Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: 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

NGUYỄN THÀNH NHẪN
LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

KHÓA 2011

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số ngành: 60 52 01 14
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014


Mẫu nhãn đĩa CD-ROM:
Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn
MSHV: 1241840009
Ngành: Cơ Điện Tử
Mã ngành: 60

52 01 14

khóa 2011

Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TRƯỢT

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

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

NGUYỄN THÀNH NHẪN

ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT PHƢƠNG PHÁP

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

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

TP. HỒ CHÍ MINH, 29 tháng 3 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG 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

Quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG 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

Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử

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

TS. NGUYỄN VIỄN QUỐC

Quản lý chuyên ngành


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT
SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” là cơng trình nghiên
cứu của riêng tơi 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 thơng 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 cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Thành Nhẫn


ii

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 tơi trong q trình thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn
Thanh Phương, Thầy Cơ khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phịng quản lý khóa
học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí
Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tơi 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 tơi hồn thành luận án.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 3 năm 2014
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Thành Nhẫn

iii

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
tồn 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 mơ hình thực
nghiệm.
Luận văn này tập trung chủ yếu tính tốn bộ điều khiển và xây dựng mơ 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 mơ 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.


iv

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 micro-TMS320F28335 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.


v

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


vi

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: MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY SCARA ............. 20
3.1

Giới Thiệu Về Robot Scara............................................................... 20

3.2

Mơ Hình Động Học Của Tay Máy .................................................... 21
3.2.1. Mơ hình động học thuận............................................................. 21
3.2.2.Mơ hình động học ngược ............................................................ 21

3.3

Mơ 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

4.2

Điều kiện trượt ................................................................................... 28

4.3

Ổn định tiệm cận toàn cục của hệ thống ........................................... 31

4.4

Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................... 39

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

Thơng số mơ hình và chương trình mơ phỏng ................................. 40


vii

5.2

Kết quả mơ phỏng .............................................................................. 43

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

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

6.2

Mơ 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


viii

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


ix

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: Khơng 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: Mơ 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 Mơ hình simulink của tay máy ......................................................... 41
Hình 5.2 Chương trình mơ 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 mơ hình Scara ................................................ 48
Hình 6.2 Mơ hình thực nghiệm tay máy Scara ................................................ 48
Hình 6.3 Chương trình mơ phỏng bộ điều khiển SCARA sử dụng DSP Card

x

C2000F28335 ................................................................................................. 49
Hình 6.4: Kết quả mơ phỏng quỷ đạo SCARA trên MatLap ................................... 49
Hình 6.5: kết quả quỷ đạo SCARA trên mơ hình thực .................................... 50


1
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan
Trong q trình cơng 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 hố q 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. Ngồi ra Robot cơng nghiệp
cịn 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: mơi trường nhiều khói
bụi, mơi trường độc hại của hố chất, mơi 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 phơi trong các máy
gia cơng 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 q trình sản xuất.
Các robot này chưa có tính thích ứng với mơi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động
theo một chương trình định trước.

2

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 hố 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


3
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 tồn 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 mơ 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 cơng 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: Mơ hình tốn của tay máy SCARA
Nội dung chương này giới thiệu về mơ hình động học thuận, ngược và mơ 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 mơ 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 mơ hình thực nghiệm
Nội dung chương này xây dựng mơ hình thực nghiệm tay máy Scara với bộ điều
khiển PID trượt.
+ Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.


4

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 Rơbốt, 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, Rơbốt 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
cơng 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 cịn 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.


5

Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng khơng 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

c

b

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 vng). Cổ tay có thể có đến 3 bậc tự do.
Bảng 2.1: Các dạng cơ bản của các khớp Robot

Loại

Tên

Minh họa
Output link

L

Tuyến tính

R

Quay

T

Cổ tay quay

V

Vng

Input link
Output link
Input link
Output link
Input link
Output link
Input link


6

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 .

Khơng 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 mơ tả
hình dạng của khơng gian làm việc của robot :

(a)

(c)

(b)

Hình 2.2: Khơng 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

Trong đó : Hình 2.3: Sơ đồ khối của Robot

vật lý


7

 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 q trình giải bài tốn động
học thuận. (Cụm Cartesian Point Storage).
- Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm hình học để hồn thành tồn bộ quỹ
đạo chuyển động cần có. (cụm Mặt phẳng quỹ đạo).
- Giải các bài tốn động học ngược để tìm ra các thơng số điều khiển
(cịn 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 q trình cơng 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 mơ tả:
Quỹ đạo đặt

Bộ điều

Tín hiệu
điều khiển

Quỹ đạo thực
Robot

khiển

Phản hồi
Hình 2.4: Sơ đồ khối điều khiển vị trí Robot
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.


8





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 thơng 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 cơng 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 cơng 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 tốn và xác định từ trước
thơng 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 tốn 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 ngồi việc có thể thực hiện được
chương trình đặt trước, nó cịn có khả năng tùy biến thực hiện các hành động phù
hợp với các cảm nhận từ môi trường. Robot thơng 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 thơng 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 mơ tả hệ thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng ngun
lý xếp chồng của hệ tuyến tính, ta cịn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc
trưng cho từng chế độ làm việc để nghiên cứu với những công cụ tốn học chặt chẽ,
chính xác mà lại rất đơn giản, hiệu quả.


9

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 khơng
thoả mãn ngun lý xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có
thể mơ tả được bằng một mơ hình tuyến tính, cũng như khơng phải lúc nào những
giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống bằng mơ 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 tốn
động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những cơng cụ tốn 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 hố 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 mơ 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, mơ men, mơ men qn tính… và
các tác động qua lại làm cho mơ 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 thơng 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


10

khơng 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 khơng cần biết
chính xác tất cả các thơng 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 ln
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 mơ hình trạng thái kiểu:
 x1  x2

 x 2  f ( x)  u

(2.2)

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

 x 10  0 

  0 . Bài tốn đặt ra là tìm tín hiệu điều khiển
ra khỏi điểm làm việc x 0  
x

0
 20

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 tốn trên trở thành bài tốn 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.