Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO
TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP

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

Đà Nẵng, 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MAI TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO
TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
:
62.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ TIẾN DŨNG

ĐÀ NẴNG, 2020



ii
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO
TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP
Học viên: Mai Tiến Sỹ. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
Khóa: K36.TĐH Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Ngày nay với vận tốc phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, con người ngày càng
nghiên cứu và chế tạo ra nhiều hệ thống có độ phức tạp và chính xác cao. Các tay máy robot đóng một
vai trị rất quan trọng trong các hệ thống tự động hóa cơng nghiệp. Đặc biệt, chúng rất phù hợp để làm
việc trong các môi trường độc hại, nguy hiểm nơi mà con người khơng thể có mặt hoặc để thực hiện
những cơng việc mang tính lặp đi lặp lại một cách nhàm chán, căng thẳng. Nhưng đem lại hiệu quả và
năng suất lao động cao.
Vấn đề nghiên cứu các thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp đã và đang được các
nhà nghiên cứu, các trường đại học, các viện nghiên cứu và các công ty đầu tư thực hiện trong nhiều
thập kỷ qua. Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode control) đã nhận được nhiều sự
chú ý như là một phương pháp điều khiển hữu ích, mạnh mẽ và hiệu quả để khắc phục những thành
phần bất định, nhiễu loạn bên ngoài và các biến thiên tham số khơng thể đốn trước của tay máy robot
cơng nghiệp. Chính vì vậy, ngày nay các biến thể và cải tiến của phương pháp điều khiển trượt áp
dụng cho tay máy robot công nghiệp vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn nữa chất
lượng, hiệu quả hoạt động điều khiển tay máy robot cơng nghiệp.
Đề xuất thuật tốn điều khiển bậc cao cho tay máy robot công nghiệp nhằm tính tốn chính xác
hơn tín hiệu điều khiển (mơ-men) cần đưa vào các khớp, đồng thời đạt được chất lượng điều khiển

cao: bám theo quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ, bền vững với các nhiễu loạn cũng như sự thay đổi
tham số, giảm thiểu hiện tượng rung của tín hiệu điều khiển. Mục đích là nhằm có được tính ổn định
cao của Robot cơng nghiệp khi hoạt động.

RESEARCH DESIGN KIT SLIDER CONTROLLER FOR TWO
HAND ROBOT INDUSTRIAL
Today, with the rapid development speed of science and technology, people are increasingly
researching and manufacturing many systems with high complexity and precision. Robotic hands play
a very important role in industrial automation systems. In particular, they are suitable for working in
hazardous and hazardous environments where people cannot be present or to perform repetitive,
boring and stressful tasks. But bring efficiency and high labor productivity.
The study of industrial robot control algorithms has been carried out by researchers,
universities, research institutes and investment companies for decades. In particular, the sliding control
method has received a lot of attention as a useful, powerful and effective control method to overcome
uncertain components, external disturbances and other problems. variable unpredictable parameter of
industrial robot arms. Therefore, today the variations and improvements of the sliding control method
applied to industrial robot arms are still being further studied to further improve the quality and
efficiency of controlling robot arms. industry.
Proposing a high-level control algorithm for industrial robot arms to more accurately calculate
the control signal (torque) to be inserted into the joints, and at the same time achieve high control
quality: following the desired trajectory Want to make small errors, sustain the disturbances as well as
change the parameters, minimize the vibration of the control signal. The purpose is to obtain high
stability of Industrial Robot in operation.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT .................................................................................................................... ii

MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................................v
DANH MỤC CÁC H NH ........................................................................................... vi
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.........................................................................1
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................2
5. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................3
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu ..............................................................................3
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ..........................................................................5
1.1. Giới thiệu về lịch sử phát triển của Robot công nghiệp ...........................................5
1.2. Giới thiệu về tay máy robot công nghiệp..................................................................6
1.3. Phân loại Robot công nghiệp. ...................................................................................6
1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp. .............................................................................7
1.5. Một số phương pháp điều khiển tay máy Robot công nghiệp ..................................9
1.5.1. Điều khiển tính momen ...................................................................................9
1.5.2. Điều khiển thích nghi ....................................................................................12
1.5.3. Điều khiển trượt. ...........................................................................................13
1.6. Tổng quan đề tài......................................................................................................14
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ H NH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT ..15
2.1. Động học thuận, động học ngược của tay máy Robot hai bậc tự do. .....................15
2.1.1. Động học thuận của tay máy robot. ..............................................................15
2.1.2. Động học ngược của tay máy robot 2 bậc tự do ...........................................23
2.2. Mơ hình động lực học của tay máy Robot n bậc tự do ...........................................25
2.2.1. Giới thiệu về động lực học của robot............................................................25
2.2.2. Động lực học Lagrange của tay máy robot n bậc tự do ................................25
2.2.3. Xây dựng động lực học của Robot 2 khâu ....................................................26
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC CAO CHO
TAY MÁY ROBOT CƠNG NGHIỆP .......................................................................29

3.1. Thuật tốn điều khiển trượt truyền thống áp dụng cho tay máy robot ...................29
3.2. Lý thuyết thuật toán điều khiển trượt bậc cao ........................................................33


iv
3.3. Thuật toán điều khiển trượt bậc 2 cho tay máy robot cơng nghiệp ........................35
CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........................................39
4.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt
động với thuật toán điều khiển trượt truyền thống theo phương pháp lớp biên
(BLM) ........................................................................................................................39
4.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt
động với thuật toán điều khiển trượt bậc 2 (SOSMC – Second order Sliding Mode
Control) ........................................................................................................................52
4.3. So sánh kết quả hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do
giữa 2 trường hợp sử dụng thuật toán BLM và SOSMC: .............................................59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................66
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


v

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Bộ thông số DH của tay máy robot 2 bậc tự do

22

4.1.

Các thông số kỹ thuật của tay máy robot 2 bậc tự do

39


vi

DANH MỤC CÁC H NH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Phân loại thiết bị tay máy

7

1.2.

Robot hàn trong cơng nghệ sản xuất cơ khí.

8

1.3.

Robot xếp gạch, Robot gắp lựu đạn.

8

1.4.

Robot gắp thuốc nổ, Robot làm việc trong nhà máy điện hạt
nhân, Robot phun sơn.

8

1.5.

Sơ đồ khối bộ điều khiển tính mơ men

10

1.6.

Sơ đồ khối bộ điều khiển giống tính mơ men

11

2.1.

Hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối

17

2.2.

Các vector định vị và định hướng của bàn tay máy

18

2.3.

Chiều dài và góc xoắn của một khâu

19

2.4.

Các thông số cơ bản của một khâu (q, d, l và α)

19

2.5.

Định vị và định hướng tay máy robot trường hợp tổng quát

20

2.6.

Toán đồ chuyển vị của tay máy robot trường hợp tổng quát

21

2.7.

Tay máy robot 2 bậc tự do

22

3.1.

Điểm trạng thái nằm yên trên mặt trượt và tiến về gốc tọa độ,
khơng có hiện tượng chattering

31

3.2.

Trong q trình điểm trạng thái tiến về gốc tọa độ, xảy ra hiện
tượng chattering

31

3.3.

Mặt trượt có lớp biên

32

4.1.

Cánh tay máy 2 bậc tự do.

39

4.2.

Mơ hình mơ phỏng tồn hệ thống trên Matlab, Simulink và
SimMechanics

40

4.3.

Mơ phỏng phần cơ khí của tay máy robot trên SimMechanics

40

4.4.

Khối mơ phỏng Robot.

40

4.5.

Khối mơ phỏng thuật tốn điều khiển trượt truyền thống.

41

4.6.

Đồ thị góc quay của khớp 1

41

4.7.

Đồ thị góc quay của khớp 2

42

4.8.

Tín hiệu điều khiển khớp 1

42

4.9.

Zoom tín hiệu điều khiển khớp 1

43

4.10.

Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 2

43

4.11.

Zoom tín hiệu điều khiển khớp 2

44


vii
Số hiệu
hình
4.12.
4.13.
4.14.
4.15.

Tên hình
Mặt trượt s1
Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra
chattering
Mặt trượt s2
Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra
chattering

Trang
44
45
45

46

4.16.

Đồ thị góc quay của khớp 1

46

4.17.

Đồ thị góc quay của khớp 2

47

4.18.

Tín hiệu điều khiển khớp 1

47

4.19.

Zoom tín hiệu điều khiển khớp 1

48

4.20.

Tín hiệu điều khiển khớp 2

48

4.21.

Zoom tín hiệu điều khiển khớp 2

49

4.22.

Mặt trượt s1

49

4.23.
4.24.
4.25.

Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra
chattering
Mặt trượt s2
Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra
chattering

50
50
51

4.26.

Tín hiệu điều khiển của khớp 1

52

4.27.

Zoom tín hiệu điều khiển của khớp 1

52

4.28.

Tín hiệu điều khiển của khớp 2

53

4.29.

Zoom tín hiệu điều khiển của khớp 2

53

4.30.

Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1

54

4.31.

Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2

54

4.32.

Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1

55

4.33.

Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2

55

4.34.

Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 1

56

4.35.

Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 2

56

4.36.

Mặt trượt S1_SOSMC

57

4.37.

Zoom mặt trượt S1_SOSMC

57

4.38.

Mặt trượt S2_SOSMC

58

4.39.

Zoom mặt trượt S2_SOSMC

58


viii
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

4.40.

Sai số momen góc quay của khớp 1

59

4.41.

Zoom Sai số momen góc quay của khớp 1

59

4.42.

Sai số momen góc quay của khớp 2

60

4.43.

Zoom Sai số momen góc quay của khớp 2

60

4.44.

So sánh momen của khớp 1

61

4.45.

Zoom So sánh momen của khớp 1

61

4.46.

So sánh momen của khớp 2

62

4.47.

Zoom so sánh momen của khớp 2

62


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các tay máy robot đóng một vai trị rất quan trọng trong các hệ thống tự động
hóa cơng nghiệp. Đặc biệt, chúng rất phù hợp để làm việc trong các môi trường độc
hại, nguy hiểm nơi mà con người khơng thể có mặt hoặc để thực hiện những cơng việc
mang tính lặp đi lặp lại một cách nhàm chán, căng thẳng.
Tại Việt Nam, tay máy robot đã được triển khai trong các ngành sản xuất vật liệu
xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, cơng nghiệp đóng tàu và một vài lĩnh vực khác.

Trong chiến lược phát triển công nghiệp Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn 2035,
chính phủ đã đặt mục tiêu giá trị sản phẩm công nghiệp công nghệ cao và sản phẩm
ứng dụng công nghệ cao đến năm 2025 đạt khoảng 45% tổng GDP, sau năm 2025 đạt
trên 50%. Trong đó, định hướng đến năm 2020 Việt Nam có thể nghiên cứu, thiết kế
và sản xuất robot công nghiệp. Để làm được điều này, Việt Nam cần tập trung phát
huy nghiên cứu phát triển, làm chủ công nghệ về robot - lĩnh vực trung tâm của cuộc
cách mạng công nghệ lớn.
Vấn đề nghiên cứu các thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp đã và
đang được các nhà nghiên cứu, các trường đại học, các viện nghiên cứu và các công ty
đầu tư thực hiện trong nhiều thập kỷ qua. Trong đó, phương pháp điều khiển trượt
(Sliding mode control) đã nhận được nhiều sự chú ý như là một phương pháp điều
khiển hữu ích, mạnh mẽ và hiệu quả để khắc phục những thành phần bất định, nhiễu
loạn bên ngoài và các biến thiên tham số khơng thể đốn trước của tay máy robot công
nghiệp. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển trượt tồn tại một số nhược điểm như cần
phải xây dựng mơ hình động lực học của tay máy robot và tồn tại hiện tượng dao động
(chattering) của tín hiệu điều khiển. Chính vì vậy, ngày nay các biến thể và cải tiến của
phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp vẫn đang được
tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn nữa chất lượng, hiệu quả hoạt động điều khiển tay
máy robot công nghiệp.
Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều
khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot công
nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ chính xác, bền vững và đồng thời khắc phục được hiện
tượng chattering.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
 Mục tiêu tổng quát:
Đề xuất thuật toán điều khiển bậc cao cho tay máy robot cơng nghiệp nhằm tính
tốn chính xác hơn tín hiệu điều khiển (mơ-men) cần đưa vào các khớp, đồng thời đạt


2

được chất lượng điều khiển cao: bám theo quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ, bền
vững với các nhiễu loạn cũng như sự thay đổi tham số, giảm thiểu hiện tượng rung của
tín hiệu điều khiển.
- Xây dựng được thuật toán điều khiển bậc cao cho tay máy robot công nghiệp.
- Đánh giá được sự hiệu quả của phương pháp cải tiến so với phương pháp thuật
toán điều khiền truyền thống.
 Mục tiêu cụ thể:
Mơ hình tốn của điều khiển bậc cao cho tay máy robot công nghiệp, phản ánh
sát đối tượng thực tế với sai lệch nhỏ nhất; mô phỏng được đối tượng trên Matlab
Simulink và SimMechanics.
Bộ điều khiển bậc cao phải đạt yêu cầu chất lượng đề ra được kiểm chứng kết
quả bằng cách mô phỏng trên Matlab Simulink và SimMechanics.
3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu được chọn là tay máy robot 2 bậc tự do (hình 2.1), truyền
động bằng 2 động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Đề tài chỉ thực hiện nghiên cứu trong phạm vi đối tượng dựa vào mô phỏng trên
Matlab Simulink và không thực hiện trên thiết bị thực tế.
Để đơn giản, luận văn giả thiết mơ-men qn tính của đối tượng tay máy robot là
không đổi; tải trọng thay đổi không đáng kể so với khối lượng tay máy robot; tổng các
thành phần động học chưa mơ hình hóa và tín hiệu nhiễu bị chặn và sẽ được cho giá trị
thử nghiệm khi mô phỏng. Luận văn bỏ qua giai đoạn thiết kế động học và giả thiết
quỹ đạo mong muốn của tay máy robot đã biết trước.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Bằng phương pháp phân loại, hệ thống hóa các lý thuyết điều khiển phi tuyến,
mơ hình tốn của đối tượng, tác giả sẽ xây dựng bộ điều khiển điều khiển bậc cao cho
tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do. Cụ thể tác giả sẽ nghiên cứu lý thuyết các lĩnh
vực sau:
- Lý thuyết về động học thuận, động học ngược của tay máy robot.

- Lý thuyết về động lực học của tay máy robot.
- Các phương pháp điều khiển thông minh như: lý thuyết điều khiển trượt,
điều khiển tính mơ men, điều khiển thích nghi…
 Nghiên cứu thực tiễn:
Khi đã có đầy đủ cơ sở lý thuyết, tác giả sẽ tiến hành mô phỏng trên Matlab
Simulink và SimMechanics để kiểm tra, so sánh và đánh giá kết quả giữa thuật toán


3
điều khiển trượt bậc cao so sánh với thuật toán điều khiển trượt truyền thống.
5. C u tr c của uận văn
Bản luận văn gồm 4 chương chính, nội dung tóm tắt như sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung.
Phần này chủ yếu giới thiệu về lịch sử hình thành, phát triển, phân loại và các
ứng dụng và một số điều khiển tay máy Robot công nghiệp.
Chƣơng 2: Động ực học của tay máy robot.
Chương này giới thiệu sơ lược chung về động học thuận, động học ngược và
động lực học của tay máy robot n bậc tự do. Từ đó đi đến các phương trình tốn cụ thể
về động học thuận, động học ngược và động lực học của tay máy robot 2 bậc tự do. Các
phương trình tốn này là cơ sở để thiết kế các thuật toán điều khiển cho tay máy robot ở
phần kế tiếp.
Chƣơng 3: Thiết kế thuật tốn điều khiển tay máy robot cơng nghiệp.
Đây là chương chính của luận văn. Trong chương này, luận văn sẽ thiết kế thuật
toán điều khiển truyền thống và thiết kế thuật tốn điều khiển bậc cao.
Sau đó, để khắc phục hiện tượng chattering và tăng cường khả năng bền vững với
nhiễu loạn.
Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
Chương này trình bày phương án xây dựng mơ hình trên Matlab Simulink và
SimMechanics để mô phỏng đối tượng là tay máy robot 2 bậc tự do dùng thuật toán
điều điều khiển truyền thống và thuật toán điều khiển bậc cao. Mơ hình này là cơ sở để

thực hiện mơ phỏng và kiểm tra kết quả của các thuật toán điều khiển đề xuất ở
chương 3.
Cũng trong phần này, luận văn sẽ trình bày rõ các bước mơ phỏng cùng với kết
quả mô phỏng các bộ điều khiển đề xuất đã nêu ở trên, đồng thời so sánh, đánh giá các
chỉ tiêu chất lượng giữa các bộ điều khiển.
Cuối c ng là phần đánh giá kết luận và hướng phát triển của đề tài.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Đối với tài liệu tiếng Anh, đề tài chủ yếu nghiên cứu các bài báo được công nhận
trên quốc tế và một số ấn bản sách (tài liệu từ [4] đến [18]) của các tác giả như: J.-J. E.
Slotine and W. Li., Tien Dung Le, Hee-Jun Kang, and Y.-S. Suh, K. D. Young, V. I.
Utkin, and U. Ozguner, C. Min-Shin, H. Yean-Ren, and M. Tomizuka, G. Yuzheng
and W. Peng-Yung, N. Sadati and R. Ghadami, Zhang, M.; Ma, X.; Song, R.; Rong,
X.; Tian, G.; Tian, X.; Li, Y. Adaptive. Vo, A.T.; Kang, H.-J. An…
Đối với tài liệu tiếng Việt, tác giả nghiên cứu về kỹ thuật xây dựng mơ hình, mơ
phỏng trên Matlab Simulink và SimMechanics, kỹ thuật robot cơ bản và các lý thuyết


4
điều khiển hệ phi tuyến từ giáo trình của các tác giả Nguyễn Phùng Quang, Nguyễn
Doãn Phước, Phạm Đăng Phước (tài liệu [2], [3], [9]).
Ngồi ra, trong luận văn cịn có tham khảo một số kiến thức chung và hình ảnh
minh họa từ internet.


5

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu về lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
Lịch sử phát triển Robot. Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922
tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp KhKaren Kapek đã tưởng tượng ra một cổ

máy hoạt động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó ý
tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã ln thơi thúc con người. Đến năm 1948, tại phịng thí
nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành cơng tay máy đôi (master-slave
manipulator). Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đơi sử dụng động cơ servo và
có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối Năm 1956 hãng Generall Mills đã
chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm dại dương. Năm 1968 R.S. Mosher,
của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng 4 chân. Hệ thống vận hành
bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một hệ thống servo thủy lực.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 cơng ty của Nhật, trong đó có những cơng ty khổng
lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú trọng
nhiều đến việc lắp đặt thêm các cảm biến để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường
đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển
bằng vi tính trên cơ sở xử lý thơng tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian
này cơng ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều
khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ
thông tin, số lượng robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính
năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot cơng nghiệp đã có vị trí quan
trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa học
nghiên cứu về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm
các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu,
điều khiển chuyển động vv…
Từ đó trở đi con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong
qt trình tự động hố sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh. Ngoài ra Robot cịn được
sử dụng thay cho con người trong các cơng việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt, ...
Chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa
học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển
động, chất lượng điều khiển... Tuỳ thuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận, chúng

ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau. Hiện nay, có thể phân biệt


6
các loại Robot ở hai mảng chính: Các loại robot công nghiệp (cánh tay máy) và các
loại robot di động (mobile robot). Mỗi loại có các ứng dụng cũng như đặc tính khác
nhau. Ngồi ra, trong các loại robot cơng nghiệp còn được phân chia dựa vào cấu tạo
động học của nó: Robot nối tiếp (series robot) và robot song song (parallel robot).
1.2. Giới thiệu về ta má robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc
toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con.
Robot là sự kết hợp các mối liên kết cơ học, được điều khiển bằng điện, thủy lực
hoặc bằng khí nén. Hầu hết các robot đều sử dụng động cơ DC hoặc AC-servo hoặc
động cơ bước vì giá thành rẻ, hoạt động êm hơn và tương đối dễ kiểm soát.
Các ứng dụng chẳng hạn như hàn, mài, và lắp ráp,chuyển động phức tạp có thêm
một số dạng cảm biến bên ngồi như cảm biến thị giác, xúc giác hoặc cảm biến lực...
1.3. Phân loại Robot công nghiệp.
Trong thực tiễn kỹ thuật, khái niệm robot hiện đại được hiểu khá rộng, mà theo
đó robot là “tất cả các hệ thống kỹ thuật có khả năng cảm nhận và xử lý thông tin cảm
nhận được, để sau đó đưa ra hành xử thích hợp”. Theo cách hiểu này, các hệ thống xe
tự hành, hay thậm chí một thiết bị xây dựng có trang bị cảm biến thích hợp như
camera, cũng được gọi là robot. Các khái niệm như Hexapod, Parallel Robot, Tripod,
Gait Biped, Manipulator Robocar hay Mobile Robot nhằm chỉ vào các hệ thống robot
khơng cịn gắn liền với các hình dung ban đầu của con người.
Đề tài này chỉ nghiên cứu trên đối tượng robot công nghiệp, thực chất là một
thiết bị tay máy (Handling Equipment). Công nghệ tay máy (Handling Technology) là
công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực hiện các chuyển động theo
nhiều trục trong không gian, tương tự như ở con người.
Về cơ bản có thể phân thiết bị tay máy thành 2 loại chính: điều khiển theo
chương trình hay điều khiển thơng minh (hình 1.1). Loại điều khiển theo chương trình

gồm 2 họ:
Chương trình cứng: Các thiết bị bốc dỡ, sắp xếp có chương trình hoạt động cố
định. Ta hay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại. Chúng có rất ít trục chuyển
động và chỉ thu thập thông tin về quãng đường qua các tiếp điểm hành trình. Ta khơng
thể điều khiển chúng theo một quỹ đạo mong muốn.
Chương trình linh hoạt: Là họ robot mà người sử dụng có khả năng thay đổi
chương trình điều khiển chúng tuỳ theo đối tượng công tác. Ta hay gặp chúng trong
các công đoạn như hàn, sơn hay lắp ráp của công nghiệp ôtô.


7

Thiết bị tay máy
robot

Điều khiển
thông minh

Điều khiển tay
máy robot từ xa

Điều khiển theo
chƣơng trình

Chƣơng
trình cứng

Chƣơng trình
inh hoạt

Máy bốc dỡ,
xếp đặt

Robot cơng
nghiệp

Hình 1.1. Phân loại thiết bị tay máy
Loại điều khiển thơng minh có 2 kiểu chính:
Manipulator: Là loại tay máy được điều khiển trực tiếp bởi con người, có khả
năng lặp lại các chuyển động của tay người. Bản chất là dạng thiết bị hỗ trợ cho sự
khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) và kinh nghiệm của
người sử dụng, thường được sử dụng trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức hợp
có tính chính xác cao, hoặc môi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, mơi trường khó tiếp
cận v.v...
Telemanipulator: Là loại manipulator được điều khiển từ xa và người điều khiển
phải sử dụng hệ thống camera để quan sát môi trường sử dụng.
1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp.
Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp là nâng cao năng suất dây chuyền công
nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện lao động. Điều này xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của
robot như sau:
Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ
lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc. Do đó Robot giúp nâng
cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể


8
chi phí nhân cơng.
Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ.

Robot giúp cải thiện điều kiện lao động. Đây là ưu điểm nổi bật nhất khi robot có
thể thay thế con người làm việc trong các điều kiện rất khắc nghiệt trong thực tế.
Dưới đây là một số hình ảnh về các robot công nghiệp và các ứng dụng mà chúng
ta thường gặp.
Một số robot cơng nghiệp:

Hình 1.2. Robot hàn trong cơng nghệ sản xuất cơ khí.

Hình 1.3. Robot xếp gạch, Robot gắp lựu đạn.

Hình 1.4. Robot gắp thuốc nổ, Robot làm việc trong nhà máy điện hạt nhân, Robot
phun sơn.


9
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển
động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt
ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật
chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình
hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
1.5. Một số phƣơng pháp điều khiển ta má Robot cơng nghiệp
1.5.1. Điều khiển tính momen
Một vấn đề cơ bản trong điều khiển robot là làm sao để tay máy robot bám theo
quỹ đạo mong muốn được lập từ trước. Trước khi robot có thể thực hiện được cơng
việc hữu ích, ta cần phải điều khiển vị trí cho robot một cách chính xác và kịp thời. Ở
phần này, chúng ta sẽ bàn về phương pháp điều khiển tính mơ men, một phương pháp
điều khiển đơn giản, dễ thực hiện và được ứng dụng nhiều trong thực tế.
Đã có rất nhiều loại điều khiển được đề xuất để điều khiển tay máy robot, đa số
các bộ điều khiển này có thể được xem là một trường hợp đặc biệt của bộ điều khiển
tính mơ men. Và điều khiển tính mơ men lại là một ứng dụng đặc biệt phản hồi tuyến

tính hóa của hệ phi tuyến rất phổ biến trong lý thuyết điều khiển hiện đại (theo Hunt và
các cộng sự, 1983; Gilbert và Ha – 1984). Trên thực tế, ta có thể chia các bộ điều
khiển tay máy robot làm 2 loại là “giống tính mơ men” và “khơng giống tính mơ men”.
Phương pháp điều khiển giống tính mơ men thường xuất hiện trong các bộ điều khiển
bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển học…
Bỏ qua thành phần ma sát và nhiễu, phương trình động lực học của tay máy robot
n bậc tự do được mô tả như sau:
( ) ̈
( ̇) ̇
( )
(1.1)
Trong đó:
q: là biến khớp tay máy robot;

: là lực tổng quát đặt lên khớp quay robot.
M(q): là ma trận quán tính, thể hiện đặc tính cơ học của robot.
( ̇ ): là ma trận lực hướng tâm và Coriolis của robot.
G(q): là ma trận trọng lực của robot.
Xét tín hiệu điều khiển sau :
( )
(

̇) ̇

( )

(1.2)
Tín hiệu này thường được gọi là điều khiển tính mơ men, gồm có một vịng trong
để bù thành phần phi tuyến và một vịng ngồi với tín hiệu điều khiển v. So sánh với
phương trình động lực học, ta thấy

̈ . Sơ đồ khối bộ điều khiển như hình 1.5.


10

v

+

M(q)

𝒒̇

 Tay máy



q

robot

+
𝑪(𝒒 𝒒̇ )𝒒̇
𝑮(𝒒)
Hình 1.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển tính mơ men
Một lưu ý quan trọng là tín hiệu điều khiển này biến vấn đề thiết kế một hệ phi
tuyến phức tạp thành một vấn đề đơn giản hơn là thiết kế cho một hệ tuyến tính gồm n
khối con tách rời. Do đó, đến đây ta sẽ thiết kế tín hiệu điều khiển v cho vịng ngồi
của bộ điều khiển tính mơ men. Chọn v là một khâu phản hồi vi phân tỉ lệ PD như sau:

̈

̇

(1.3)

Trong đó, các tín hiệu sai lệch được định nghĩa như sau:
̇

̇

̇

̈

̈

̈

Kv, Kp  Rn x n là các ma trận chéo xác định dương được chọn sao cho đảm bảo
hệ thống ổn định.
Khi đó hàm điều khiển tổng quát trở thành:
( )( ̈
̇

)

(

̇) ̇

( )

(1.4)

Và phương trình động học sai lệch tuyến tính được xác định như sau:
̈

̇

(1.5)

Theo lý thuyết hệ thống tuyến tính thì hàm điều khiển nói trên có thể đảm bảo sai
lệch hệ thống hội tụ về 0.
Luật điều khiển tính mơ men nói trên là trường hợp lý tưởng khi giả định mơ
hình tốn của đối tượng là hồn tồn chính xác với thực tế. Tuy nhiên, trong thực tế thì
các thơng số mơ hình đối tượng như M, C, G khơng thể mơ hình hóa chính xác tuyệt
đối, lúc nào cũng tồn tại những thành phần bất định (uncertainty) trong hệ. Và giá trị
mà chúng ta d ng để thiết kế bộ điều khiển chỉ là giá trị tính tốn. Khi đó:
̂( ̇ ) ̇ ̂ ( )
̂( )
(1.6)
Trong đó, ký hiệu “^” để chỉ các giá trị tính tốn hay giá trị bình thường
(norminal value). Sơ đồ khối bộ điều khiển được vẽ lại như hình 1.6.


11

v

+

̂ (q)
𝑴

 Tay máy



robot

𝒒̇
q

+
̂ (𝒒 𝒒̇ )𝒒̇
𝑪
̂ (𝒒)
𝑮
Hình 1.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển giống tính mơ men
Chúng ta gọi các phương pháp điều khiển có dạng như (1.6) ở trên là các dạng
điều khiển giống tính mơ men. Khi đó hàm điều khiển v sẽ được thiết kế để bù cho các
thành phần bất định của đối tượng. Một phương pháp b vịng ngồi để đạt mục tiêu
bám quỹ đạo của robot là bù cấu trúc biến đổi (variable-structure compensation) như
sau:
̈
{

̇

(

)

(
‖

(1.7)
)
‖

‖

‖

‖

‖

Trong đó:
(
+

(
)
̇ )
+ P là ma trận (2n x 2n) đối xứng, các định dương thỏa mãn:
+ Ma trận A được định nghĩa như sau:
(

)

+ Q là ma trận (2n x 2n) đối xứng, xác định dương bất kỳ.
Và :
(

)

[

‖ ‖‖ ‖

Trong đó :
+ α,  là các hằng số dương thỏa mãn:
( )̂( )
‖
‖
‖ ̈ ( )‖
[

+ K = [Kp Kv]  Rn x 2n;

]

̅

(

)]

(1.8)


12
+ Hàm  được định nghĩa như sau :
( ̇ ) ̇ ̂( )
‖ ̂( ̇ )

( )‖

(

)

Sự hội tụ về 0 của sai lệch bám quỹ đạo có thể được chứng minh khi sử dụng
hàm Lyapunov V = xTPx.
1.5.2. Điều khiển thích nghi
Thích nghi là q trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động điều khiển trên
cơ sở lượng thơng tin có được trong q trình làm việc với mục đích đạt được một
trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu cũng như khi
điều kiện làm việc thay đổi, hay điều khiển thích nghi là tổng hợp các kĩ 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 hay thay đổi theo thời gian.
Một bộ điều khiển thích nghi khác với bộ điều khiển thông thường khác ở chỗ là
các tham số của bộ điều khiển thay đổi theo thời gian, với một cơ chế hiệu chỉnh
online dựa trên một số tín hiệu trong hệ thống vịng kín. Với phương án điều khiển
này, mục tiêu điều khiển có thể đạt được thậm chí nếu đối tượng có tham số bất định.
Đối với tay máy robot, có rất nhiều tham số bất định xảy ra trong hệ thống như
tính dẻo của các khớp và các thanh, nhiễu ngồi, đặc tính động lực học của cơ cấu

chấp hành, ma sát trên các khớp, nhiễu trên cảm biến và các thành phần động lực học
chưa mơ hình hóa được. Các tham số biến đổi của bộ điều khiển thích nghi được ước
lượng online và được hiệu chỉnh bằng một cơ chế dựa trên các tín hiệu đo lường (theo
J. J. E. Slotine và W. Li, 1991; Lewis và các cộng sự, 2004; Siciliano và Khatib,
2008).
Ta phân tích tay máy robot có mơ hình động lực học như sau:
( ) ̈
( ̇) ̇
( )
( ̇)
(1.9)
Định nghĩa hàm sai lệch bổ sung như sau:
̇ ̇

̇

̈

(1.10)

Trong đó:
+ e = qd – q là tín hiệu sai lệch quỹ đạo tay máy robot;
+

= diag(1, 2,… n) là ma trận đường chéo xác định dương.

Kết hợp

̇ với phương trình động lực học (1.9), ta được:
()

( ) ̇
( ̇)

Trong đó, Y(.)  R

nxn

(1.11)

đại diện cho ma trận hồi quy;   R là vector các tham
n

số biến đổi của bộ điều khiển. Tín hiệu mơ men điều khiển và quy luật cập nhật có
dạng như các phương trình sau:


13
( )̂
̂̇

(1.12)

()

(1.13)
= diag(1, 2 …n) là ma trận chéo

Trong đó, ̂ chỉ ước lượng vector tham số;

xác định dương.

Tóm lại, tín hiệu mơ men điều khiển thích nghi được tính toán dựa trên r, (1.12)
và (1.13) như sau:
( )∫
( )(
̇)
̇
(1.14)
1.5.3. Điều khiển trượt.
Xét lại đối tượng tay máy robot có mơ hình động lực học như phương trình (1.1),
trong đó:
̂
̂
̂
là các thơng số động lực học chính xác
của đối tượng tay máy robot; và M, C, G là các sai số mơ hình hóa (bị chặn). Gọi
 là vector đại diện cho tổng các thành phần bất định do sai số mơ hình hóa và tín
hiệu nhiễu ngồi, ta có:
̈

( )
̇

Ta chấp nhận giả thiết rằng  bị chặn: |

|

|

(1.15)

|

Từ đó, phương trình động lực học của tay máy robot có thể được viết lại như sau:
̂( ̇ ) ̇ ̂ ( )
̂( )
(1.16)
Gọi qd  Rn là vector quỹ đạo mong muốn của tay máy robot. Ta định nghĩa lại
các vector sai lệch quỹ đạo như sau:
̇

̇

̇

̈

̈

̈

Định nghĩa mặt trượt:
̇
Trong đó,

̇

( ̇

)
̇

̇

(1.17)

= diag(1,2,…, n) là ma trận chéo thể hiện đặc tính chuyển động

của mặt trượt, 1,2,…, n là các hằng số dương; ̇
̇

được định nghĩa là

vector vận tốc tham chiếu.
Ta cần thiết kế luật điều khiển  sao cho quỹ đạo trạng thái của hệ thống hướng
về mặt trượt và giữ lại trên đó. Điều kiện trượt như sau:
| |
Với

i

(1.18)

là các hằng số dương. Phương trình (1.18) cho thấy năng lượng của s sẽ

luôn bị suy giảm mỗi khi s  0. Về mặt tổng quát, tín hiệu điều khiển  bao gồm 2
thành phần:
(1.19)
Trong đó, thành phần eq  Rn là tín hiệu điều khiển cân bằng, giúp giữ quỹ đạo

14
trạng thái của hệ thống ở lại trên mặt trượt. Thành phần sw  Rn là tín hiệu điều khiển
chuyển mạch (không liên tục) với nhiệm vụ là kéo trạng thái hệ thống quay về mặt
trượt mỗi khi hệ thống bị đẩy ra ngoài mặt trượt do tác động của các thành phần bất
định. Thành phần điều khiển cân bằng được xác định cho hệ thống ở trạng thái bình
thường, khơng có tác động của thành phần bất định và nhiễu bên ngoài như sau:
̂( ̇ ) ̇ ̂ ( )
̂( )
(1.20)
Tín hiệu điều khiển chuyển mạch được thiết kế như sau:
( )
(1.21)
Với K = diag(k1, k2…kn) là ma trận đường chéo với các hệ số hằng dương, được
| |
chọn sao cho
.
Thay (1.20) và (1.21) vào (1.19) ta có luật điều khiển trượt cho tay máy robot
như sau:
̂( ̇ ) ̇ ̂ ( )
̂( )
( )
(1.22)
Sự ổn định của hệ thống với luật điều khiển trượt như trên có thể được chứng
minh khi chọn hàm Lyapunov:

̂ .

1.6. Tổng quan đề tài
Qua so sánh và tìm hiểu các loại bộ điều khiển như điều khiển tính momen, điều
khiển thích nghi, điều khiển trượt. Vấn đề nghiên cứu các thuật toán điều khiển tay

máy robot công nghiệp đã và đang được các nhà nghiên cứu, các trường đại học, các
viện nghiên cứu và các công ty đầu tư thực hiện trong nhiều thập kỷ qua. Trong đó,
phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode control) đã nhận được nhiều sự chú ý như
là một phương pháp điều khiển hữu ích, mạnh mẽ và hiệu quả để khắc phục những
thành phần bất định, nhiễu loạn bên ngồi và các biến thiên tham số khơng thể đốn
trước của tay máy robot cơng nghiệp. Chính vì vậy, ngày nay các biến thể và cải tiến
của phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp vẫn đang
được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn nữa chất lượng, hiệu quả hoạt động điều
khiển tay máy robot công nghiệp.
Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều
khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot cơng
nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ chính xác, bền vững và đồng thời khắc phục được hiện
tượng chattering.


15

CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY
ROBOT
2.1. Động học thuận, động học ngƣợc của ta má Robot hai bậc tự do.
2.1.1. Động học thuận của tay máy robot.
2.1.1.1. Các khái niệm cơ bản.
Để biểu diễn một điểm bất kỳ trong không gian 3 chiều, người ta thường dùng
vector điểm (point vector) với một hệ quy chiếu chọn trước.
⃗

⃗
Với:

- ⃗ là vector điểm biểu diễn điểm V(a,b,c) trong hệ quy chiếu đã chọn;

⃗ là các vector đơn vị của hệ quy chiếu.
Nếu quan tâm cả về định vị và định hướng ta phải biểu diễn vector v trong không
gian 4 chiều với suất vector là một ma trận cột:
[ ]
Với w là một hằng số thực nào đó. Nếu w = 1, ta có:
[ ]

[

]

Khi đó, tọa độ của điểm V trùng với tọa độ vật lý trong không gian 3 chiều, và hệ
trục tọa độ sử dụng w = 1 được gọi là hệ tọa độ thuần nhất.
Ta quy ước một số vector đặc biệt như sau:
[0 0 0 0]T là vector không xác định.
[0 0 0 n]T với n ≠ 0 là vector không, tr ng với gốc tọa độ.
[x y z 0]T là vector chỉ hướng.
[x y z 1]T là vector điểm trong hệ tọa độ thuần nhất.
Gọi u là vector biểu diễn điểm U cần biến đổi. h là vector dẫn được biểu diễn
bằng ma trận H gọi là ma trận biến đổi, khi đó ta có:
⃗
⃗ là vector biểu diễn điểm U sau khi biến đổi bằng ma trận biến đổi H
Phép biến đổi tịnh tiến (translation):
Giả sử cần tịnh tiến một điểm U có tọa độ thuần nhất u = [x y z 1]T theo vector
dẫn h = [a b c 1]T, ta có ma trận chuyển đổi H như sau: