Nghiên cứu điều khiển cân bằng robot có sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
................ ...................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CĨ
SỬ DỤNG THUẬT TỐN GIẢM BẬC MƠ HÌNH

NGUYẾN ĐẠI TÙNG

THÁI NGUN - 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
................ ...................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CĨ
SỬ DỤNG THUẬT TỐN GIẢM BẬC MƠ HÌNH

Ngành: TỰ ĐỘNG HĨA
Mã sớ:
Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG
Người HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG

THÁI NGUYÊN - 2011


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
................  ...................

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
................  ...................

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CĨ
SỬ DỤNG THUẬT TỐN GIẢM BẬC MƠ HÌNH

Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG
Lớp:
K12 - TĐH
Người HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG

Người hướng dẫn khoa học

Học viên

PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG

NGUYỄN ĐẠI TÙNG

Ban giám hiệu

Khoa Sau Đại học


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trì nh nghiên cứu của tôi . Các kết quả, số
liệu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
công trì nh nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Đại Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS .TS Nguyễn
Hữu Công trong suốt quá trì nh hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô

giáo Khoa

Điện tử, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

đã

tạo điều kiện giúp đỡ tận tình trong việc nghiên cứu đề tài.

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám
hiệu, Khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Đại Tùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Mục lục
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hì nh vẽ, đồ thị
Mở đầu ............................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................... 1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP VÀ BÀI
TỐN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT
1.1 Tổng quan về robot công nghiệp................................................................ 3
1.1.1 Robot và Robotics ....................................................................... 3
1.1.2 Robot công nghiệp ....................................................................... 7
1.2 Tự động hoá và robot công nghiệp ......................................................... 8
1.2.1 Tải trọng ................................................................................. 10
1.2.2 Tầm với ...................................................................................10
1.2.3 Độ phân giải không gian ......................................................... 10

1.2.4 Độ chính xác ......................................................................... 11
1.2.5 Độ lặp lại ............................................................................... 12
1.2.6 Độ nhún ................................................................................ 12
1.3 Chất lượng quá trình làm việc và các bài toán điều khiển robot ........... 13
1.3.1 Yêu cầu về chất lượng trong điều khiển robot ..........................13
1.3.2 Các bài toán điều khiển robot .................................................. 14

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1.3.2.1 Bài toán điều khiển động học ngược robot ............... 14
1.3.2.2 Bài toán điều khiển cân bằng robot .......................... 15
1.4 Bài toán điều khiển cân bằng robot ................................................... 15
1.4.1 Mô hình toán học của hệ Robot ........................................... 16
1.4.2 Phần cơ khí của Robot ........................................................ 18
1.4.2.1 Thân Robot ............................................................ 18
1.4.2.2 Cơ cấu lái ................................................................19
1.4.2.3 Cơ cấu chuyển động ...............................................20
1.4.2.4 Cơ cấu thăng bằng ...................................................21
1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................24
CHƯƠNG 2
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H ÁP DỤNG CHO ĐIỀU
KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC
MƠ HÌNH
2.1 Giới thiệu chung ............................................................................. 25
2.2 Thuật toán điều khiển định dạng vòng H∞ ....................................... 26
2.2.1 Điều khiển định dạng vòng H∞ ...............................................26
2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển định dạng vòng H∞ đủ bậc ................... 29

2.2.2.1 Lựa chọn hàm định dạng ........................................... 29
2.2.2.2 Kết quả mô phỏng ..................................................... 29
2.3 Các phương pháp giảm bậc mô hình ................................................ 32
2.3.1 Giới thiệu ............................................................................ 32
2.3.2 Phát biểu bài toán giảm bậc mô hình ..................................... 32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2.3.3 Các phương pháp giảm bậc cơ bản .........................................33
2.3.2.1 Phương pháp ghép hợp ............................................35
2.3.2.2 Phương pháp trên cơ sở trùng khớp tại các thời điểm..37
2.3.2.3 Phương pháp nhiễu xạ kỳ dị......................................40
2.3.2.4 Phương pháp cân bằng nội .......................................41
2.3.2.5 Các phương pháp sử dụng phép gần đúng tối ưu .......42
2.3.2.6 Phương pháp tối ưu theo trạng thái ...........................43
2.3.4 Kết luận ...............................................................................45
2.4. Giảm bậc mô hình theo phương pháp cân bằng nội ........................... .46
2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................48
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC CÂN BẰNG CHO BÀI
TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT
3.1 Giảm bậc bộ điều khiển hệ thống điều khiển cân bằng theo phương pháp
cân bằng ....................................................................................................... 50
3.2 Chất lượng quá độ của bộ điều khiển gốc và các bộ điều khiển giảm bậc
................................................................................................................54
3.3 Sử dụng bộ điều khiển giảm bậc cho hệ thống điều khiển cân bằng robot
.................................................................................................................56

3.3.1 Bộ điều khiển giảm bậc 3 điều khiển cân bằng robot ................56
3.3.2 Sử dụng bộ điều khiển giảm bậc 1 điều khiển cân bằng robot ...58
3.3.3 So sánh hệ điều khiển cân bằng robot dùng bộ điều khiển giảm
bậc 1 theo phương pháp cân bằng và theo PSO .................................. 59
3.4 Kết luận chương 3 .............................................................................. 62
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ........................................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




PHỤ LỤC
TĨM TẮT LUẬN VĂN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Danh mục các bảng
Bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Số lượng Robot sản xuất ở một số nước công nghiệp phát
triển

6

1.2

Thông số động cơ DC của robot

21

3.1

Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình khơng gian trạng

52

thái và mơ hình hàm truyền.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình

Tên hì nh

Trang

1.1

Quan hệ số loại và số lượng sản phẩm ứng với các dạng tự
động hóa

9

1.2

Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển

11

1.3

Các dạng sai số lặp lại

13

1.4

Trễ trong hệ thống điều khiển số

14

Sơ đồ đơn giản hệ thống cân bằng robot

16

Sơ đồ đơn giản của robot

17

Thân Robot được chế tạo từ xe đạp có sẵn trên thị trường

18

1.8

Cơ cấu trục vít bánh vít

19

1.9

Động cơ trục vít chạy tiến lùi

20

1.10

Cơ cấu mô men cân bằng sử dụng bánh đà

20

Động cơ sinh momen cân bằng

21

Bánh đà

22

Trục bánh đà

22

Trục đỡ bánh đà

23

Mô hình robot

23

Mơ hình điều khiển bền vững với các thơng số biến đổi

26

3.1

Đáp ứng h(t) hệ gốc và các hệ giảm bậc

54

3.2

Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng

54

1.5
1.6
1.7

1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
2.1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm
bậc 3
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng
3.3

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 3

56

Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng
3.4

robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm

57

bậc 1
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng
3.5

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1

57

Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng
3.6

robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm

59

bậc 1 theo PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng
3.7

bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1 theo

60

PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về robot di động (mobile robot)
đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Trong đó
lĩnh vực rất khó khăn là việc nghiên cứu về đặc tính động học và điều khiển
cân bằng cho robot di động hai bánh. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được
thực hiện bởi các nhà nghiên cứu. Một ví dụ là robot MURATA được phát
triển tại Nhật Bản năm 2005. Việc điều khiển cân bằng cho Robot hai bánh có
thể được ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot đi bằng hai chân,
như robot ASIMO, bởi vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau.
Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho
robot hai bánh, đó là: cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel);
cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực và cân bằng nhờ lực hướng tâm.
Trong các phương pháp trên, cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm
là đáp ứng nhanh và có thể cân bằng được ngay cả khi robot không di chuyển,
đề tài sẽ nghiên cứu theo hướng này.
Lý thuyết điều khiển H2/H∞ là một lý thuyết điều khiển hiện đại cho
việc thiết kế các bộ điều khiển tối ưu và bền vững cho các đối tượng điều
khiển có thơng số thay đổi hoặc chịu tác động của nhiễu bên ngoài. Tuy
nhiên, trong phương pháp thiết kế H2/H∞ mà McFarlane và Glover lần đầu
tiên đưa ra vào năm 1992 và kể cả các nghiên cứu sau này về lý thuyết điều
khiển H2/H∞, bộ điều khiển thu được thường có bậc cao (bậc của bộ điều
khiển được xác định là bậc của đa thức mẫu). Bậc của bộ điều khiển cao có
nhiều bất lợi khi chúng ta đem thực hiện điều khiển trên robot, vì mã chương

trình phức tạp. Vì vậy, việc giảm bậc bộ điều khiển mà vẫn đảm bảo chất
lượng có một ý nghĩa thực tiễn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Có nhiều phương pháp khác nhau tìm mơ hình giảm bậc bộ điều khiển
phức tạp, bậc cao, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, hạn chế riêng và
được sử dụng theo nhu cầu một cách thích hợp. Trong luận văn này tác giả
lựa chọn giảm bậc theo phương pháp cân bằng nội bởi phương pháp này cho
kết quả giảm bậc tốt, có thể hiệu chỉnh để bảo tồn bản chất vật lý đặc trưng
bởi các biến trạng thái của mơ hình gốc, cung cấp giới hạn sai số tồn phần
đồng thời bảo tồn tính ổn định và thụ động
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu sử dụng thuật tốn giảm bậc mơ hình và ứng dụng tht
tốn tốn giảm bậc mơ hình cho bài tốn điều khiển cân bằng robot có sử
dụng bánh đà, khả năng di chuyển trên hai bánh là phương tiện hiệu quả và
linh động, dễ dàng xoay trở trong điều kiện khơng gian chật hẹp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP VÀ BÀI TỐN ĐIỀU
KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT
1.1 Tổng quan về robot công nghiệp
1.1.1 Robot và Robotics.
Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot)
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là
cơng việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel
Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã
chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người.
Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu,
máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Vào những năm 40 nhà viết văn viễn tưởng người Nga Issac Asimov
mô tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được
điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Pisitron, do chính con người lập
trình. Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics,
trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản sau:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con
người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các nguyên tắc do con người đặt
ra. Các nguyên tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình và khơng được vi phạm
hai ngun tắc trước.
Các ngun tắc này đã trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot sau này.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry
Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy
công nghiệp” ( Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4

nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một
vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số
thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ
hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa
(Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically
Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển
mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu
phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức
tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được cơng việc bên
trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác;
nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả
hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để
tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều
khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm
đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những
robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều
khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của
người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được
chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian
này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ
nghệ ơtơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh 1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971;
Pháp - 1972; ở Ý - 1973. . .
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả
năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ)
đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả năng nhận
biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974
Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính,
gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có
thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ
cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống
điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến,
công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia ...
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot
khơng ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác
nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn
trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng
đăc biệt. Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ
vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất
hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công
nghiệp phát triển như bảng 1.1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Bảng 1.1. Số lượng Robot sản xuất ở một số nước công nghiệp phát triển
Nước SX

Năm 1990

Năm 1994

Năm 1998

Nhật

60.118

29.756

67.000

Mỹ

4.327

7.634

11.100

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

1.488

1.197

2.000

Anh

510

1.086

1.500

Ngày nay, Robot đã được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy
đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình,
dùng để thay thế mình trong một số cơng việc xác định. Robot được dùng hầu
hết trong các ngành trong công nghiệp, đặc biệt trong những ngành có mơi
trường làm việc độc hại thì việc dùng robot thay thế con người là rất cần thiết.
Để hồn thành những nhiệm vụ trên thì Robot cần có khả năng cảm
nhận các thơng số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương
tự con người:
- Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí
gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc
thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền
động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
- Chức năng cảm nhận của Robot gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái
mơi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến ( sensor ) và
các thiết bị khác đảm nhiệm. Hệ thống này gọi là hệ thống thu nhận và xử lý
số liệu hay hệ thống cảm biến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên và Robot hoạt động

theo đúng chức năng mong muốn của con người thì robot phải có hệ thống
điều khiển.
Như vậy, Robotics có thể hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ
nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh
vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Robot được sử dụng để thay thế con người trong những công việc như:
- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển
nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,...
- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: ngồi khoảng khơng
vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lịng đất, nơi có phóng xạ,
nhiệt độ cao,...
- Những việc địi hỏi độ chính xác cao: lắp ráp các cấu tử trong các vi
mạch,...
1.1.2 Robot công nghiệp.
Ngày nay, hầu hết các robot đều được dùng trong công nghiệp. Chúng
có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá và thương
mại hoá rộng rãi. Và được gọi là Robot công nghiệp (Industrial Robot – IR).
Robot cơng nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:
- Là thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lập
trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ tiếp theo.
- Được ứng dụng trong các trong những trường hợp mang tính cơng
nghiệp đặc trưng như vận chuyển, xếp dỡ ngun vật liệu, lắp ráp, đo lường,...
1.2 Tự động hóa và robot công nghiệp
Thuật ngữ robot được định nghĩa dưới dạng các khía cạnh khác nhau.
Robot được coi là một tay máy có một vài bậc tự do, có thể được điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8

bằng máy tính. Một định nghĩa khác về robot cơng nghiệp hiện nay được chấp
nhận là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có
thể thực hiện những cơng việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ
trực tiếp của con người. Hiệp hội những nhà chế tạo – nhà sử dụng đưa ra
định nghĩa robot như sau: Robot là một thiết bị có thể thực hiện được các
chức năng bình thường như con người và có thể hợp tác nhau một cách thơng
minh để có được trí tuệ như con người. Trong bách khoa tồn thư mới viết:
“Robot có thể định nghĩa là một thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm các
bộ phận điện tử, điện và cơ khí, …”
Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực
có liên quan mật thiết với nhau. Về phương diện cơng nghiệp, tự động hóa là
một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống
máy tính trong vận hành và điều khiển q trình sản xuất. Ví dụ, dây chuyền
vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các
máy công cụ điều khiển chương trình số và robot. Như vậy, có thể coi robot là
một dạng của thiết bị tự động hóa cơng nghiệp.
Có ba loại hệ thống tự động hóa trong cơng nghiệp: Tự động hóa cố
định, tự động hóa lập trình và tự động hóa linh hoạt. Tự động hóa cố định
được sử dụng ở những dây chuyền sản xuất với số lượng sản phẩm lớn, do đó
cần thiết kế các thiết bị đặc biệt để sản xuất các sản phẩm với số lượng lớn và
hiệu xuất rất cao. Công nghiệp sản xuất ơ tơ có thể coi là một ví dụ điển hình.
Tính kinh tế của tự động hóa cố định rất cao do giá thành thiết bị chuyên dụng
được chia đều cho số lượng lớn các đơn vị sản phẩm, dẫn đến giá thành trên
một đơn vị sản phẩm thấp hơn so với các phương pháp sản xuất khác. Tuy
nhiên vốn đầu tư của hệ thống tự động hóa cố định cao, do đó nếu số lượng
sản phẩm nhỏ hơn thiết kế, giá thành sản phẩm sẽ rất cao. Mặt khác, các thiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

bị chuyên dụng được thiết kế cho sản xuất một loại sản phẩm, sau khi chu kỳ
sản phẩm kết thúc, các thiết bị chuyên dụng đó sẽ trở thành lạc hậu.
Tự động hóa lập trình được sử dụng ở q trình sản xuất với sản phẩm
đa dạng và số lượng sản phẩm tương đối thấp. Trong hệ thống tự động hóa
này, các trang thiết bị sản xuất được thiết kế để thích nghi với các dạng sản
phẩm khác nhau. Chương trình sẽ được lập trình và được đọc vào các thiết bị
sản xuất ứng với các loại sản phẩm cụ thể. Về khía cạnh kinh tế, giá thành
trang thiết bị lập trình có thể phân bộ cho số lượng lớn sản phẩm, ngay cả với
các loại sản phẩm khác nhau.
Tự động hóa linh hoạt hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), hệ thống
sản xuất tích hợp máy tính (hình1.1). Ý tưởng của dạng tự động hóa linh hoạt
mới được phát triển và áp dụng vào thực tế quãng 20-25 năm cho thấy phạm
vi ứng dụng thích hợp nhất đối với q trình sản xuất có số lượng sản phẩm
trung bình. Dạng tự động hóa linh hoạt sẽ bao gồm các đặc điểm của hai dạng
tự động hóa cố định và lập trình. Nó cần được lập trình cho các loại sản phẩm
khác nhau, nhưng số dạng sản phẩm khác nhau sẽ hạn chế hơn loại tự động
hóa lập trình. Hệ thống sản xuất bao gồm nhiều trạm làm việc đặt nối tiếp
nhau trong một dây chuyền. Máy tính trung tâm và hệ thống điều khiển trung
tâm sẽ điều khiển đồng thời các trạm hoạt động.
Số lượng sản phẩm
TĐH cố định
15000

500

TĐH linh hoạt

15

TĐH lập trình
1

3

9

15

30

100

1000

Hình 1.1: Quan hệ số loại và số lượng sản phẩm
ứng với các dạng tự động hóa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Số loại sản
phẩm

10

Robot có liên quan mật thiết với tự động hóa lập trình. Robot là một máy
có khả năng lập trình và có một số đặc tính như con người. Robot có thể được
lập trình để di chuyển cánh tay thơng qua các trình tự chuyển động có tính
chu kỳ để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, các máy bốc dỡ hàng,
robot hàn, sơn…robot cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống sản xuất
linh hoạt hoặc thậm trí trong các hệ thống tự động hóa cố định. Hệ thống này
gồm một số máy, hoặc các robot làm việc cùng nhau được điều khiển bằng
máy tính hoặc bộ điều khiển lập trình. Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ô tô gồm
nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn các bộ phận khác nhau. Chương trình
lưu trữ trong máy tính được nạp cho từng robot làm việc ở mỗi bộ phận của
dây chuyền hàn ô tô. Như vậy đây là một dây chuyền sản xuất linh hoạt với
mức độ tự động hóa cao.
Các đặc tính của robot cơng nghiệp:
1.2.1 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 robot thơng thường
rất nhỏ so với trọng lượng robot. Ví dụ, robot LR Mate của hãng Fanuc có
trọng lương 40kg chỉ mang được tải trọng 3kg ; Robot M-16i có trọng lượng
269kg mang được tải trọng 15,8kg.
1.2.2 Tầm với
Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc.
Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot.
1.2.3 Độ phân giải không gian
Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong
khơng gian. Độ phân dải phụ thuộc vào độ phân dải điều khiển và độ chính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

xác cơ khí. Độ phân dải điều khiển xác định bởi độ phân dải hệ thống điều
khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỉ số của phạm vi di chuyển và số bước di
chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot:
Số bước di chuyển = 2n
Với n là số bit của bộ nhớ
Ví dụ: Một khớp tịnh tiến của robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển
trong phạm vi 100mm, số bước di chuyển có thể là: 212 = 4096. Độ phân dải
tương ứng là:
100
 0.0244mm
4096

Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó độ
phân dải của cả robot là tổng các độ phân dải của từng khớp robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi
của hệ thống điều khiển servo sẽ ảnh hưởng đến độ phân dải. Các yếu tố làm
giảm độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy
lực, tải trọng trên tay robot, tộc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng
robot,…Độ chính xác cơ khí giảm sẽ làm giảm độ phân dải.
1.2.4 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 dải 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, có thểđịnh nghĩa sơ bộ
độ chính xác bằng một nửa độ phân dải điều khiển như trên hình 1.2.
Độ chính xác

Điểm được
địa chỉ hóa

Độ phân dải điều khiển

đích

Điểm được
địa chỉ hóa

Hình 1.2: Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

Trong thực tế, độ phân dải bị ảnh hưởng bởi 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 sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robot được giới hạn
trong một 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 công nghiệp đạt

0,025 mm.
1.2.5 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 với của
robot nằm trong một vịng trịn 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 sẽ khó có thể khử được. Độ lặp lại cần phải được xác định bằng
kết hợp nhiều thực nghiệm với tải trọng và các hướng di chuyển khác nhau
(phương thẳng đứng và phương nằm ngang,…). Độ lặp lại của các robot công
nghiệp thông thường là 0,025 mm.
1.2.6 Độ nhún
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại
lực hoặc mô men tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển
nhiều khi lực tác dụng 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 tay robot
mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch
chuyển. VD: Khi robot thực hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

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.
1.3 Chất lƣợng q trình làm việc và các bài toán điều khiển robot
1.3.1 Yêu cầu về chất lƣợng trong điều khiển Robot
Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh
hưởng theo những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số
điều khiển. Q trình làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa
sau:
Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính
xác về mặt động học cơ cấu. Sai số quỹ đạo có hai ngun nhân chính là cơ
cấu khơng đáp ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển khơng đáp ứng độ
chính xác cần thiết. Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp
tục làm rõ do độ phân giải của thiết bị điều khiển khơng đủ (lí do về phần
cứng), hoặc do giải thuật điều khiển không đáp ứng được (nguyên nhân do
chuẩn bị điều khiển không đáp ứng u cầu gồm khơng đáp ứng được độ
chính xác cần thiết hoặc khơng đáp ứng tốc độ tính tốn cần thiết).

Hình 1.3 : Các dạng sai số lặp lại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN