nâng cao chất lượng điều khiển robot scara

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
ROBOT SCARA

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT...................6
1.1. Robot và robot công nghiệp..............................................................................6
1.1.1. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp......................6
1.1.2. Robot và công nghệ cao..............................................................................7
1.1.3. Định nghĩa về robot công nghiệp...............................................................8
1.2. Các phương pháp điều khiển robot...............................................................10
1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược........................................10
1.2.2. Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến...........................12
1.2.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch..................................13
1.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu........................14
1.2.5. Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi......................15
1.2.6. Phương pháp điều khiển trượt...............................................................16
CHƯƠNG II: MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG - ROBOT SCARA SERPENT....................17
2.1. Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất.............................................17
2.2. Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent..............................19
2.2.1. Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent.....................................................20
2.2.1.1. Cấu hình của robot Scara Serpent....................................................20
2.2.1.2. Các thông số kỹ thuật của robot Scara Serpent...............................20
2.2.2. Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent.........................21
2.3. Động học robot Scara Serpent........................................................................23
2.3.1. Động học thuận.........................................................................................23
2.3.2. Động học ngược........................................................................................26

2.4. Động lực học robot Scara Serpent.................................................................28
2.4.1. Hàm Euler - Lagrange và các vấn đề động lực học................................29
2.4.2. Động lực học robot Scara Serpent...........................................................30
2.4.2.1. Tính tốn động năng và thế năng cho từng khớp............................30
2.4.2.2. Phương trình động lực học................................................................33
2.5. Mơ tả đối tượng bằng hệ phương trình trạng thái........................................37

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...................39
2


3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển robot...............................................................39
3.2. Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn..........................................................40
3.2.1. Xác định giá trị q02 và qc1......................................................................42
3.2.2. Phương trình đoạn cd...............................................................................42
3.2.3. Phương trình đoạn ac...............................................................................43
3.2.4. Phương trình đoạn df...............................................................................43
3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy robot Scara Serpent ba bậc tự do.......44
3.3.1. Hệ phương trình động lực học Lagrange................................................44
3.3.2. Hệ phương trình trạng thái......................................................................45
3.3.3. Lựa chọn phương pháp điều khiển và bộ điều khiển PID.....................48
CHƯƠNG IV: MƠ PHỎNG VỚI MƠ HÌNH ROBOT SCARA SERPENT....51
4.1. Đặt vấn đề........................................................................................................51
4.2. Sơ đồ mơ hình hóa các khâu của hệ thống....................................................51
4.2.1. Mơ hình chung của robot.........................................................................51
4.2.2. Mơ hình khối tạo quỹ đạo chuyển động chuẩn.......................................51
4.2.3. Mơ hình bộ điều khiển..............................................................................52
4.3. Giao diện chương trình mơ phỏng robot Scara Serpent..............................52
4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink......................................58
4.4.1. Thông số của robot và quỹ đạo chuyển động..........................................58

4.4.2. Đặc tính của hệ thống khi robot làm việc với tải khác nhau.................58
KẾT LUẬN................................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................80
PHỤ LỤC 1: CÁC SƠ ĐỒ KHỐI.............................................................................81
PHỤ LỤC 2: CÁC CHƯƠNG TRÌNH M FILES........................................................86

3


MỞ ĐẦU
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng
sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất.
Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình
thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người
máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trị quan trọng trong sản xuất cũng như
trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di
chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thơng qua các truyền động được lập
trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận.
 Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thơng
minh.
 Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển
động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển
bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot.
Để hệ điều khiển robot có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết
kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu
cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Ngoài ra, hệ điều khiển robot phải
đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây
tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng
điện quá lớn cho lưới điện v.v...

Khi thiết kế hệ điều khiển robot mà trong đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động
truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các
chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh tế. Chất lượng của hệ thống được thể hiện
trong trạng thái tĩnh và trạng thái động. Trạng thái tĩnh yêu cầu quan trọng là độ chính
xác điều chỉnh. Trạng thái động thì có u cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất
lượng động là độ quá điều chỉnh, tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh và số lần dao
động. Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại
động cơ điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương

4


pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ
đạo của hệ.
Các cơng trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo
hai hướng là sử dụng các mô hình có đặc tính phi tuyến có thể ước lượng được để đơn
giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao
chất lượng đáp ứng của robot.
Đặc điểm cơ bản của hệ thống điều khiển robot là thực hiện được điều khiển
bám theo một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong khơng gian, tuy nhiên khi dịch chuyển
thì trọng tâm của các chuyển động thành phần và mơmen qn tính của hệ sẽ thay đổi,
điều đó dẫn đến thơng số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động và
đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyển động
thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ điều khiển robot
mang tính phi tuyến mạnh, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác
hệ thống điều khiển robot. Do vậy, khi điều khiển robot bám theo quỹ đạo đặt trước
phải giải quyết được những vấn đề sau:
 Khắc phục các lực tương tác phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc của quỹ đạo riêng
các chuyển động thành phần và quỹ đạo chung của cả hệ như: lực quán tính, lực
ly tâm, lực ma sát v.v...

 Khi trọng tâm của các chuyển động thành phần và của cả hệ thay đổi theo quỹ
đạo riêng và chung kéo theo sự thay đổi của các thơng số động học của hệ, điều
đó địi hỏi phải có sự biến thiên các tham số đưa vào bộ điều khiển tương ứng
để vẫn đảm bảo sự cân bằng, ổn định và bền vững đồng thời vẫn bám theo được
quỹ đạo đặt.
Với cơng cụ tốn vi phân người ta đã có thể phân tích tính điều khiển được, tính
quan sát được cho hệ phi tuyến.
Nội dung của đề tài nghiên cứu như sau:
1. Tên đề tài: Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara.
2. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Ứng dụng phương pháp điều khiển
động lực học ngược cho điều khiển bền vững quỹ đạo robot.
3. Mục đích của đề tài: Xây dựng cấu trúc và thuật toán điều khiển robot Scara.
5


4. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:

- Xây dựng mơ hình tốn học cho robot Scara Serpent 3 bậc tự do.
- Xây dựng hệ thống điều khiển quỹ đạo đạt độ chính xác cao.
- Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng.
Nội dung của luận văn đề cập tới vấn đề “Nâng cao chất lượng điều khiển
robot Scara” với mục tiêu điều khiển bền vững và bám chính xác quỹ đạo chuyển
động. Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương
được tóm tắt như sau:
Chương I – Tổng quan về robot và điều khiển robot: Mô tả tổng quan về
robot. Phân tích ưu, nhược điểm của một số phương pháp điều khiển robot đã và đang
được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao độ chính xác điều khiển quỹ đạo robot.
Chương II – Mơ tả tốn học đối tượng robot Scara: Nghiên cứu một số
robot trong họ Scara và đi sâu vào phân tích mơ hình Robot Scara Serpent để phục vụ
việc nghiên cứu và kiểm chứng cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển được

lựa chọn.
Chương III – Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển
để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quỹ đạo cho robot. Xây dựng mơ hình hệ
thống điều khiển cho robot Scara Serpent, xây dựng mơ hình mơ phỏng sử dụng phần
mềm Matlab-Sumulink.
Chương IV – Mơ phỏng với mơ hình robot Scara Serpent: Định hình và
kiểm chứng về mặt lý thuyết cơ sở thực tiễn của đề tài cũng như tính khả thi của
phương pháp điều khiển được lựa chọn khi áp dụng cho hoạt động bền vững của điều
khiển quỹ đạo robot Scara Serpent 3 bậc tự do.

6


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.1. Robot và robot công nghiệp
1.1.1. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot cơng nghiệp
Nhìn ngược dịng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất
hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với
tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ
máy phục dịch. Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con
người. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ
ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người.
Thời gian sau đó các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày một
phát triển hoàn thiện. Teleoperator là những cơ cấu phỏng sinh học, nó bao gồm các
khâu, các khớp cùng với các dây chằng gắn liền với hệ điều hành là cánh tay của người
điều khiển thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí. Teleoperator có thể cầm nắm, nâng
hạ, dịch chuyển, xoay lật các đối tượng trong một không gian hoạt động nhất định.
Tuy rằng các thao tác khá tinh vi, khéo léo nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng
hạn chế và hệ điều khiển chỉ thuần tuý là cơ khí.

Từ thập kỷ 50, sự phát triển đầy hứa hẹn của kỹ thuật điều khiển theo chương
trình số cứng và ngành vật liệu mới đã làm chỗ dựa vững chắc cho sự ra đời của các cơ
cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation). Ngay lập
tức ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với các cơ cấu điều khiển từ
xa (Teleoperator) được hình thành và triển khai nghiên cứu. Sự phối hợp tuyệt vời
giữa khả năng linh hoạt khéo léo của Teleoperator với độ thông minh nhạy bén của hệ
điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một hệ máy móc tự động cao cấp với tên gọi
“Robot”.
Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra
thị trường. Tiếp theo đó các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo
bản quyền của Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật (1968), Đức (1971) . . .

7


Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có
70, ở các nước Tây âu có 90, ở Mỹ có 30. Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học
kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã
tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến. Robot công
nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ,
và trong các hệ thống tự động điều khiển liên hợp.
1.1.2. Robot và công nghệ cao
Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hố hiện đại.
Các nước cơng nghiệp phát triển đã đưa ra chiến lược dùng tự động hoá hiện đại
(IR+High Tech) kéo các xí nghiệp cơng nghiệp đầu tư ở nước ngồi (trước đây vì lý
do lương thợ rẻ mạt) trở về chính quốc (dùng lao động là robot cơng nghiệp). Chính
phủ các nước này đã áp dụng những biện pháp hỗ trợ hữu hiệu như: coi robot công
nghiệp là ngành cơng nghiệp quan trọng, xây dựng nhiều chương trình nhà nước về áp
dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất robot. Khuyến khích bằng cách ưu tiên
thuế và đặt ra những quy chế có lợi cho cả người sản xuất và người sử dụng robot công

nghiệp. Nhờ vậy chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng robot công nghiệp trở nên rộng
lớn đa dạng với cơ sở nguồn động lực phát triển là “lực đẩy” của công nghệ và “lực
kéo” của thị trường.
Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết
hợp những việc phụ và chính của một q trình sản xuất thành một dây chuyền tự
động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có
nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây
chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hố tồn phần.
Khi sử dụng robot vào các dây chuyền tự động, khâu chuẩn bị kỹ thuật được rút
ngắn đi. Trong khi đó với thời gian từ lúc quyết định phương án đến lúc thiết kế xong
một dây chuyền các máy tự động, một mặt hàng hoặc quy trình cơng nghệ đó đã có thể
trở thành lạc hậu rồi. Theo số liệu của các chuyên gia Mỹ nghiên cứu về vấn đề này
khi khảo sát trên 70 đề án thiết kế thì với q nửa số đó là phương án dùng các máy tự
động chuyên dụng phải tốn hơn một năm. Vì thế, phương án dùng robot Unimate với
các máy tự động vạn năng được đưa vào sử dụng và phát huy hiệu quả to lớn.

8


Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá
sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã
cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho
sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây chuyền tự động “cứng” gồm
nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, tốn nhiều thời gian để thiết
kế và chế tạo, trong lúc quy trình cơng nghệ ln ln cải tiến, nhu cầu đối với chất
lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy, nhu cầu “mềm” hoá hay
linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật robot cơng nghiệp và máy
tính đã đóng vai trị quan trọng trong công việc tạo ra các dây chuyền tự động linh
hoạt.
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hố sản xuất, trong những năm gần

đây khơng những chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào
việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh
hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) ngày nay thường
bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện
vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hố và nhóm robot cơng
nghiệp ở các vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công
phụ. Việc điều khiển và kiểm tra hoạt động của toàn bộ hệ sản xuất linh hoạt được
thực hiện bằng máy tính. Ưu điểm nổi bật của hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với
quy mơ nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sản phẩm và
quy trình cơng nghệ. Bởi vậy, ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không
những ở các nước phát triển mà ngay cả ở những nước đang phát triển. Trong một số
tài liệu nước ngoài FMS như là hệ sản xuất của tương lai (Future Manufactring
System).
1.1.3. Định nghĩa về robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn
bộ hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích
nghi khác nhau.
Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là sự tổ hợp khả năng
hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao

9


của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến,
công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chun gia.
Robot cơng nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục
chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị
những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành giải quyết nhưng nhiệm vụ xác định
trong các quá trình cơng nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các ngun công (sơn, hàn, lắp
ráp các cụm thiết bị ...) hoặc phục vụ các q trình tổ chức dịng lưu thơng vật chất

(chi tiết, dao cụ, gá lắp...) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối
tượng vật chất với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt.
Ta có thể điểm qua một vài định nghĩa về robot công nghiệp như sau:
-

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais:
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hố,

lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả
năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình
thay đổi đã chương trình hố nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
-

Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2806/BRD:
Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự

động có thể chương trình hố và nối ghép các chuyển động của chúng trong các
khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các
bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được
trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ
sản xuất trực tiếp và gián tiếp.
-

Định nghĩa theo IOTC - 1980:
Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm

điều khiển chương trình hố, thực hiện một chu trình cơng nghệ một cách chủ động
với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người.
Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thấy một ý nghĩa quan trọng: robot công
nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, cơng cụ và các thiết bị công nghệ tự

động khác trong một hệ thống tự động tổng hợp. Trong q trình phân tích và thiết kế
không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những
10


thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hố” cho phép thích ứng
nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. Theo đó, các mẫu hình robot phải
đảm bảo có:

-

Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu.

-

Trình độ hành nghề khơn khéo, linh hoạt.

-

Kết cấu phải tn theo ngun tắc mơdun hố.

1.2. Các phương pháp điều khiển robot
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển robot đã
được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:
-

Điều khiển động lực học ngược.

-

Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.

-

Các phương pháp điều khiển thích nghi.
 Điều khiển thích nghi theo sai lệch.
 Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC).
 Điều khiển động lực học ngược thích nghi.
 Điều khiển trượt.
Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các phương pháp điều khiển robot để biết được ưu

nhược điểm của từng phương pháp.
1.2.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược
Nguyên lý của phương pháp này là chọn một luật điều khiển phù hợp để khử
thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học
của các khớp nối.

  h(q,q)
  g(q)
(t)  H(q).q(t)

(1.1)

Nếu ta biết các tham số của robot ta có thể tính được các ma trận H, h, g từ đó
có luật điều khiển.

11


  g(q)

dk  H(q)U  h(q,q)

(1.2)

cân bằng dk   với điều kiện H(q)  0 và 
q  U (vectơ điều khiển phụ ).

Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích thành hệ phương trình vi
phân tuyến tính hệ số hằng.


qU
Với robot n khớp nối tương đương với n hệ con độc lập.
Chọn U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID. Lúc đó:
..

t

  K P (q d  q)  K I  (q d  q)dt
U  q d  K D (q d  q)
0

(1.3)

trong đó: q d , q là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp.

q d , q là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp.
-

qd e

q d
d e
q


q
Tính

U



Robot


q

-

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược.
Và phương trình sai số tương ứng sẽ là:
...

..

.

 K D  K P  K I  0

(1.4)

Các hệ số KD, Kp, KI được chọn theo điều kiện ổn định của Lyapunov để sai số
giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn và quỹ đạo chuyển động thực hội tụ tại điểm 0 không
phụ thuộc vào điều kiện ban đầu.
Ưu điểm của phương pháp này là khử được tính phi tuyến và sự ràng buộc
trong phương trình động lực học.
12


Nhược điểm của nó là phải biết được đầy đủ chính xác các thơng số cũng như
đặc tính động lực học robot, đồng thời cũng phát sinh tính tốn phụ. Thuật tốn tính
tốn điều khiển U sẽ liên quan các phép tính lượng giác nên phải thực hiện một số
phép nhân ma trận vectơ và ma trận phụ. Thời gian tính tốn lớn là một yếu tố ảnh
hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này.
1.2.2. Phương pháp điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến
Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của điều khiển phân ly
cho hệ thống phi tuyến bằng phản hồi tuyến tính hố tín hiệu ra.
Từ phương trình động lực học:

  h(q, q)
  g(q)
(t)  H(q).q(t)

(1.5)

Y  Y(q)
Ma trận H khơng đơn nhất nên ta có thể viết lại như sau:


  [g(q)])

q(t)  [H(q)]1 (t)  [H(q)]1.([h(q,q)]

(1.6)

Phương trình này gồm các phương trình vi phân cấp hai cho mỗi biến, vì lẽ đó
qua hai lần vi phân phương trình đầu ra thì hệ số của tín hiệu U sẽ khác 0. Lúc này tín
hiệu U sẽ xuất hiện trong phương trình đầu ra:

  [g i (q)])

yi  y(t)  [H(q)]i 1 (t)  [H(q)]i 1.([h(q,q)]
 H i* (X).U(t)  g*i (X)

(1.7)

Với: H i* (X)  H(q)]i 1

  [g i (q)])
g*i (X)  [H(q)]i 1.([h(q,q)]
 T

T
X T  q (t), q (t) 


Tín hiệu (t) của bộ điều khiển được chọn sao cho đảm bảo hệ thống phân ly
là:

13

(t)  H* (X).[g* (X)  * (X)  E(t)]
  g(q)    * (X)  E(t) 
 -H(q)  -H -1 (q).  h(q,q)

(1.8)

  g(q) -H  * (X)  E(t) 
 h(q,q)
2

*
( j)
Trong đó:  i (x)    ij .yi ,   diag(1 ,  2 ,... n ) .
j 0

Từ phương trình (1.8) ta nhận thấy tín hiệu điều khiển i (t) cho khớp i chỉ phụ
thuộc vào các biến động lực học và tín hiệu vào E(t).
Thay (t) từ phương trình (1.8) vào phương trình (1.5) ta được:

  h(q,q)
  g(q)  h(q,q)
  g(q) -H  * (X)  E(t) 
H(q).q(t)

 i (t)   0i q i (t)   i e i (t)
q i (t)   i1q
Hay: 

(1.9)

(1.10)

Phương trình (1.10) biểu thị vào ra phân ly của hệ thống. Các hệ số 1i ,  0i ,  i
được chọn theo tiêu chuẩn ổn định.
1.2.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch
Dựa trên cơ sở lý thuyết sai lệch, Lee và Chung đã đề xuất thuật tốn điều
khiển đảm bảo robot ln bám quỹ đạo chuyển động đặt trước với phạm vi chuyển
động rộng và tải thay đổi rộng. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch
được xây dựng trên cơ sở phương trình sai lệch tuyến tính hố lân cận quỹ đạo
chuyển động chuẩn. Hệ thống điều khiển gồm hai khối: Khối tiền định (truyền
thẳng - feedforward) và khối phản hồi (feedback) như Hình 1.2.
Quỹ đạo chuyển
động chuẩn

xm(t)

Phương trình

+

x(t)

Đối tượng

Neuton-Euler

điều khiển
+
Bộ điều khiển
tối ưu một nấc

Hệ thống nhận dạng
bình phương tối thiểu
đệ quy

-

+

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển thích nghi theo sai lệch.
14


Khối tiền định tính tốn mơ men của robot ứng với quỹ đạo chuyển động
chuẩn theo phương trình Newton-Euler. Khối phản hồi thực hiện tính tốn thành
phần mơmen sai lệch theo luật tối ưu một nấc nhằm bù sai lệch vị trí và tốc độ của
khớp dọc theo quỹ đạo chuyển động chuẩn. Khối đánh giá tham số thực hiện theo
sơ đồ nhận dạng bình phương tối thiểu thời gian thực đệ quy các tham số và hệ số
phản hồi của hệ tuyến tính hố được cập nhật và chỉnh định ở mỗi chu kỳ mẫu.
Mômen tổng đặt lên cơ cấu chấp hành sẽ gồm hai thành phần: mômen danh định
được tính theo phương trình Newton-Euler từ khối tiền định và mơmen bù sai lệch
sẽ được tính bởi khối phản hồi thực hiện theo luật tối ưu một cấp.
Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có hai ưu điểm cơ bản: Nó
cho phép chuyển từ vấn đề điều khiển phi tuyến về điều khiển tuyến tính quanh
quỹ đạo chuẩn. Việc tính tốn mơmen danh định cũng như mơmen sai lệch được
thực hiện độc lập và đồng thời.
Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn do khối lượng tính tốn q lớn
và do đó thời gian tác động sẽ chậm, khó tối ưu trong việc điều khiển robot.
1.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu
Trong số các phương pháp điều khiển thích nghi (điều khiển thích nghi thông

qua điều chỉnh hệ số khuếch đại, điều khiển thích nghi tự chỉnh, điều khiển thích nghi
theo mơ hình chuẩn) thì phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn
(Model Reference Adaptive Control - MRAC) được sử dụng rộng rãi nhất và tương
đối dễ thực hiện. Nguyên lý cơ bản của điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn dựa
trên sự lựa chọn thích hợp mơ hình chuẩn và thuật tốn thích nghi. Thuật tốn thích
nghi được tính tốn dựa trên tín hiệu vào là sai lệch giữa đầu ra của hệ thống thực và
mơ hình chuẩn từ đó đưa ra điều chỉnh hệ số khuếch đại phản hồi sao cho sai lệch đó
là nhỏ nhất. Sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn
được trình bày trên Hình 1.3.

Mơ hình
chuẩn

ym

Cơ cấu điều
chỉnh

Tín hiệu
đặt
Bộ điều
chỉnh

e

+
Đầu ra y

Đối tượng
điều khiển

15
Hình 1.3: Hệ thống điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn.


Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn có một số ưu điểm quan
trọng là nó khơng bao gồm mơ hình tốn học phức tạp và khơng phụ thuộc vào tham
số môi trường... Tuy nhiên, phương pháp này chỉ thực hiện được cho mơ hình đơn giản
tuyến tính với giả thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các khớp của robot. Hơn
nữa sự ổn định của hệ thống kín cũng là một vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến
cao của mơ hình động lực học robot.
1.2.5. Phương pháp điều khiển động lực học ngược thích nghi
Là phương pháp tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ
điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất
định chất lượng của hệ khi thông số của q trình được điều khiển khơng biết
trước hoặc thay đổi theo thời gian. Việc phân tích các hệ thống điều khiển có chất
lượng cao ln là vấn đề trọng tâm trong quá trình phát triển của lý thuyết điều
khiển tự động nói chung và vấn đề nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển bám
chính xác quỹ đạo chuyển động của robot nói riêng. Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn
phân loại mà có các hệ điều khiển thích nghi khác nhau: Hệ có tín hiệu tìm hay
khơng có tín hiệu tìm; hệ điều khiển trực tiếp hay gián tiếp; hệ cực trị hay hệ giải
tích; hệ có mơ hình mẫu hay hệ khơng có mơ hình mẫu; hệ tự chỉnh hay hệ tự tổ
chức vv... đang được phát triển và và áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển
quỹ đạo với chỉ tiêu chất lượng cao. Phương pháp tổng qt hóa các hệ thích nghi
có ý nghĩa rất lớn trong việc bao quát một số lượng lớn các bài tốn thích nghi,
đơn giản được việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của ngay cả các hệ phức tạp, trên
cơ sở đó xây dựng các bài tốn mới, các thiết bị cụ thể mới.

Cơ cấu
thích nghi

Nhận dạng


x

Cơ cấu điều
khiển

u

Đối tượng điều
khiển

16
Hình 1.4: Sơ đồ khối tổng quát hệ thích nghi.

y


Vấn đề điều khiển bám chính xác quỹ đạo robot là một vấn đề luôn nhận
được sự quan tâm chú ý. Hiện nay sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật về phần
cứng và phần mềm đã cho phép giảm thời gian tính tốn, điều đó dẫn tới những
động lực cho việc thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điều khiển quỹ đạo
thích nghi cho robot.
1.2.6. Phương pháp điều khiển trượt
Điều khiển chuyển động bất biến với nhiễu loạn và sự thay đổi thơng số có thể
sử dụng điều khiển ở chế độ trượt. Điều khiển kiểu trượt thuộc về lớp các hệ thống có
cấu trúc thay đổi (Variable Structure System - VSS) với mạch vòng hồi tiếp khơng liên
tục. Phương pháp điều khiển kiểu trượt có đặc điểm là tính bền vững rất cao do vậy

việc thiết kế bộ điều khiển có thể được thực hiện mà khơng cần biết chính xác tất cả
các thơng số. Chỉ một số các thông số cơ bản hoặc miền giới hạn của chúng là đủ cho
việc thiết kế một bộ điều khiển trượt (Variable Structure Controller - VSC).

17


CHƯƠNG II
MÔ TẢ ĐỐI TƯỢNG - ROBOT SCARA SERPENT
2.1. Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất
Robot Scara là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển
động của robot này rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng
hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Robot Scara (Selectively Compliant
Articulated Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp ráp chọn lọc.
Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các
khớp đều là thẳng đứng. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một
khớp tịnh tiến. Các khớp quay hoạt động nhờ động cơ điện có phản hồi vị trí. Khớp
tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.
Một số loại robot Scara của các hãng sản xuất:

Hình 2.1a: Turbo Scara SR60 của hãng Bosch.

Hình 2.1b: Assembly Scara Robot của Hirata.

Hình 2.1c: Scara Robot của EPSON.

Hình 2.1d: Scara Robot của DENSO.

18

Hình 2.1e: Scara Robot of ADEPT.

Hình 2.1f: Scara Robot of RANOME.

Hình 2.1g: Scara Robot of KUKA.

Hình 2.1h: Scara Robot of STAUBLI.

Hình 2.2: Robot Scara Serpent của FEEDBACK.
Trong phần này luận văn sẽ xây dựng mơ tả tốn học đối tượng robot Scara
Serpent của FEEDBACK.
19


2.2. Các thông số và vùng làm việc của robot Scara Serpent
Do chuyển động của robot Scara đơn giản, dễ dàng nên nó được sử dụng khá
phổ biến trong cơng nghiệp. Ở đây nghiên cứu robot Scara Serpent (Hình 2.3) một
loại cơ bản trong nhóm robot cơng nghiệp này.

Hình 2.3: Robot Scara Serpent.
Chiều cao của Robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân
robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đổi công việc.
Với thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay được đặt trên trục cơ bản và liên hệ
với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đảm bảo được góc quay của cổ tay khơng thay đổi
trong quá trình tay máy chuyển động.
Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ servo một chiều
có phản hồi vị trí tạo thành một vịng điều khiển kín. Chuyển động thẳng đứng được
thực hiện bằng piton khí nén.
Robot Scara Serpent có thể được lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho

mỗi trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện (steering) cho tay máy
dùng các cuộn dây điện từ trong giá treo (pendant).
2.2.1. Cấu tạo tay máy robot Scara Serpent
2.2.1.1. Cấu hình của robot Scara Serpent
Bao gồm một chuỗi các thanh cứng được liên kết với nhau bởi các khớp:

20


Hình 2.4: Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên Robot Scara Serpent.
Robot Scara Serpent gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động
tịnh tiến. Gắn cho mỗi thanh nối một hệ trục toạ độ, ta có:
-

Khớp 1 quay quanh trục z0 góc θ1.

-

Khớp 2 quay quanh trục z1 góc θ2.

-

Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z2 đoạn d3.

-

Khớp 4 quay quanh trục z3 góc θ4.

2.2.1.2. Các thơng số kỹ thuật của robot Scara Serpent
Thông số của động cơ 1, 2, 3 tương ứng với các khớp 1, 2, 4 của tay máy robot

Scara Serpent (xem bảng 2.1).
-

Động cơ 1 truyền động cho khớp 1 (main).

-

Động cơ 2 truyền động cho khớp 2 (fore).

-

Động cơ 3 truyền động cho khớp 4 - khớp cổ tay (wrist).

Bảng 2.1: Thông số các động cơ của robot.
TT Loại

U(V) I(A) M(Nm) N(v/p) P(W) J(Kg.m2) R() L(H) m(Kg)

1

12

J9ZF

4,8

4.10-2

2100

15
21

0,32.104

1,38

100

0,6


2

J9ZF

12

4,8

4.10-2

2100

15

0,32.104

1,38

100

0,6

3

J12ZF 12

4,8

1,2102

2100

26

1,5.10-4

0,95

100

1

Bảng 2.2: Các thông số động học của robot Scara Serpent.
TT Thơng số

Kích thước động học

1

m1 = 4 Kg

Khối lượng thanh nối 1.

2

m2 = 1.5 Kg

Khối lượng thanh nối 2.

3

m3 = 2 Kg

Khối lượng thanh nối 3.

4

m4 = 0.6 Kg

Khối lượng thanh nối 4.

5

a1 = 0.25 m

Chiều dài thanh nối giữa 2 khớp main và fore .

6

a2 = 0.15 m

Chiều dài thanh nối giữa 2 khớp fore và cổ tay .

7

d3

Chiều dài thanh nối d3 phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy.

2.2.2. Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent
Các biến khớp có các giới hạn góc quay như sau :
1 = -96 0  960 ( so với trục Ox ).
2 = -115 0  1150 (so với trục thanh 1).
Chuyển động quay của khớp thứ nhất có hình chiếu bằng trong hệ trục toạ độ
OX0Y0 và OX1Z1 (Hình 2.5) tương ứng với góc quay tổng trong thực tế là 192 0.
Chuyển động quay của khớp thứ hai có hình chiếu bằng trong hệ trục toạ độ OX 1Y1 và
OX2Y2 tương ứng với góc quay tổng là 2300. Từ đó ta có thể thấy được hình chiếu giới
hạn khơng gian làm việc của nó (Hình 2.6).

22


Hình 2.5: Giới hạn góc quay của 2 khớp.

Hình 2.6: Giới hạn không gian làm việc của robot Scara Serpent.
Như vậy khoảng khơng gian mà tay máy có thể với tới là tồn bộ hình trụ với
đáy có đường giới hạn bên trong là một cung trịn có bán kính r = 0.231 (m) và
đường giới hạn bên ngoài là đường trịn bán kính R = 0.4 (m).

23


Khi biết được vị trí nào mà tay máy có thể đến được chúng ta có thể lập trình
trong Matlab để tìm vị trí, quỹ đạo nào mà tay máy có thể vươn tới (được xét đến ở
chương III trong bản luận văn này).
2.3. Động học robot Scara Serpent
Robot Scara Serpent có cấu trúc động học được biểu diễn như trên Hình 2.4.
Robot có 3 trục quay và 1 bàn kẹp, tuy nhiên ba khớp động đầu tiên được gọi là bộ
phận cơ bản vì trước hết, nhờ chúng tay máy có thể thực hiện bước chủ yếu trong thao
tác định vị, tức là đưa bàn kẹp đến lân cận điểm làm việc, sau đó nhờ khớp động cịn
lại bàn kẹp được định hướng và vi chỉnh đến vị trí gia cơng chính xác.
2.3.1. Động học thuận
Việc xây dựng các phương trình động học thuận của robot được tiến hành tuần
tự theo các bước sau:
Bước 1: Xác định các hệ toạ độ
Ta sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg để mô tả đầy đủ vị trí của của tồn
thân robot cơng nghiệp. Hình 2.4 mơ tả các hệ trục toạ độ gắn với các khúc tay của
robot Scara Serpent.
Bước 2: Xây dựng bảng thông số DH
Bảng 2.3: Tham số Denavit – Hartenberg của robot Scara Serpent.
Thanh nối

i (0)

ai

i(rad)

di (m)

Biến

Chuyển động

1

0

a1

1

0

1

Quay

2

-1800

a2

2

0

2

Quay

3

0

0

0

d3

d3

Tịnh tiến

4

0

0

4

0

4

Quay

Khảo sát với 3 trục khớp quay đầu tiên tương ứng với quỹ đạo của khớp quay 4
trong mặt phẳng OX0Y0. Ma trận T4 là ma trận biểu diễn tay máy robot trong hệ trục
tọa độ gốc: T4= A1.A2.A3.A4

24


cos n
 sin 
n
An= 
 0

 0

 sin n cos  n
cos n cos  n
sin  n
0

sin n sin  n
 cos n sin  n
cos  n
0

a n cos n 
a n sin n 
dn 


1 

Thay số liệu trong bảng tham số có:

 cos 1
 sin 
1
A1  
 0

 0

 sin 1 0 a 1.cos 1 
cos 1 0 a 1 sin 1 
0
1
0 

0
0
1 

 cos 2
 sin 
2
A2  
 0

 0

sin 2
 cos 2

1
0
A3  
0

0

0
1
0
0

cos 4
 sin 
4
A4  
 0

 0

0
0

a 2 .cos 2 
a 2 sin 2 



1
0

0
1

0
0

0 0
0 0 
1 d3 

0 1

 sin 4 0 0 
cos 4 0 0 
0
1 0

0
0 1

 Ký hiệu: S1  Sin1 ; C1  Cos1
S2  Sin2 ; C2  Cos2
S4  Sin4 ; C4  Cos4
S12  Sin(1+2); C12  Cos(1+2)

25

(2.1)