Xây dựng thuật toán điều khiển trượt đồng bộ thích nghi cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HUỲNH BẢO

XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG
BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG
PHẲNG BA BẬC TỰ DO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN HUỲNH BẢO

XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO
Chuyên nghành
Mã số

: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu tự bản thân tôi thực hiện.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Học viên

Nguyễn Huỳnh Bảo


XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI
CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO
Học viên: Nguyễn Huỳnh Bảo. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự

động hóa
Mã số: 8520216

Khóa: K34. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Trong đề tài này, vấn đề phân tích động học, động lực học và thiết kế thuật tốn

điều khiển trượt đồng bộ thích cho tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR
(Revolute – Revolute – Revolute) được trình bày. Trước hết, mơ hình động học ngược và

động học thuận của tay máy robot 3-RRR được xây dựng dựa vào phương pháp hình học. Đó
là mơ hình thể hiện mối quan hệ giữa khớp chủ động và vị trí trên hệ tọa độ Descartes, góc
xoay của khâu chấp hành cuối. Các ma trận suy ra từ động học chính là các ma trận
Jacobian, và sau đó ứng dụng các ma trận này vào tìm các cấu hình kỳ dị đồng thời phục vụ
cho việc điều khiển bằng phương pháp điều khiển tính toán lực. Luận văn đưa ra ba phương
pháp điều khiển đó là điều khiển trượt truyền thống, trượt đồng bộ và điều khiển trượt đồng
bộ thích nghi. Trong luận văn nàychúng tôi đề xuất một bộ điều khiển trượt đồng bộ thích
nghi cho tay máy robot song song phẳng bằng cách sử dụng hệ thống logic mờ. Bộ điều
khiển được đề xuất dựa trên sự kết hợp của định nghĩa về điều khiển đồng bộ, điều khiển chế
độ trượt và hệ thống logic mờ tự điều chỉnh trực tuyến. Các kết quả được kiểm chứng trên
Matlab/Simulink kết hợp SolidWorks nhằm phục vụ cho việc thiết kế kích thước, quỹ đạo
chuyển động, phân tích khơng gian làm việc loại trừ các cấu hình kỳ dị, tính mơ hình động
lực học và điều khiển của tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do.
Từ khóa – Tay máy robot song song phẳng; Điều khiển trượt đồng bộ; Điều khiển
trượt đồng bộ thích nghi


DESIGN OF ADAPTIVE SYNCHRONIZED SLIDING MODE CONTROLLER FOR 3
DEGREE OF FREEDOM PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS
Abstract – In this thesis, the problems of kinematics, dynamic model and synchronous
control of 3 degree-of-freedom planar parallel robotic manipulators 3-RRR (Revolute –
Revolute – Revolute) are presented. Firstly, the inverse kinematics and forward kinematics
of the robot 3-RRR are analyzed based on geometric method. These models demonstrate the
relationship of the active joint coordinates and end-effector Cartesian coordinates, and the
angle of the end-effector. The matrices which derived from kinematic models are called
Jacobian matrices which are applied to find out singularity configurations and to calculate
the dynamic model of the robot. This dynamic model is used in computed torque control
algorithm. The thesis also introduces three control methods for the robot, they are
conventional sliding mode control algorithm, synchronized sliding mode algorithm and
adaptive synchronized sliding mode controller. In this thesis, we propose a new adaptive

synchronized sliding mode controller for planar parallel manipulators by using fuzzy logic
system. The proposed controller is based on the combination of the definition of
synchronized control, sliding mode control and online self-tuning fuzzy logic system. The
results of this thesis are verified by simulation using Matlab/Simulink combined with
SolidWorks, which are helpful for designing dimension, planning trajectory, analyzing of
singularity avoidance, modeling and designing control algorithm for the robot manipulators.
Key words – Planar parallel; robotic manipulators, Sliding mode control,
Synchronized control, Adaptive Synchronized Sliding mode controller,


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài: ............................................................................... 1
2.

Mục đích nghiên cứu: ......................................................................... 2

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 2

4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài ............................................. 3

5.

Cấu trúc của luận văn ......................................................................... 3

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT ....................................................................... 4

1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp .......................................................... 4
1.1.1. Robot công nghiệp đầu tiên – Unimate ................................................................ 4
1.1.2. Shakey..................................................................................................................... 4
1.1.3. 1992 Robot 8 chân Dante ...................................................................................... 5
1.1.4. 2000 Asimo ............................................................................................................. 5
1.2. Phân loại Robot công nghiệp: ............................................................................... 6
1.2.1. Phân loại theo kết cấu ........................................................................................... 6
1.2.2. Phân loại theo hệ thống truyền động ................................................................... 6
1.2.3. Phân loại theo ứng dụng:...................................................................................... 6
1.2.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển ............... 6
1.3. Giới thiệu về robot song song : ............................................................................... 7
1.3.1. Ứng dụng của robot song song .................................................................... 7
1.3.2. Đặc điểm của robot song song ..................................................................... 9
1.4 Mô hình robot 3RRR .............................................................................................. 10
1.4.1. Số bậc tự do của robot 3RRR ..................................................................... 10
1.4.2. Cấu trúc robot 3RRR: ................................................................................. 11
Chương 2 - MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3 - RRR .................................................................................. 12
2.1. Mô hình động học: ................................................................................................. 12
2.1.1. Mơ hình động học thuận:........................................................................... 12
2.1.2. Mơ hình động học ngược: .......................................................................... 12
2.1.3. Các ma trận Jacoban:................................................................................. 12
2.1.4. Cấu hình kì dị của Robot 3-rrr: ................................................................. 16
2.1.4.1. Cấu hình kì dị loại 1: ............................................................................... 16
2.1.4.2. Cấu hình kì dị loại 2: ............................................................................... 17


2.1.4.3. Cấu hình kì dị loại 3: ............................................................................... 18
2.1.5 Khơng gian làm việc: ................................................................................... 19
2.2. Mơ hình động lực học robot 3 - RRR: ................................................................... 22

2.2.1 Mơ hình động lực học robot song song:..................................................... 22
2.2.2 Động lực học robot 3RRR: .......................................................................... 25
Chương 3 - ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG PHẲNG........................ 29
3 – RRR .......................................................................................................................... 29
3.1. Điều khiển trượt truyền thống cho tay máy robot 3-RRR: .............................. 29
3.2. Thuật toán điều khiển trượt đồng bộ cho tay máy robot 3-RRR..................... 31
3.2.1. Sai số đồng bộ: ............................................................................................ 32
3.2.2. Sai số đồng bộ chéo: ................................................................................... 32
3.2.3. Kỹ thuật thiết kế điều khiển đồng bộ: ........................................................ 33
3.3. Đề xuất thuật toán điều khiển trượt đồng bộ thích nghi cho tay máy robot 3RRR: ............................................................................................................................... 34
3.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ

...................................................................... 36

Chương 4: - MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ .......................................... 39
4.1. Mơ phỏng phần cơ khí robot 3-RRR:.................................................................. 39
4.1.1. Xây dựng mơ hình robot 3-RRR: ............................................................... 39
4.1.2. Xây dựng thuật tốn điều khiển : .............................................................. 42
4.2. Kết quả mô phỏng và đánh giá: ........................................................................... 44
4.2.1. Thông số ban đầu: ...................................................................................... 44
4.2.2. Kết quả mô phỏng: ...................................................................................... 45
4.2.2.1. Kết quả mô phỏng bám theo quỹ đạo cho trường hợp điều khiển trượt đồng
bộ: 45
4.2.2.2. Kết quả mô phỏng bám theo quỹ đạo cho trường hợp điều khiển trượt đồng
bộ thích nghi: ................................................................................................................. 46
4.3. NHẬN XÉT: ........................................................................................................... 50


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

𝜀

Sai số đồng bộ

τ

Vecto lực tac động lên tay máy robot 3-RRR
Vecto lực tac động lên khớp chủ động tay máy robot 3-RRR
Vecto lực tac động lên khớp bị động tay máy robot 3-RRR
Vecto lực tac động lên khớp chủ động và bị động robot 3-RRR
Vecto lực tac động lên khâu chấp hành cuối tay máy robot 3-RRR
Góc xoay của khâu chấp hành cuối
Góc ban đầu thứ i của tay may robot
Ma trận Coriolis và lực hướng tâm theo góc chủ động
Ma trận Coriolis và lực hướng tâm tổng quát

e

Vecto sai lệch giữa giá trị góc mong muốn và góc thực
Sai số đồng bộ chéo
Sai lệch góc phi
Sai lệch theo trục X
Sai lệch theo trục Y
Vetor lực ma sát

I

Ma trận đơn vị

K

Động năng

L

Hàm Lagrage
Chiều dài thanh thứ i
Khối lượng tay máy l1
Khối lượng tay máy l2
Khối lượng khâu chấp hành cuối
Khối lượng tay máy l1
Mơ men qn tính của khâu l1
Mơ men quán tính của khâu l2


Mơ men qn tính của khâu chấp hành cuối
Ma trận qn tính theo góc chủ động
Ma trận qn tính tổng quát
P

Thế năng

q

Vector góc tại các khớp và khâu chấp hành cuối
Góc chủ động
Góc chủ động mong muốn
Góc bị động

W

Ma trận góc và vận tốc góc chủ động

X

Vetor tọa độ và góc xoay của khâu chấp hành cuối

CÁC CHỮ VIẾT TẮT
RRR

Revolute – Revolute - Revolute

SMC

Sliding Mode Control

FSMC

Fuzzy Sliding Mode Control


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

4.1

Bảng thông số robot 3 - RRR

44

4.2

Tổng hợp kết quả sai lệch E - RSME

49


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Engelberger – cha đẻ của robot học

4

1.2

Robot Shakey

5

1.3

Robot Dante

5

1.4

Robot Asimo

6

1.5

Robot song song theo dõi vệ tinh

8

1.6

Robot phun thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

8

1.7

Robot delta được sử dụng trong y học

9

1.8

Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR

11

2.1

Cấu hình kì dị loại 1 khi các thanh bị căng

16

2.2

Cấu hình kì dị loại 1 khi các thanh bị gập

17

2.3

Cấu hình kì dị loại 2 khi các thanh cắt nhau tại một điểm

17

2.4

Cấu hình kì dị loại 2 khi các thanh song song nhau

18

Cấu hình kì dị loại 3 khi các thanh vừa bị căng vừa cắt nhau tại
2.5

một điểm

18
19

2.7

Cấu hình kì dị loại 3 khi các thanh vừa bị căng vừa song song
nhau
Không gian làm việc robot 3rrr khi

2.8

Không gian làm việc robot 3rrr khi

20

2.9

Không gian làm việc robot 3rrr khi

21

2.10

Khơng gian làm việc robot 3rrr khi

21

2.11

Mơ hình tay máy robot 3 - RRR

22

2.12

Cấu trúc hệ hở có được của robot bằng cách cắt ảo ở các khớp bị
động

23

2.6

20


3.1

Hiện tượng rung (chattering)

30

3.2

Lớp biên

31

3.3

Sơ đồ khối chức năng điều khiển đồng bộ

32

3.4

Mơ hình thuật tốn điều khiển tính mơ men đồng bộ

34

4.1

Mơ hình khớp chủ động robot 3RRR

39

4.2

Mơ hình tay máy

của robot 3RRR

39

4.3

Mơ hình tay máy

của robot 3RRR

40

4.4

Mơ hình khâu chấp hành cuối robot 3RRR

40

4.5

Mơ hình robot 3RRR được lắp ghép hồn chỉnh

41

4.6

Mơ hình robot 3RRR trên Matlab

42

4.7

Thuật tốn điều khiển Robot 3RRR

42

4.8

Xây dựng thuật toán trên Matlab/Simulink

43

4.9

Sai số theo trục x của điều khiển trượt đồng bộ với quỹ đạo tròn

45

4.10

Sai số theo trục y của điều khiển trượt đồng bộ với quỹ đạo tròn

46

4.11

So sánh sai số theo trục X của điều khiển trượt đồng bộ thích
nghi với quỹ đạo tròn

46

4.12

So sánh sai số theo trục Y của điều khiển trượt đồng bộ thích

nghi với quỹ đạo tròn

47

4.13

So sánh sai số theo trục X của điều khiển trượt đồng bộ và trượt
đồng bộ thích nghi với quỹ đạo tròn

47

4.14

So sánh sai số theo trục Y của điều khiển trượt đồng bộ và trượt
đồng bộ thích nghi với quỹ đạo tròn

48

4.15

Kết quả điều khiển bám theo quỹ đạo tròn của các trường hợp

48


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, cùng với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, với nền
sản xuất công nghiệp hiện đại, vấn đề áp dụng tự động hóa trong q trình sản xuất

đang rất được quan tâm. Trong các nhà máy sản xuất lớn, người ta đã và đang áp dụng
các hệ sản xuất hiện đại như hệ thống sản xuất linh hoạt hay hệ thống sản xuất tích
hợp. Trong các hệ thống đó, robot công nghiệp là một trong những thành phần quan
trọng, nó góp phần làm cho việc sản xuất trở nên linh hoạt hơn, năng suất cao hơn…
Tại Việt Nam, tay máy robot đã được triển khai trong các ngành sản xuất vật liệu
xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, cơng nghiệp đóng tàu và một vài lĩnh vực khác.
Trong chiến lược phát triển công nghiệp Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn 2035,
chính phủ đã đặt mục tiêu giá trị sản phẩm công nghiệp công nghệ cao và sản phẩm
ứng dụng công nghệ cao đến năm 2025 đạt khoảng 45% tổng GDP, sau năm 2025 đạt
trên 50%. Trong đó, định hướng đến năm 2020 Việt Nam có thể nghiên cứu, thiết kế
và sản xuất robot công nghiệp. Để làm được điều này, Việt Nam cần tập trung phát
huy nghiên cứu phát triển, làm chủ công nghệ về robot - lĩnh vực trung tâm của cuộc
cách mạng công nghệ lớn.
Hiện nay, yêu cầu về độ chính xác, tốc độ và độ cứng vững trong các ứng dụng gia
cơng cơ khí chính xác cao, trong robot phẫu thuật y tế, robot giống người, trong các hệ
thống mô phỏng chuyển động,… ngày càng cao. Các yêu cầu công nghệ này không thể
đáp ứng được khi sử dụng các loại robot nối tiếp truyền thống. Nhằm đáp ứng các yêu
cầu trên, trong những năm gần đây, loại tay máy robot song song đã thu hút nhiều nhà
khoa học, nhiều tổ chức nghiên cứu. Vấn đề thiết kế, chế tạo và điều khiển các loại tay
máy robot song song trở thành vấn đề cấp thiết, có tính thời sự trong cộng đồng nghiên
cứu cũng như sản xuất robot công nghiệp trên thế giới cũng như tại Việt Nam.
Một số mơ hình và ứng dụng của tay máy robot song song được thể hiện có ưu
điểm vượt trội như có tốc độ cao, độ cứng vững lớn, độ chính xác rất cao, khả năng
chịu được tải trọng lớn và mơ-men qn tính bé hơn hẳn các loại tay máy robot nối
tiếp truyền thống. Tuy nhiên, việc điều khiển tay máy robot song song gặp nhiều khó
khăn và thách thức do mơ hình động lực học phức tạp, nhiều cấu hình kỳ dị và sự giới
hạn về không gian làm việc.
Trong các loại tay máy robot song song thì loại tay máy robot song song phẳng 3
bậc tự do 3 – RRR có những đặc thù riêng, có nhiều ứng dụng trong thực tiễn và được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trong đó, vấn đề điều khiển bám quỹ đạo có

tính thiết yếu bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, hiệu quả và khả năng hoạt
động của robot. Gần đây, Có nhiều phương pháp điều khiển Robot như phương pháp
điều khiển trượt. Phương pháp này có ưu điểm là độ chính xác cao nhưng xảy ra hiện
tượng chattering. Để giải quyết vấn đề này có nhiều phương pháp như phương pháp
lớp biên...


2
Trong luận văn này tác giả chọn phương pháp trượt đồng bộ thích nghi để hạn
chế hiện tượng chattering này. Với mục đích tìm hiểu và xây dựng thuật tốn để điều
khiển tay máy robot 3 - RRR. Tôi đã chọn đề tài “XÂY DỰNG THUẬT TOÁN
ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỒNG BỘ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO” để làm đề tài nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu:
Xây dựng mơ hình tốn học để mơ tả động học thuận, động học ngược và
phương trình động lực học tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do;
Đề xuất thuật toán điều khiển cho tay máy nhằm giảm hiện tượng chattering;
Xây dựng mơ hình và mơ phỏng robot 3 – RRR cho ra kết quả trên phần mềm
Matlab – Simulink để phân tích và đánh giá.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là tay máy Robot song song phẳng 3 bậc tự do;
Phạm vi nghiên cứu:
- Xây dựng được các phương trình tốn học mơ tả động học, động lực học của
tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do.
- Xây dựng được các phương trình phân tích cấu hình kỳ dị của tay máy robot
song song phẳng. Để từ đó thiết kế được một vùng không gian làm việc của khâu chấp
hành cuối của tay máy robot song song phẳng trong đó khơng có xảy ra cấu hình kỳ dị.
- Xây dựng thuật toán điều khiển trượt truyền thống, trượt đồng bộ, trượt đồng bộ
thích nghi cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do hiện tượng rung của tín hiệu
điều khiển, giảm nhỏ sai số quỹ đạo và bền vững với các tác động của nhiễu loạn.

- Kiểm chứng kết quả bằng cách mô phỏng trên Matlab – Simulink kết hợp
SolidWorks, chỉ thực hiện dựa vào mô phỏng trên Matlab Simulink, SolidWorks
không thực hiện với thiết bị thực tế.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết;
+ Xây dựng mơ hình tốn học mơ tả động học thuận và động học ngược của tay
máy Robot 3 – RRR. Từ kết quả trên đi tìm các ma trận Jacoban thể hiện mối quan hệ
góc chủ động và các vị trí tọa độ và góc xoay khâu chấp hành cuối để tìm ra cấu hình
kì dị và khơng gian làm việc của robot 3RRR.
+ Mơ hình hóa và mơ phỏng động lực học Lagrange để tìm ra mơ men tác động
vào khớp chủ động.
+ Dựa trên các mơ hình tốn học, nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển
trượt, trượt đồng bộ và trượt đồng bộ thích nghi để đề xuất thuật toán điều khiển tay
máy robot 3RRR nhằm đạt được các tín hiệu đầu ra bám theo các tín hiệu yêu cầu với


3
chất lượng điều khiển tốt nhất. Giảm được hiện tượng rung (chattering) do bộ điều
khiển trượt gây ra.
Sử dụng công cụ Matlab/Simulink để mô phỏng, so sánh kết quả đánh giá và rút
ra kết luận.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài
Góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển tay máy robot song song phẳng 3 bậc
tự do.
5. Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Tổng quan về Robot
Trình bày tổng các vấn đề quan về robot; về lịch sử phát triền ngành kĩ thuật
robot nói chung và robot cơng nghiệp nói riêng. Chương này cũng đề cập đến một số
các khái niệm cơ bản của robot công nghiệp.
Chương 2: Tính động học ngược, động học thuận, các cấu hình kì dị và khơng

gian làm việc của robot 3 – RRR và các ma trận Jacoban để phục vụ thiết kế mơ hình
động lực học của tay máy song song theo phương trình Lagrange.
Chương 3: Giới thiệu nguyên lý điều khiển trượt truyền thống có nhược điểm là
xuất hiện hiện tượng chattering. Với cấu trúc khép kín như robot 3RRR thì các khớp
điều hoạt động song song cùng tác động lên khâu chấp hành cuối nên sai số cũng có sự
tác động qua lại lẫn nhau. Vì vậy các khớp robot phải được điều khiển đồng bộ với
nhau để mang lại kết quả bám theo quỹ đạo chính xác cao hơn. Việc nghiên cứu hạn
chế hiện tượng chattering là định hướng để nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển
động. Ví dụ dùng phương pháp lớp biên (thay hàm dấu sign bởi hàm sat) nhưng lại có
sai lệch tĩnh. Để khắc phục ở đây ta dùng bộ điều khiển mờ - trượt để hạn chế
chattering.
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.


4
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
1.1.1. Robot công nghiệp đầu tiên – Unimate
Năm 1956, Engelberger xây dựng một công ty sản xuất robot đầu tiên có tên là
Unimation (Universal Automation) nhằm sản xuất những robot công nghiệp đầu
tiên dựa trên sáng chế của George Devol. Năm 1961, họ cho ra đời robot đầu tiên
có tên là Unimate. Với thành cơng này, Engelberger được gọi là cha đẻ của robot
học.

Hình 1.1. Engelberger – cha đẻ của robot học
Trên thực tế hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuôn ra
khỏi các máy dập khuôn và để hàn điểm trên ôtô. Đây là hai loại công việc mà công
nhân không bao giờ muốn làm. Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ trong một
trống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm được rất nhiều loại
tác vụ.

1.1.2. Shakey
Shakey là robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó, do trung tâm trí
tụệ nhân tạo của SRI (nay là viện nghiên cứu Stanford, Menlo Park, California) phát
triển từ năm 1966 cho đến năm 1972. Shakey là nền tảng và có ảnh hưởng to lớn đến
trí thơng minh nhân tạo và khoa học robot ngày nay.
Shakey có một camera vô tuyến, một máy đo khoảng cách bằng phương pháp ba
điểm, một cảm biến chấn động. Shakey được kết nối với hai máy tính DEC PDP-10 và
PDP-15 thơng qua sóng radio và sóng vơ tuyến, sử dụng các chương trình để nhận
biết, lập mơ hình thế giới xung quanh và các hoạt động. Các lệnh con bậc 1 điều khiển
các hoạt động di chuyển, quay và xác định đường đi; các lệnh bậc 2 phối hợp các lệnh
1 để thực hiện được các lệnh phức tạp hơn một cách nhanh hơn. Các lệnh bậc 3 có thể
xây dựng và điều hành kế hoạch để đạt được những mục tiêu mà người sử dụng đưa ra.
Hệ thống cũng khái quát và giữ lại các lệnh này để có thể sử dụng lại trong tương lai.


5

Hình 1.2. Robot Shakey
1.1.3. 1992 Robot 8 chân Dante
Robot 8 chân Dante thực hiện thám hiểm núi lửa Erebus ở Antarctica. Nó được
điều khiển từ Mỹ và đã thu thập được một ít dữ liệu. Tuy những khó khăn về cơ khí đã
khiến thử nghiệm này đã phải ngừng lại, nhưng những cột mốc nó đặt ra đã khuyến
khích những người đi đầu trong một kỷ nguyên mới: Robot thám hiểm những khu vực
nguy hiểm thay cho con người.

Hình 1.3. Robot Dante
1.1.4. 2000 Asimo
ASIMO là viết tắt của Advanced Step in Innovative Mobility, có nghĩa là "Bước
đột phá về khả năng di chuyển sáng tạo". Năm 2000, sau 14 năm dài nghiên cứu và thử
nghiệm, Honda đã cho ra đời Asimo - người máy thông minh và giống người thật nhất

thế giới. Asimo cao 1,2m, nặng 52 kg, có thể di chuyển với tốc độ 1,6km/giờ, có thể
biểu lộ cử chỉ giống con người như khóc, giận, khối chí, vui mừng, ngạc nhiên,...
Asimo thực sự là niềm tự hào không chỉ của riêng Honda mà của toàn nước Nhật.
Cùng với Honda, Asimo đã đi khắp nơi trên thế giới để truyền bá thông điệp cho


6
những người trẻ tuổi: Dũng cảm theo đuổi những ước mơ và không ngừng vươn tới
những đỉnh cao mới của trí tuệ con người.

Hình 1.4. Robot Asimo
1.2. Phân loại Robot công nghiệp:
Robot công nghiệp rất phong phú và đa dạng, có thể phân loại theo cách sau
1.2.1. Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu của tay máy, người ta phân thành robot kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa
độ trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc.
1.2.2. Phân loại theo hệ thống truyền động
Có các dạng truyền động phổ biến là:
Hệ thống truyền động điện: thường dùng các động cơ điện một chiều hoặc các
động cơ bước. Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn.
Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt được cơng suất cao, đáp ứng được điều kiện
làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ
phi tuyến lớn rất khó xử lý khi điều khiển.
Hệ thống truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với cơng suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác và thường chỉ thích hợp với robot hoạt động theo
chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “ nhấc lên – đặt xuống”.
1.2.3. Phân loại theo ứng dụng:
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,
robot chuyển phôi…

1.2.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển


7
Có robot điều khiển hở ( mạch điều khiển khơng có quan hệ phản hồi ), robot điều
khiển kín ( hay điều khiển servo): sử dụng mạch cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ
chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngồi ra cịn có thể có các cách phân loại khác tùy theo quan điểm và mục đích
nghiên cứu.
1.3. Giới thiệu về robot song song :
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc
vịng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động. Sơ
đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động từ khâu ra
(là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song
song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song
song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó
cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học.
1.3.1. Ứng dụng của robot song song
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu robot
cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây,
robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý
ứng dụng của robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965.
Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song.
Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
+ Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
+ Ngành Cơ khí: Máy gia cơng cơ khí chính xác, máy cơng cụ.
+ Ngành Bưu chính viễn thơng: Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
+ Ngành chế tạo ô tô: Hệ thống thử tải lốp ô tô, buồng tập lái ô tô.
+ Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên
tàu thủy, các cơng trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu ngầm. Để giữ

cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ
ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến.


8

Hình 1.5. Robot song song theo dõi vệ tinh viễn thơng

Hình 1.6. Robot phun thuốc trừ sâu trong nơng nghiệp


9

Hình 1.7. Robot delta được sử dụng trong y học
1.3.2. Đặc điểm của robot song song
Với robot song song có một số ưu điểm sau:
+ Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các
thành phần cũng nhỏ hơn.
+ Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tác động đồng
thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các
khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các
chân.
+ Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao:
với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu
chân riêng lẻ và các sai số khơng bị tích lũy.
+ Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
+ Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp
nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
+ Cung cấp khả năng di động trong q trình làm việc do có khối lượng và kích
thước nhỏ gọn.

+ Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.


10
+ Tầm hoạt động của robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết
cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, địi hỏi độ chính xác
cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp...
+ Các robot cơ cấu song song làm việc khơng cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới
mọi nơi trong mơi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và
treo trên trần, tường ...
+ Giá thành của các robot song song ứng dụng trong gia cơng cơ khí ít hơn so với
máy CNC có tính năng tương đương.
Bên cạnh những nhược điểm đó robot song song cũng có những nhược điểm sau:
+ Khoảng khơng gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp...
+ Có nhiều điểm kỳ dị trong khơng gian làm việc.
+ Thuật tốn điều khiển phức tạp.
1.4 Mơ hình robot 3RRR
1.4.1. Số bậc tự do của robot 3RRR
Vấn đề đầu tiên trong nghiên cứu động học của các cơ cấu là số bậc tự do. Số bậc
tự do của cơ cấu là thông số độc lập hoặc các thông số ngõ vào cần thiết để chuyên
biệt cấu hình của cơ cấu hoàn chỉnh. Trừ một số trường hợp đặc biệt, nói chung có thể
xác định biểu thức tơng qt về số bậc tự do của cơ cấu theo số khâu, số khớp và kiểu
khớp trong cơ cấu.
Giá trị bậc tự do của cơ cấu bằng bậc tự do liên quan với tất cả khác khâu chuyển
động trừ đi số ràng buộc của các khớp. Do đó, nếu tất cả các khâu đều không bị ràng
buộc, số bậc tự do của cơ cấu n khớp với một khớp cố định sẽ bằng λ(n-1). Và tổng
các ràng buộc của các khâu sẽ bằng jλ - ∑
tính theo phương trình:

. Nên giá trị bậc tự do của cơ cấu được

F= λ(n-j-1)+ ∑

(1.1)

Trong đó:
F : số bậc tự do của cơ cấu
λ : số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu.
n : số khâu trong cơ cấu
j : số khớp của cơ cấu
fi : số chuyển động tương đối được phép của khớp i
Vì robot 3RRR là cơ cấu phẳng nên λ=3 . Robot bao gồm 3 nhánh, mỗi nhánh có
2 khâu nối nhau bằng một khớp xoắn. Do đó cơ cấu có 8 khâu và 9 khớp xoắn λ=3
Số bậc tự do của robot là F= λ(n-j-1)+ ∑

= 3(8 – 9)+9=3

(1.2)


11
1.4.2. Cấu trúc robot 3RRR:

y

A3
𝒒𝒂𝟑

B3

C3

𝒒𝒑𝟑

𝒍𝟑

P

𝒒𝒑𝟏 𝒍𝟐

Khới chủ động

C2

Khớp bị động
𝒑

B1

C1

𝒍𝟏

B2

𝒒𝒂𝟐

𝒒𝒂𝟏

x

A1

A2

Hình 1.8. Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR
Robot bao gồm 3 khớp chủ động được đặt cố định tại đỉnh một tam giác đều
ΔA1A2A3 có cạnh là R.
Cơ cấu chấp hành là tam giác đều ΔC1C2C3, tâm P của tam giác chính là điểm thực
hiện yêu cầu chuyển động theo vị trí yêu cầu được kí hiệu Z = X= [
(
) là vị trí trên hệ tọa độ Oxy cịn góc
so với trục Ox.

] , với

là góc nghiêng của cơ cấu chấp hành

Để thực hiện được chuyển động theo yêu cầu, cơ cấu chấp hành được kết nối với
khớp chủ động thông qua hai cánh tay AB và BC có độ dài và . AB tạo với trục
] đây chính là vecto góc chủ động. Đồng thời góc tạo
Ox một góc = [
bởi AB và BC là góc khớp bị động, kí hiệu

=[

] .


12

Chương 2 - MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3 - RRR
2.1. Mơ hình động học:
2.1.1. Mơ hình động học thuận:
Để tìm động học thuận của tay máy robot song song phẳng 3-RRR, theo mơ tả
hình học như Hình 1.8 thì 3 động cơ lần lượt đặt tại các vị trí A1, A2, A3, và cơ cấu
chấp hành cuối ta có được:
[

(

)] + [

(

)] =

( 2.1 )
*

Với:

+; i=1,2,3.

Phương trình trên thể hiện mối quan hệ giữa vecto góc chủ động
và vecto tọa
độ và góc xoay của khâu chấp hành cuối P. Mơ hình động học thuận chính là mơ hình
quan hệ giữa vecto X và vecto góc chủ động .
Để điều khiển robot 3rrr bám theo quỹ đạo đặt ta cần tính tốn thêm giá trị vecto góc
bị động , cũng dựa vào mơ tả hình học ta được:

(

=π-

)

(2.2)

Với tọa độ điểm C1 được tính từ (i = 1,2,3)
=
=

(

(

-

))-

(2.3)
(2.4)

2.1.2. Mơ hình động học ngược:
Bài tốn động học ngược là thực hiện cơng việc ngược lại với động học thuận.
Yêu cầu của động học ngược là từ vị trí của tâm cơ cấu chấp hành cuối P để tính ra các
góc chủ động và góc bị động
.
Dựa vào mơ tả hình học góc chủ động
được tính là góc tạo bởi hai đoạn thẳng

nối điểm Ai đến Ci và trục x cộng với góc được tạo ra bởi đoạn thẳng nối hai vị trí Ai
đến Ci và đoạn Ai đến Bi ta được:
=

(

)+

(

√

) Với i = 1,2,3

(2.5)

2.1.3. Các ma trận Jacoban:
Các phần trên đã mô tả đầy đủ về động học thuận và động học ngược của tay
máy robot song song phẳng 3-RRR. Để tìm mối quan hệ chuyển đổi vận tốc, gia tốc
trong không gian góc chủ động sang vận tốc, gia tốc trong khơng gian làm việc và
ngược lại ta sẽ tìm các ma trận Jacobian. Sau đây luận văn sẽ trình bày cách tìm các
ma trận Jacobian.


13
Từ mơ tả hình học tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR, ta có:
⌊

⌋

⌊

(

)

(

)

⌋

(2.6)

Đạo hàm (2.6) theo thời gian ta được:
⌊ ⌋

̇

⌊

̇

̇

̇
̇

̇

̇
̇

(
(

)
⌋
)
(2.7)

Với i = 1,2,3
Từ (2.7) ta rút gọn để loại bỏ ̇ thì thu được phương trình thể hiện quan hệ giữa
̇ theo ma trận ̇ :
̇
̇

(2.8)

̇ ̇

̇ ̇
[ ̇ ] , i = 1,2,3;
̇

* ̇ +, ̇
̇

Với ̇

Trong đó các ma trận Jacoban như sau:
[

]

[

(2.9)

]

Với:

(

)

(

)

(

(2.10)

, i = 1,2,3

)
(

{

)

}

Từ phương trình (2.8) viết lại:
̇
Với:

̇

(2.11)
(2.12)

Từ đó ta có thể suy ra thêm các ma trận khác khi đạo hàm tiếp theo thời gian ta
được các ma trận sau: