Nghiên cứu động học động lực học và xây dựng bộ điều khiển động học ngược cho robot hai khâu

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tơi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.

Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Phương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2




MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
CHƢƠNG 1: .............................................................................................................12
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT ..12
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: ......................................................12
1.1.1. Robot và robotic: .....................................................................................12
1.1.2. Robot công nghiệp: ..................................................................................13
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: ..........................................14
1.1.3.1. Cấu trúc chung: ................................................................................14
1.1.3.2. Kết cấu tay máy: ...............................................................................15
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot .............................................................16
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot ...............................................................16
1.1.4.2.Truyền động điện ...............................................................................17
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực ........................................................17
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot ..........................................................18
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot ...........................................................18
1.1.6.1. Khái quát ...........................................................................................18
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .....................................................19
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng ...............22
1.2.1.Bài toán động học thuận: .........................................................................22

1.2.2.Bài toán động học ngược ..........................................................................23
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ ............................................................25
1.2.3.1. Giới thiệu ..........................................................................................25
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian ......................................................27
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ ..............................................27
1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu ................................................................28
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot .............................................................31
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD ......32
1.4.2. Thuật tốn điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường ............................33
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID ........................................................................33
1.4.4 Nhận xét chung .........................................................................................34
CHƢƠNG 2: .............................................................................................................35
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU .........................................................................................35
2.1 Khái quát .........................................................................................................35
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều. ....................36
2.2.1 Các thông số ban đầu. ..............................................................................36
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. ....................................................................36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3




2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều ...........................................................36
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều ....................38
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều ............................39
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu .......................................................................................39

2.2.1.3 Biến dòng: ..........................................................................................40
2.2.1.4 Máy phát tốc: .....................................................................................40
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: ..................................................................................41
2.2.2 Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh dòng (RI): ............................................41
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): .........................................44
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ). ...........................................47
2.3 Mơ hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID ...................51
2.3.1 Mơ hình simulink ......................................................................................51
2.3.2 Kết quả mơ phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID ..........53
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho
cánh tay Robot 2 khâu. ..........................................................................................56
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. ....................................................56
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ.................................................... 57
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ........................59
2.4.3.1 Mơ hình bộ điều khiển mờ ..................................................................60
2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó ................................................62
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function). ..............................63
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển .............................................................65
2.4.3.5 Luật hợp thành ...................................................................................68
2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả .......................................................................69
2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. ......................................69
2.4.4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí Robot dùng bộ chỉnh định mờ ..70
2.5 Kết luận Chƣơng 2 ..........................................................................................72
CHƢƠNG 3: .............................................................................................................73
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG .................................73
3.1 Mơ hình các khối chức năng ...........................................................................73
3.1.1 Bộ điều khiển ........................................................................................73
3.1.2 Động cơ ................................................................................................74
3.2. Mơ hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh

định mờ và bộ điều khiển PID. ..............................................................................74
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID ............................75
3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg ...............................................................................75
3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. ....................................75
3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................77
3.3.1.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................78
3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg ..............................................................................79
3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. .......................................................79
3.3.2.1 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................79
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4




3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................81
3.3.3 Trường hợp Mt=2kg .................................................................................81
3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. .......................................................81
3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khâu của cánh tay Robot. ...............................82
3.3.3.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khâu. ................................................83
3.4 Nhận xét chƣơng 3 ..........................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................85
1. Kết luận. ............................................................................................................85
2. Kiến nghị. ..........................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot .....................................................13
Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot ..................................20
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu ......................................22
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều .......................................38
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp ...................................................................66
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd ...................................................................67
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki ....................................................................67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6




DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot cơng nghiệp .......................14
Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển ....................15
Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy ................................................16
Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu .............................................19
Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................21
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................23
Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu .............................................................26
Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu ..............................28

Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vịng kín .................................................31
Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ...........................................32
Hình 1.11: Điều khiển PD ................................................................................32
Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng .....................................33
Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID........................................................33
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động...................................................34
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ...................36
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thơng khơng đổi .........39
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển. ......................................39
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện. ........................................41
Hình 2.5: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện rút gọn ...............................42
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. ............................................44
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ .................................................45
Hình 2. 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí ...................................47
Hình 2. 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ ........................................48
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí ...........................................50
Hình 2.11: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ...............................51
Hình 2.12 : Mơ hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 ..............51
Hình 2.13: Mơ hình khối điều khiển dịng điện và tốc độ động cơ 2 ...............52
Hình 2.14: Mơ hình khối subsystem1 ..............................................................52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7




Hình 2.15: Mơ hình khối subsystem2 ..............................................................52
Hình 2.16: Mơ hình khâu phản hồi vị trí 1 .......................................................52

Hình 2.17: Mơ hình khâu phản hồi vị trí 2 .......................................................52
Hình 2.18: Mơ hình Robot 2 khâu ....................................................................53
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID. .................................................54
Hình 2.21: Đồ thị góc quay ..............................................................................54
Hình 2.22:Tốc độ sai lệch góc ..........................................................................55
Hình 2.23: Dịng điện của động cơ 1,2 .............................................................55
Hình 2.24: Tốc độ của động cơ 1,2 ..................................................................56
Hình 2.25. Quan hệ giữa  và . ...................................................................57
Hình 226: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID ...............59
Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP .......................................................61
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD ......................................................61
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI ........................................................62
Hình 2.30: Mơ hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det ..........64
Hình 2.31: Mơ hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki .....64
Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et ....................................................64
Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det ..................................................65
Hình 2.35: Đặc tính quá độ thƣờng gặp của hệ điều khiển dùng PID..............65
Hình 2.36: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển ..69
Hình 2.37: Mơ hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D ..........................69
Hình 2.38: Mơ hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD ..................................70
Hình 2.39: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo Robot dùng Fuzzy .........................70
Hình 2.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy ...............................................70
Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy ..........................................................71
Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy .............................................71
Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy ...........................................71
Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động cơ dùng Fuzzy .................................................72
Hình 2.45: Đồ thị dịng điện động cơ dùng Fuzzy ...........................................72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8




Hình 3.1: Các khối chức năng .........................................................................73
Hình 3.2: Mơ hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D ............................73
Hình 3.3: Mơ hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD ....................................73
Hình 3.4: Mơ hình bộ điều khiển động cơ DC .................................................74
Hình 3.5: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định mờ ..................................74
Hình 3.6: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID .................................75
Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu .................................76
Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ......................................76
Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ....................77
Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................77
Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................77
Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................78
Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................78
Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ....................78
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ....................................79
Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................79
Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................80
Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................80
Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................80
Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................81
Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy ....................81
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ....................................82
Hình 3.23: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................82
Hình 3.24: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..................82
Hình 3.25: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy ......................83

Hình 3.26: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy ......................83
Hình 3.27: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy ....................83
Hình 3.28: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy …………...84

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9




MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ khi con
ngƣời biết sáng tạo ra cơng cụ lao động thì ý tƣởng điều khiển tự động đã đƣợc đặt
lên hàng đầu.
Con ngƣời đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.
Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot. Ngày nay
Robot đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn
trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng
nhƣ trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống
sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động. Robot ngày càng thơng
minh và linh hoạt, chính vì thế robot đƣợc xem là sản phẩm điển hình của nền khoa
học kỹ thuật.
Ở Việt Nam, Thủ tƣớng Chính phủ đã ban hành quyết định số: 82/2001/QĐTTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một
trong những nhiệm vụ chính của khoa học cơng nghệ. Vì thế việc nghiên cứu các
phƣơng pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm và đã đƣợc áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong
công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lƣợng của
hệ thống.
Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG

HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC
NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng:
Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển
động robot 2 khâu.
Chương 3: Mơ phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10




Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn
Nhƣ Hiển – ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tơi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Cơng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn
thành luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành khóa học.
Tơi xin chân thành cám ơn!
Thái Ngun, ngày 30 tháng 08 năm 2010
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thế Phương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11




CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:
1.1.1. Robot và robotic:
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:
Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chƣơng trình hố, lập lại các
chƣơng trình, tổng hợp các chƣơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng
định vị, di chuyển các đối tƣợng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những
hành trình thay đổi đã chƣơng trình hố nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ
khác nhau.
Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:
Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chƣơng
trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến
tính hay phi tuyến của động trình. Chúng đƣợc điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất
ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chƣơng trình; chúng đƣợc trang
bị dụng cụ hoặc các phƣơng tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản
xuất trực tiếp hay gián tiếp.
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:
Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều
khiển chƣơng trình hố, thực hiện một chu trình cơng nghệ một cách chủ động với
sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tƣơng tự của con ngƣời.
Bên cạnh khái niệm robot cịn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể

hiểu nhƣ sau:
Robotics là một nghành 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 ngƣời nhƣ nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12




Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều
khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử
(mechatronics).
1.1.2. Robot công nghiệp:
Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng đƣợc mở rộng
thêm, song theo thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng đƣợc sử dụng chủ
yếu trong cơng nghiệp, vì vậy khi nhắc đến robot ngƣời ta thƣờng liên tƣởng đến
robot công nghiệp.
Lĩnh vực

1985

1990

Hàn

35%

5%

Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH

20%

25%

Đúc

10%

5%

Lắp ráp

10%

35%

Phun phủ

10%

5%

Sơn

5%

15%

Các ứng dụng khác

10%

10%

Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot
Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trƣng riêng:
-

Là thiết bị vạn năng đƣợc TĐH theo chƣơng trình và có thể lập trình lại
để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.

-

Đƣợc ứng dụng trong những trƣờng hợp mang tính cơng nghiệp đặc trƣng
nhƣ vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lƣờng.

Do có hai đặc trƣng trên nên robot cơng nghiệp có thể định nghĩa nhƣ sau:
Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13




RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chƣơng trình và có thể lập trình

lại để hồn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong
công nghiệp, nhƣ vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị
chuyên dùng khác.
Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau:
RBCN là tay máy đƣợc đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành
dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chƣơng
trình, có thể tái lập trình để hồn thành các chức năng vận động và điều khiển trong
quá trình sản xuất.
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
1.1.3.1. Cấu trúc chung:
Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot cơng nghiệp
Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khâu. Chúng hình
thành cánh tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14




léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc điểm tác động cuối (End Effector) để trực tiếp
hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng.
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các
robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của
robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trƣờng.
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động
lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết

hợp giữa chúng.
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thƣờng là hệ thống điều khiển số
có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển
1.1.3.2. Kết cấu tay máy:
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm
việc nhƣ nâng, hạ vật, lắp ráp...Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa
với tay ngƣời. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc
để chỉ các bộ phận của tay máy nhƣ vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist),
bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15




Trong thiết kế quan tâm đến các thơng số có ảnh hƣởng lớn đến khả năng
làm việc của robot nhƣ:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay...
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thƣớc và hình dáng vùng mà phần làm
việc có thể với tới.
- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hƣớng phần cơng tác trong vùng
làm việc.

Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy
Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với

nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần
cơng tác.
Các khớp đƣợc dùng phổ biến là khớp trƣợt và khớp quay. tuỳ theo số lƣợng
và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian),
toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay ngƣời
(Anthropomorphic).
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot
Robot có thể đƣợc điều khiển bằng các hệ truyền động nhƣ: truyền đồng
điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, ...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16




1.1.4.2.Truyền động điện
Với nhiều ƣu điểm nhƣ: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ,
không gây ô nhiễm mơi trƣờng đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ truyền
động điện đƣợc sử dụng phổ biến trong kỹ thuật robot.
Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhƣợc điểm nhƣ thƣờng cần
hộp giảm tốc, cơng suất thấp, ...
Về ngun tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn
động (điều khiển) robot. Nhƣng do có nhiều ƣu điểm nổi bật, động cơ điện một
chiều (DCM) và động cơ bƣớc đƣợc sử dụng nhiều hơn cả. Cùng với sự tiến bộ của
khoa học điều khiển, ngày nay ngƣời ta cũng đang có xu hƣớng sử dụng động cơ
điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị bộ
nguồn một chiều, ...) và động cơ điện một chiều khơng chổi góp (DCBLM – Direct

Current Brushless Motor).
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực
Ngồi truyền động điện, ngƣời ta cũng thƣờng dùng các loại truyền động khí
nén và/hoặc thuỷ lực trong kỹ thuật điều khiển robot.
Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi nhƣ: tận dụng các hệ
thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xƣởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ
đơn giản hơn. Hệ truyền động khí nén cũng tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo
chiều, ... Tuy vậy cũng có nhƣợc điểm nhƣ: chuyển động của chất khí thƣờng kèm
dao động do tính nén đƣợc của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bơi trơn, giảm ồn, ...
Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ƣu điểm là khả năng vận hành với tải
trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động. Nhƣợc
điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều nhƣ thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc,
bình tích dầu, các van điều chỉnh, đƣờng ống, ... làm cho hệ truyền động-robot khá
cồng kềnh so với các hệ truyền động khác.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17




1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot
Nhiệm vụ quan trọng hàng đầu khi thiết kế hệ điều khiển robot là đảm bảo
cho điểm tác động cuối của tay máy dịch chuyển bám theo một quĩ đạo định trƣớc,
đảm báo vị trí mong muốn. Ngoài ra, phải đảm bảo hƣớng di chuyển và tối ƣu về
năng lƣợng.
Để hoàn thành tốt nhiệm vụ nêu trên, khi tính tốn thiết kế bộ điều khiển ta
phải thiết lập đƣợc phƣơng trình năng lƣợng và giải bài tốn động học ngƣợc. Tuy
nhiên, việc tính tốn theo lý thuyết thƣờng không xét đầy đủ đƣợc các yếu tố vật lý

thực tế nhƣ mô men ma sát của các khớp, ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng, ...
Do vậy, tuỳ thuộc yêu cầu chất lƣợng điều khiển, điều kiện sử dụng để xét
đến các yếu tố ảnh hƣởng, qua đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển thích hợp. Sau
đây là một số phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử dụng trong điều khiển robot, nhƣ:
Các phƣơng pháp điều khiển bằng bộ điều chỉnh kinh điển PID (Propotional
Integral Derivative);
Các phƣơng pháp điều khiển hiện đại nhƣ điều khiển thích nghi, điều khiển
mờ, điều khiển nơ-ron, điều khiển mờ-nơ-ron, ...
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
1.1.6.1. Khái quát
Cấu trúc của robot thƣờng bao gồm các thành phần chính nhƣ:
-

Cánh tay robot

-

Hệ thống

-

Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối

-

Các cảm biến

-

Các bộ điều khiển

Cánh tay robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) đƣợc liên kết với
nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thƣờng gồm hai loại: khớp nối

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18




cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay robot, ta cần quan tâm
đến số bậc tự do (DOF), trƣờng cơng tác, độ chính xác, khả năng nâng tải, ...
Mơ hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu nhƣ Hình 1.4.
z0
z3
z2

zn

q3

khớp 2
z1
khớp 1

khâu 1

khâu 2
q2

qn

khâu n

q1
y0
x0

Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu
Mỗi khớp của cánh tay robot thƣờng đƣợc điều khiển độc lập thông qua các
bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, ...) có thể đƣợc gắn trực
tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp.
Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích
hợp nào đó nhằm đạt đƣợc mục tiêu thiết kế và sử dụng. Các cảm biến đo lƣờng gắn
trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển đƣợc về hệ thống
điều khiển để xử lý và đƣa ra quyết định. Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều
khiển cánh tay robot, ta cần quan tâm đến véc-tơ dịch chuyển q = [q1, q2, ..., qn]T
(q Rn).
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay robot nhằm thực hiện
một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phƣơng
thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến
điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. Bảng 1.6 minh hoạ đặc điểm của hai
chuyển động đó.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19

CP
Sự

PTP

dịch Vị trí bắt đầu và kết thúc và Vị trí bắt đầu và kết thúc là

chuyển

đƣờng dịch chuyển từ điểm bắt quan trọng nhƣng đƣờng dịch
đầu đến điểm kết thúc rất quan chuyển từ điểm bắt đầu đến
trọng

điểm kết thúc là khơng

Ví dụ ứng Robot làm việc có địi hỏi về độ Robot làm việc tại các cơng
dụng

chính xác bề mặt nhƣ: mạ, mài, đoạn lắp ráp, nâng hạ, ...
...

Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot
Điều khiển robot nói chung và cánh tay robot nói riêng, đó là việc điều khiển
các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc
mô men để làm dịch chuyển các khâu tƣơng ứng. Ta gọi lực hoặc mô ment cần tạo
ra để điều khiển robot là véc-tơ  = [1, 2, ... n].
Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển
cánh tay robot với những giới hạn sau:

-

Điều khiển cánh tay robot hai khâu (Hình 1.5) với thông số cho ở

Bảng 1.3
-

Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để

tạo ra mô men quay cho hai khâu của robot;
-

Phƣơng thức dịch chuyển theo quỹ đạo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20




Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

Thơng số

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị tính

Chiều dài khâu 1

l1

0,26

m

Chiều dài khâu 2

l2

0,26

m

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1

lc1

0,0983

m

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2

lc2

0,0229

m

Khối lƣợng khâu 1

m1

6,5225

kg

Khối lƣợng khâu 2

m2

2,0458

kg

Mô men qn tính của khâu thứ nhất

I1

0,1213

kg.m2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21

Mơ men qn tính của khâu thứ nhất

I1

0,1213

kg.m2

Gia tốc trọng trƣờng

g

9,81

m/s2

Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng
1.2.1.Bài toán động học thuận:
Động học là hình học của sự chuyển động. Đó là một trong những thành
phần cơ bản nhất của robot, cung cấp những công cụ mô tả cấu trúc và hoạt động
của robot. Bất kỳ một robot cũng có thể coi là tập hợp các khâu (links) gắn liền với
các khớp (joints).
Nhiệm vụ của bài toán thuận là khi cho trƣớc các biến khớp phải xác định vị
trí và định hƣớng của tất cả các khâu trên cánh tay, thông thƣờng nếu không khống
chế quỹ đạo của các khâu trên cánh tay nhằm tránh va chạm với các đổi tƣợng khác

trong vùng làm việc, ngƣời ta thƣờng chỉ xác định vị trí và định hƣớng của điểm tác
động cuối.
Trên cánh tay có các khâu và các khớp tổ hợp với nhau mà tạo thành, cánh
tay có hai hình thức cơ bản, có thể chuỗi động hình thành nên nó là kín, hoặc hở.
Các khâu và các khớp đƣợc mô tả qua các thông số đƣợc chia ra hai loại, các
thông số không thay đổi (chiều dài khâu) gọi là tham số. Các thông số thay đổi (góc
quay của khâu, lƣợng di chuyển dài của khâu tịnh tiến) gọi là biến khớp.
Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểm
tác động cuối là xe và ye . Tức là xác định [ xe , ye ] thông qua [ 1 ,  2 ]. Giả sử quan
hệ của chúng đƣợc thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

 xe 
 y    1 ,2 
 e

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22




Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu

ye  l1 sin(1 )  l2 sin(1   2 )

(1.1)

xe  l1 cos1  l2 cos(1   2 )

Phƣơng trình trên mơ tả vị trí và hƣớng của điểm tác động cuối của robot hay
cịn gọi là phƣơng trình động học của cánh tay robot trong mặt phẳng.
1.2.2.Bài toán động học ngược
Mơ hình động học ngƣợc của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều
khiển. Mơ hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trƣớc
hoặc mong muốn. Đối với robot 2 khâu đã nêu, ta có:

 xe 
1
    1 , 2 
 ye 
Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ  xe , ye  , khi đó
T

từ phƣơng trình động học ngƣợc, ta xác định đƣợc góc quay của trục khớp
 

  1  2  bằng việc giải phƣơng trình  1    1  xe , ye  .Cụ thể:

T

 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23

 l2 sin  2  
 xe 
1

  tan 
 ye 
 l1  l2 cos  2  

1  tan 1 

(1.2)

 x 2  ye2  l12  l22 
 2  cos 1  e

2l1l2



Chú ý rằng, do tính đối xứng nên phƣơng trình trên sẽ có hai cặp nghiệm
thoả mãn. Nghĩa là ứng với  xe , ye  ta ln tìm đƣợc hai đáp án 1  11  21  hoặc
T

T

 2   21  22  . Trong phạm vi bài toán nghiên cứu, ta chọn đáp án với các điều kiện
T

ràng buộc sau: 0 < i <  (i = 1; 2).
Để xác định vị trí của các khớp trên toàn mặt phắng oxy, ta thay hàm arctan

bằng hàm atan2 đƣợc định nghĩa : atan2(y,x)=arg(x+jy) ; với x+jy là số phức biểu
diễn trên mặp phẳng oxy.
Với điều kiện quỹ đạo cánh tay Robot thoả mãn: (l1  l2 ) 2  x 2  y 2  (l1  l2 ) 2 ,
ta xác định đƣợc phƣơng trình động học ngƣợc nhƣ sau:

1  a tan 2( y, x)  a tan 2( k1 , k2 )

 2  a tan 2( k1 , k3 )

(1.3)

Với :

k1 =

x

2

2
2
 y 2  l12  l22   2  x 2  y 2   l14  l24 



k 2 =x 2  y 2  l12  l22

(1.4)

k 3 =x 2  y 2  l12  l22

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24




1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ
1.2.3.1. Giới thiệu
Tính tốn về động học robot khi di chuyển nhỏ sẽ nhận đƣợc những quan hệ
vi phân. Chúng có tầm quan trọng nhất định trong một số trƣờng hợp, ví dụ nhƣ khi
lắp ráp cần vi chỉnh các giá trị di chuyển của các khớp để đáp ứng yêu cầu có những
thay đổi nhỏ về vị trí và hƣớng của hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối của
cánh tay robot. Các quan hệ vi phân này còn dùng để tính tốn độ chính xác cơ cấu
về sự biến thiên của lực tác động lên các khâu và về sự ổn định tốc độ di chuyển.
Từ phƣơng trình (1.1), bằng cách lấy vi phân ta đƣợc:

dxe 

xe (1 , 2 )
x ( , )
d1  e 1 2 d 2
1
 2

(1.5)

y ( , )
y ( , )

dye  e 1 2 d1  e 1 2 d 2
1
 2

Trong đó, xe , ye là biến của 1 ,  2 . Từ đây, phƣơng trình trên bao gồm hai
phần và đƣợc rút gọn lại nhƣ sau:

dx  Jdq

 dxe 
x 
 dye 
Trong đó:

,

 d 
dx
dq
J
, dq   1 
dt
dt
 d 2 

(1.6)

.

dx  J q

Và J là một ma trận 2 hàng , 2 cột:

 xe (1 , 2 )

1
J 
 ye (1 , 2 )

1


xe (1 , 2 ) 

 2

ye (1 , 2 ) 

 2


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(1.7)

25