khiển secvo sẽ ảnh hưởng đến độ phẩn giải. Các yếu tố làm giảm độ
chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, điều kiện bảo dưỡng Robot…Độ
chính xác cơ khí sẽ làm giảm độ phân giải.
• Độ chính xác
Độ chính xác đánh giá độ chính xác vị trí tay Robot có thể đạt được. Độ
chính xác được định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di
chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp.
Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao.
Trong thực tế, độ phân giải bị ảnh hưởng đối với một số yếu tố. Độ chính xác
sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay Robot: Phạm vi di chuyển càng
xa bệ Robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác cơ khí càng lớn. Độ
chính xác của Robot sẽ được cải thiện nếu di chuyển của Robot được giới hạn trong
phạm vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây
ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm độ chính xác di chuyển. Thơng thường độ
chính xác di chuyển của Robot cơng nghiệp đạt 0,025 mm.
• Độ lặp lại
Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi Robot di chuyển để với tới một điểm
trong nhiều lần hoạt động (Ví dụ 100 lần). Do một số yếu tố mà Robot không thể
với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm mà các điểm với của
Robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của
đường trịn đó là độ lặp lại . Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ
chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định có thể phán
đốn được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên khó có
thể khử được. Độ lặp lại cần phải được xác định bằng thực nghiệm với tải trọng và

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp

- 12 -

các hướng di chuyển khác nhau (phương thẳng đứng và phương nằm ngang…). Độ
lặp lại của các Robot cơng nghiệp thơng thường là 0,025 mm.
• Độ nhún
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay Robot đáp ứng lại lực
hoặc moment tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay Robot dịch chuyển nhiều khi
lực tác động nhỏ và ngược lại. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ
chính xác dịch chuyển khi Robot mang tải trọng. Nếu Robot mang tải trọng nặng,
trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay Robot bị dịch chuyển. Khi Robot thực
hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển
Nếu Robot được lập trình trong điều kiện khơng tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ
giảm trong điều kiện làm việc có tải.

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

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

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp

- 13 -

Hình 1-6 Các loại khớp quay

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

Hình 1-7 Cấu hình Robot dạng Đề Các
• Dạng hình trụ
Trục cơ bản là một trụ dọc, Robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục.
Bằng các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của
Robot được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 14 -

Hình 1-8 Cấu hình Robot dạng hình trụ
• Dạng hình cầu
Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả năng chuyển động
lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép Robot
mở rộng khoảng khơng gian làm việc theo hình cầu.

Hình 1-9 Cấu hình Robot dạng hình cầu
• Dạng khớp nối
Tương tự như hai cánh tay con người, nó gồm hai phần tử thẳng đứng ứng với
cánh tay và cổ tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi hai khớp tương ứng
với khớp bả vai và khớp khuỷu tay. Cổ tay được nối với cẳng tay.
Các Robot dạng này có số bậc tự do cao, vùng làm việc rất rộng, nhưng do kết
cấu phức tạp nên lập trình khó.

Chương 1

Những nét khái qt về Robot cơng nghiệp


- 15 -

Hình 1-10 Cấu hình Robot dạng khớp nối
• Cấu hình Scara

Hình 1-11 Cấu hình Scara

1.2.3 Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành là hệ thống thanh nối, khớp tạo chuyển động cho các khâu
của tay máy.Nguồn động lực là động cơ các loại : điện, thủy lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
- Cơ cấu chấp hành thủy lực :
Hệ thuỷ lực có thể đạt tới cơng suất cao, đáp ứng với những điều kiện làm việc
nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh do kết cấu bể dầu van lọc, hệ
thống dẫn ngược.
Cơ cấu chấp hành thủy lực có 2 dạng cơ bản: cơ cấu xilanh-piston sử dụng cho
các khớp tịnh tiến và cơ cấu van quay truyền động dùng cho các khớp quay. Các bộ

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 16 -

phận Robot sử dụng dầu để cung cấp năng lượng, khi đó mơmen, tốc độ khâu chấp
hành sẽ tương ứng với lưu lượng dầu cấp cho xilanh, tốc độ dịch chuyển của xilanh
và được điều khiển qua tốc độ quay động cơ.
-

Cơ cấu chấp hành khí nén:

Nguồn năng lượng cấp và truyền động cho xilanh quay hoặc trượt là dịng khí
nén áp lực cao điều khiển bằng van điện. Hệ khí nén có kết cấu gọn nhẹ hơn do
không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với một trung tâm tạo ra khí nén. Hệ
này làm việc với cơng suất trung bình và nhỏ, kém chính xác thường chỉ thích hợp
với các Robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản.
-

Động cơ điện:

Các dạng động cơ điện sử dụng trong hệ thống truyền động Robot là: động cơ
secvo một chiều, secvo xoay chiều, secvo một chiều không chổi than và động cơ
bước. Hệ thống này có nhiều ưu điểm: Sử dụng được cho mọi cỡ Robot, chất lượng
điều khiển tốt, độ chính xác cao, ảnh hưởng của mơmen qn tính tải bé do có bộ
truyền, thích hợp làm việc trong các phịng sạch sẽ do khơng có rị rỉ, độ tin cậy cao
và nhu cầu bảo dưỡng nhỏ.

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

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 17 -

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

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

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

-

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

-

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

-

Ghép nối giao diện với người sử dụng

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

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp


- 18 -

Môi trường: Đối tượng,
Nhiệt độ, Mômen...

Phần công tác

Sensor giám sát thơng
số mơi trường

Truyền động cơ khí

Sensor giám sát
trạng thái hệ thống

Cơ cấu chấp hành

Hệ thống điều khiển

Điều khiển theo
chương trình

Giao diện người,
Rơbơt

Điều khiển bằng tay

Hình 1-12 Sơ đồ khối Robot công nghiệp.

Chương 1

Những nét khái quát về Robot công nghiệp

- 19 -

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

2.1 Các phương pháp điều khiển Robot
2.1.1 Các phương pháp điều khiển chuyển động của Robot
Có rất nhiều phương pháp được dùng để điều khiển chuyển động của Robot.
Ta có thể phân ra hai bài tốn điều khiển chính: điều khiển quỹ đạo chuyển động và
điều khiển quỹ đạo, lực.
Điều khiển chuyển động Rôbôt

Điều khiển quỹ đạo chuyển
động

Không gian khớp

Điều khiển
phi tuyến trên
mơ hình

PD bù trọng
trường

Điều khiển quỹ đạo và lực

Khơng gian làm việc

PID

Jacoby
chuyển vị

Điều khiển lai

Jacoby đảo

Điều khiển trở kháng

….

Hình 2-1 Các phương pháp điều khiển Robot
Các phương pháp trên đều địi hỏi phải biết chính xác các thơng số động học,
động lực học của Robot. Điểm hạn chế của các phương pháp này là chưa thể đáp
ứng thích nghi được, tức là chúng đều cần phải có mơ hình động học cụ thể của
Robot để thực hiện. Do đó, trong thực tế, người ta còn dùng các phương pháp nâng
cao khác như:
- Điều khiển thích nghi (Theo mơ hình MRAC hoặc Lee Slotine).
- Điều khiển mờ.
- Mạng Nơron.
- Điều khiển học (Learning Control)
- ….
Chương 2

Tổng quan về điều khiển Robot


- 20 -

2.1.2 Điều khiển quỹ đạo chuyển động của Robot
Trên sơ đồ, có thể thấy điều khiển quỹ đạo chuyển động có thể thực hiện trên
khơng gian tay hoặc không gian khớp của Robot. Sau khi nhận được số liệu đầu vào
tương ứng với quỹ đạo của phần công tác hay của khớp, hệ thống điều khiển phải
điều khiển Robot chuyển động theo đúng quỹ đạo đặt ra. Tuy nhiên, khi điều khiển,
ngoài việc đảm bảo thực hiện quỹ đạo một cách chính xác, cịn phải giải quyết vấn
đề tương tác với đối tượng.
Sự lựa chọn giữa điều khiển trong không gian công tác hay trong không gian
khớp cũng là một vấn đề cần phải xem xét kỹ lưỡng. Nhiệm vụ của Robot được
thiết lập trong không gian làm việc, trong khi tác động điều khiển lại đặt vào các
khớp nên biến khớp là đối tượng điều khiển trực tiếp.
Ta hãy xem xét hai không gian điều khiển khác nhau:
a) Điều khiển trong không gian khớp
Theo phương pháp này, bài toán động học ngược sẽ được giải trước để chuyển
các thông số từ không gian làm việc sang không gian khớp. Sau đó, ta sẽ thiết kế
các luật điều khiển trên không gian khớp.
qd , qd , qd

Luật điều khiển

q, q , q
Rơbơt

q, q , q

Hình 2-2 Mơ hình điều khiển trong không gian khớp
Mạch điều khiển nhận giá trị đặt của các biến khớp và điều khiển khớp theo sát
diễn tiến thời gian của biến khớp. Mạch kiểu này đơn giản nhưng độ chính xác bị
hạn chế do chính đối tượng cần giám sát trực tiếp là phần cơng tác lại nằm ngồi
mạch điều khiển. Trong khơng gian khớp, ta có thể kể đến ba phương pháp thơng

dụng sau:

Chương 2

Tổng quan về điều khiển Robot


- 21 -

1. Điều khiển phi tuyến trên mơ hình
Luật điều khiển là:
=
τ M (q)[qd + K p (qd − q) + K d (qd − q )] + h(q, q ) + G (q )

(2-1)

Trong đó, Kp, Kd là các ma trận đối xứng, xác định dương.
Giả sử sai lệch quỹ đạo là:
=
e qd − q

(2-2)

So sánh phương trình (2-1) với phương trình động lực học tổng quát:

τ = M (q)q + h(q, q ) + G (q)
Ta thu được phương trình mơ tả sai lệch hệ thống:

e + K d e + K p e =
0

(2-3)

Phương trình vi phân bậc hai thuần nhất này sẽ cho nghiệm thỏa mãn:
lim e(t ) = 0

t →∞

Nghĩa là :

lim q = qd

t →∞

Vậy quỹ đạo khớp sẽ tiến dần đến quỹ đạo đặt.
2. Điều khiển PD có bù trọng trường
Tay máy gồm nhiều khâu, khớp và các cơ cấu liên quan. Mỗi bộ phận đều có
trọng lượng. Trong q trình làm việc, thế của các bộ phận luôn thay đổi, nên trọng
lực đặt lên chúng cũng thay đổi và không theo quy luật định trước. Nhiệm vụ của bộ
điều khiển là ổn định trạng thái của tay máy dù nó đang làm việc ở thế nào. Bộ điều
khiển phải thường xuyên giám sát trạng thái của hệ thống dưới tác dụng của trọng
trường, phát tín hiệu điều khiển thích hợp để bù lại các tác dụng đó.
Để thực hiện điều này, người ta sử dụng lý thuyết Lyapunov: trong quá trình
hệ thống tiệm tiến đến trạng thái cân bằng thì năng lượng của nó giảm dần và tại
trạng thái cân bằng, năng lượng của hệ đạt cực tiểu. Và trong trường hợp này, năng
lượng chính là thế năng của phần cơng tác.
Luật điều khiển momen là:
Chương 2

Tổng quan về điều khiển Robot

- 22 -

=
τ K p (qd − q) − K d .q + G (q )

(2-4)

Trong đó Kp, Kd chọn là các ma trận đường chéo dương.
Ma trận Kp biểu thị độ cứng của hệ thống.
Ma trận Kd chính là ma trận xác định tỉ lệ bù phi tuyến của trọng trường.
Ngun lí phương pháp thể hiện trên sơ đồ:

Kd

qd

e

+

q

Rơbơt

Kp
+

-

q

q

G (q)

Biến đổi

Hình 2-3 Sơ đồ điều khiển PD có bù trọng trường
3. Điều khiển PID
Đây là phương pháp điều khiển kinh điển với 3 thành phần điều khiển : tỉ lệ,
tích phân và vi phân.
Luật điều khiển quen thuộc:
=
τ K p (qd − q) + K d (qd − q ) + Ki ∫ (qd − q)dt

Chương 2

(2-5)

Tổng quan về điều khiển Robot


- 23 -

−q

qd

Kp

∫

Ki
+

τ

Rơbơt

+

qd

Kd

q

Hình 2-4 Sơ đồ điều khiển PID
b) Điều khiển trong không gian làm việc
Khi thực hiện điều khiển trong không gian làm việc, hệ thống nhận trực tiếp
thông số của không gian khớp làm số liệu đầu vào. Bài toán động học ngược được
giải trong mạch phản hồi, nên về lí thuyết sẽ chính xác hơn. Tuy nhiên, phương
pháp này có hai nhược điểm cơ bản: thứ nhất, hệ điều khiển phức tạp hơn; thứ hai,
hệ thống đo thường gắn lên các khớp, giám sát trực tiếp các thông số của khớp.
Muốn chuyển chúng sang không gian công tác thì phải thực hiện các phép tính động
học thuận và đó cũng là nguồn phát sinh sai số.
xd , xd , 
xd

Luật điều khiển

q, q , q
Rôbôt

-

x, x , 
x
Động học
thuận

Hình 2-5 Sơ đồ điều khiển trong khơng gian làm việc
Vì hạn chế đó mà hệ thống điều khiển trong không gian làm việc chỉ được sử
dụng hiệu quả khi có tương tác giữa tay Robot và mơi trường làm việc. Nhưng
Chương 2

Tổng quan về điều khiển Robot