Luận văn thạc sĩ ứng dụng logic mờ trong điều khiển đồng bộ tính mô men thích nghi cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN NGỌC NHỰT

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG
BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY
ROBOT SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN NGỌC NHỰT

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG
BỘ TÍNH MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY
ROBOT SONG SONG PHẲNG 3 BẬC TỰ DO

Chuyên nghành

: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số

: 80520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Lê Tiến Dũng

Đà Nẵng – Năm 2018


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

Đoàn Ngọc Nhựt


ỨNG DỤNG LOGIC MỜ TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH
MƠ-MEN THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBOT SONG SONG
PHẲNG 3 BẬC TỰ DO
Học viên: Đoàn Ngọc Nhựt. Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216 Khóa: K34. Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt: – Trong luận văn này, vấn đề phân tích động học, động lực học và thiết
kế thuật toán điều khiển đồng bộ tính mơ-men thích nghi cho tay máy robot song song
phẳng ba bậc tự do 3-RRR (Revolute – Revolute – Revolute) đƣợc trình bày. Trƣớc
hết, mơ hình động học ngƣợc và động học thuận của tay máy robot 3-RRR đƣợc xây
dựng dựa vào phƣơng pháp hình học. Đó là mơ hình thể hiện mối quan hệ giữa khớp
chủ động và vị trí trên hệ tọa độ Descartes, góc xoay của khâu chấp hành cuối. Các

ma trận suy ra từ động học chính là các ma trận Jacobian, và sau đó ứng dụng các ma
trận này vào tìm các cấu hình kỳ dị đồng thời phục vụ cho việc điều khiển bằng
phƣơng pháp điều khiển tính tốn lực. Luận văn đƣa ra ba phƣơng pháp điều khiển đó
là điều khiển tính mơ men truyền thống và điều khiển tính mơ men đồng bộ và điều
khiển tính mơ-men đồng bộ thích nghi. Trong thuật tốn điều khiển tính mơ men
truyền thống, hệ thống sẽ có sai số nhiều do các sai số của mơ hình và nhiễu ngoại lực
tác động trong khi các tham số của bộ điều khiển không thể thay đổi tự động. Thuật
toán điều khiển đồng bộ sẽ sử dụng các sai số đồng bộ, sai số đồng bộ chéo, ứng dụng
vào thuật tốn điều khiển tính tốn lực để nâng cao chất lƣợng điều khiển, thuật toán
điều khiển đồng bộ tính mơ-men thích nghi kết hợp giữa điều khiển đồng bộ và bộ mờ
với tín hiệu đầu vào bộ mờ là những sai số của vận tóc và góc quay của góc chủ động
để khâu chấp hành cuối có độ bám quỹ đạo đầu vào tốt hơn so với hai bộ điều khiển
trên. Các kết quả đƣợc kiểm chứng trên Matlab/Simulink kết hợp SolidWorks nhằm
phục vụ cho việc thiết kế kích thƣớc, quỹ đạo chuyển động, phân tích khơng gian làm
việc loại trừ các cấu hình kỳ dị, tính mơ hình động lực học và điều khiển của tay máy
robot song song phẳng ba bậc tự do.
Từ khóa - Tay máy robot song song phẳng; Cấu hình kỳ dị; Động học thuận; Động
học ngƣợc; Điều khiển đồng bộ, hệ thống logic mờ.


APPLICATION OF FUZZY LOGIC IN SYNCHRONIZED
CONTROLLER FOR 3 DEGREE-OF-FREEDOM PLANAR
PARALLEL ROBOTIC MANIPULATORS
Abstract – In this thesis, the problems of

kinematics,

dynamic

model

and

synchronous control of 3 degree-of-freedom planar parallel robotic manipulators 3RRR (Revolute – Revolute – Revolute) are presented. Firstly, the inverse kinematics
and forward kinematics of the robot 3-RRR are analyzed based on geometric method.
These models demonstrate the relationship of the active joint coordinates and endeffector Cartesian coordinates, and the angle of the end-effector. The matrices which
derived from kinematic models are called Jacobian matrices which are applied to find
out singularity configurations and to calculate the dynamic model of the robot. This
dynamic model is used in computed torque

control

algorithm. The thesis also

introduces two control methods for the robot, they are conventional computed torque
control algorithm and synchronized control algorithm. The conventional computed
torque control algorithm has bigger error because of the modeling errors, uncertainties,
and the parameters variation of the robot. On the contrary, the synchronized control
algorithm which uses the synchronized error and cross-coupling error, bring about the
better control performance in comparison to the traditional control method. The results
of this thesis are verified by simulation
SolidWorks,

which

using Matlab/Simulink

combined with

are helpful for designing dimension, planning trajectory,

analyzing of singularity avoidance, modeling and designing control algorithm for the
robot manipulators.
Key words - Planar parallel robotic manipulators; Singularity; Forward kinematics;
Inverse kinematics; Synchronized control, fuzzy logic system.


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP............................................4
1.1 Giới thiệu về tay máy robot công nghiệp ..................................................................4
1.2 Phân loại robot công nghiệp ......................................................................................5
1.3 Giới thiệu tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do ...........................................10
CHƢƠNG 2 MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3-RRR ......................................................................................13
2.1 Mơ hình động học của cánh tay robot song song phẳng 3_RRR ..................13
2.1.1 Động học thuận ....................................................................................................13
2.1.2 Động học ngược ...................................................................................................14
2.1.3 Ma trận Jacobian ...................................................................................................15
2.1.4 Các cấu hình kỳ dị ................................................................................................17
2.1.5 Khơng gian làm việc loại trừ các điểm kỳ dị ................................................21
2.2 Mơ hình động lực học của cánh tay robot song song phẳng 3RRR ........................23
2.2.1 Phương pháp chung tìm mơ hình động lực học của một robot song song ..........23
2.2.2 Mơ hình động lưc học của tay máy robot song song phẳng 3_RRR. ..................26
CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TÍNH MƠ-MEN
THÍCH NGHI CHO ROBOT 3_RRR ............................................................................32
3.1. Thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển .........................................................32
3.1.1 Một số phương pháp điều khiển ..........................................................................32
3.1.2 Điều khiển tính mơ men truyền thống .................................................................32
3.2. Thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ men ...........................................................34

3.2.1 Sai số đồng bộ ......................................................................................................35
3.2.2 Sai số đồng bộ chéo .............................................................................................35
3.2.3 Thuật tốn điều khiển đơng bộ tính mơ men .......................................................35
3.3. Ứng dụng logic mờ trong đề tài ...............................................................................36
3.3.1 Khái quát về điều khiển mờ ...................................................................................36
3.3.2 Hệ thống logic mờ..................................................................................................37
3.4. Đề xuất thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ men thích nghi ứng dụng logic mờ.....38


CHƢƠNG 4. MƠ PHỎNG KIỂM NGHIỆM ............................................................45
4.1. Xây dựng mơ hình phần cơ khí của robot tr n phần mềm solidworks ...................45
4.2. Xây dựng mơ hình cánh tay robot trên matlab-simulink.........................................46
4.3. Mơ phỏng với thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển ..................................46
4.3.1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men kinh điển .....................................................46
4.3.2 Mơ phỏng với quỹ đạo trịn: ................................................................................47
4.3.3 Mô phỏng sai số theo trục X, trục Y ....................................................................48
4.3.4 Mơ phỏng so sánh quỹ đạo góc đặt và góc thực tế khâu chấp hành cuối. ........48
4.4. Mơ phỏng với thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ men ....................................49
4.4.1 Thuật tốn điều khiển tính mơ men đồng bộ .......................................................49
4.4.2 Mơ phỏng theo quỹ đạo trịn ...............................................................................49
4.4.3 Mơ phỏng sai lệch theo trục X, trục Y .................................................................50
4.4.4 Mô phỏng so sánh quỹ đạo góc đặt và góc thực tế khâu chấp hành cuối .........50
4.4.5 Mô phỏng mô-men sai lệch khi có masat và khơng có ma sát............................51
4.5. Mơ phỏng với thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ men thích nghi ...................51
4.5.1 Thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ-men thích nghi .....................................51
4.5.2 Mơ phỏng theo quỹ đạo trịn................................................................................52
4.5.3 Mô phỏng sai lệch theo trục X, trục Y .................................................................52
4.5.4 Mơ phỏng so sánh quỹ đạo góc đặt và góc thực tế khâu chấp hành cuối .........53
4.6. So sánh các trƣờng hợp sử dụng thuật toán điều khiển ...........................................53
4.6.1 So sánh với quỹ đạo tròn .....................................................................................53

4.6.2 So sánh với sai số trục X.....................................................................................54
4.6.3 So sánh bám quỹ đạo của 𝑝 ..............................................................................55
KẾT LUẬN .....................................................................................................................56
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................57


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
Ma trận xác định dƣơng có kích thƣớc 3x3
Sai số đồng bộ
Véc tơ lực tác động l n tay máy robot 3-RRR (N)
Véc tơ lực tác động l n khớp chủ động (N)
Véc tơ lực tác động l n khớp bị động (N)
Véc tơ lực tác động l n khớp chủ động và bị động (N)
Véc tơ lực tác động l n khâu chấp hành cuối (N)
Góc xoay của khâu chấp hành cuối (0)
𝑞

góc chủ động của tay máy robot
Ma trận Coriolis và lực hƣớng tâm theo góc chủ động
Ma trận Coriolis và lực hƣớng tâm tổng quát
e

Véc tơ sai lệch giữa giá trị góc mong muốn và góc thực
Sai số đồng bộ chéo

I

Ma trận đơn vị

K

Động năng (J)

L

Hàm Lagrange

𝑙

Chiều dài các thanh thứ i (m)
Ma trận quán tính theo góc chủ động
Ma trận qn tính tổng qt

P

Thế năng (J)

q

Véc tơ góc tại các khớp và khâu chấp hành cuối (rad)

𝑞

Góc chủ động (rad)

𝑞̇

Vận tốc góc chủ động

𝑞̈

Gia tốc góc chủ động

𝑞

Góc chủ động mong muốn (rad)

𝑞̇

Vận tốc góc chủ động mong muốn.

𝑞̇

Gia góc chủ động mong muốn


𝑞

Góc bị động (rad)
p

Tọa độ khâu chấp hành cuối theo trục X

p

Tọa độ khâu chấp hành cuối theo trục Y
Ma trận Jacobian của khớp chủ động
Ma trận Jacobian của khớp bị động

p

Vector trọng lực
là vector của lực ma sát.
,

là các ma trận tham số xác định dƣơng.
lực momen bù thích nghi.

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
CTC

Computed Torque Control

P

Prismatic

R

Revolute

MIMO

Multiple-Input/ multiple-Output


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

ảng 1.1. o sánh gi a hai loại tay máy robot nối tiếp và song song ........................10
Bảng 3.1. Luật mờ của bộ điều khiển mờ .......................................................................43


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

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.13. Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR ................................2
Hình 1.1. Cấu trúc hình học của robot nối tiếp và song song......................................5
ình 1.2. í dụ về 2 loại tay máy robot cơng nghiệp ...................................................6
Hình 1.3. Robot bốc dỡ vật tư , thiết bị .........................................................................7
Hình 1.4. Robot hàn ....................................................................................................7
ình 1.5. Robot đóng gói ............................................................................................7
Hình 1.6. Robot lắp ráp ................................................................................................7
Hình 1.7. Cánh tay robot song song .............................................................................8
ình 1.8. Tay máy robot song ứng dụng trong mô phỏng chuyển động. .....................9
Hình 1.9. Robot phẫu thuật não ....................................................................................9
ình 1.10. Robot đóng gói cực nhanh ..........................................................................9
Hình 1.11. Cánh tay robot song song loại nhỏ. ............................................................9
Hình 1.12. Các loại tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do. ..........................11
Hình 1.13. Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR ..............................12

Hình 2.1. Mơ hình tính tốn động học 1 cánh tay robot ............................................13
Hình 2.2. Các nghiệm của động học ngược................................................................15
Hình 2.3. Cấu hình kỳ dị loại 1 khi các thanh bị căng ra .........................................19
Hình 2.4. Cấu hình kỳ dị loại 1 khi các thanh bị gập lại...........................................19
Hình 2.5. Cấu hình kỳ dị loại 2 khi các thanh cắt nhau tại một điểm ........................19
Hình 2.6. Cấu hình kỳ dị loại 2 khi các thanh song song nhau.................................20
Hình 2.7. Cấu hình kỳ dị loại 3 khi các thanh vừa bị căng vừa cắt nhau tại một điểm ....20
Hình 2.8. Cấu hình kỳ dị loại 3 khi các thanh vừa bị căng vừa song song nhau. .....21
Hình 2.9. Khơng gian làm việc khi 𝑝=

................................................................21

Hình 2.10. Khơng gian làm việc khi 𝑝=

............................................................22

Hình 2.11. Khơng gian làm việc khi 𝑝=

............................................................22

Hình 2.12. Khơng gian làm việc khi 𝑝=

............................................................23


Hình 2.14. Hai cách (a và b) cắt rời khớp bị động tạo thành nh ng hệ thống chuỗi
hở tương đương của cánh tay song song. ...................................................................24
Hình 2.15. Tay máy robot song song phẳng 3-RRR ...................................................27
ình 2.16. Mơ hình tương đương 3-RRR ....................................................................27
ình 3.1. Mơ hình điều khiển tính mơ men ................................................................34

ình 3.2. ơ đồ khối của chức năng điều khiển đồng bộ. ..........................................34
Hình 3.3. Mơ hình thuật tóan điều khiển tính mơ men đồng bộ ................................36
ình 3.4.

ơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ. ...........................................37

Hình 3.5. Hàm thuộc cho sai lệch eai .........................................................................41
Hình 3.6. Hàm thuộc cho sai lệch deai ........................................................................41
Hình 3.7. Hàm thuộc cho đầu ra

............................................42

Hình 3.8. Luật hợp thành trên Matlab ........................................................................43
Hình 3.9. Biểu diễn dưới dạng Ruler ..........................................................................44
Hình 4.1. Mơ hình các thanh 𝑙 , 𝑙 .............................................................................45
Hình 4.2. Mơ hình khâu chấp hành cuối....................................................................45
ình 4.3. Mơ hình động cơ truyền động của tay máy robot 3_RRR ..........................45
Hình 4.4. Mơ hình assembly trên solidwork ...............................................................46
Hình 4.5. Mơ hình trên Matlab/Simulink của tay máy robot song song phẳng 3-RRR ....46
ình 3.1. Mơ hình điều khiển tính mơ men ................................................................47
Hình 4.6. Kết quả điều khiển CTC với quỹ đạo trịn ..................................................47
Hình 4.7. Sai số theo trục X, truc Y của điều khiển CTC với quỹ đạo tròn. ..............48
Hình 4.8. Sai số góc 𝑝 của điều khiển CTC với quỹ đạo trịn .................................48
Hình 3.3. Mơ hình thuật tóan điều khiển tính mơ men đồng bộ ................................49
Hình 4.9. Kết quả điều khiển đồng bộ CTC với quỹ đạo tròn. ...................................49
Hình 4.10. Sai số theo trục X,Y với điều khiển đồng bộ CTC ....................................50
Hình 4.11. Sai số góc 𝑝 của điều khiển đồng bộ tính mơ men.................................50
Hình 4.12. Sai số mô-men khâu chấp hành cuối với điều khiển đồng bộ. .................51
Hình 4.13. Mơ hình thuật tóan điều khiển đồng bộ tính mơ-men thích nghi ............51
Hình 4.14 Kết quả điều khiển đồng bộ tính mơ men với quỹ đạo trịn. ....................52

Hình 4.16. Sai số góc 𝑝 của điều khiển đồng bộ CTC .............................................53
Hình 4.17. So sánh quỹ đạo trịn với 3 phương pháp .................................................53
ình 4.18. o sánh quy đạo trục X với 3 phương pháp ..............................................54


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay tay máy robot đƣợc ứng dụng không chỉ trong những dây chuyền đơn
giản mà còn đƣợc ứng dụng trong những nghành công nghệ cao nhƣ mô phỏng máy
bay, dùng trong những mơi trƣờng phóng xạ, thi n văn học…với những robot song
song này có kiến trúc cơ khí rất phức tạp và khó khăn trong việc thiết kế và mơ phỏng,
b n cạnh đó các tay máy robot song song đã đƣợc thiết kế dựa tr n khái niệm động học
khép kín để tăng độ bền và tải trọng của tay máy.
Tay máy robot song song, hay tay máy robot động học song song có kết cấu cơ
khí khép kín, thƣờng có nhiều cánh tay kích thƣớc bằng nhau ghép lại với nhau để điều
khiển khâu chấp hành cuối cho hiệu năng cao về độ chính xác, độ bền và khả năng tải
lớn hơn khi so sánh với các tay máy nối tiếp. Đồng thời, các phƣơng pháp điều khiển
tƣơng đối phức tạp, tay máy robot song song đã mở ra nhiều hƣớng nghi n cứu mới và
đây cũng là định hƣớng của đề tài.
B n cạnh kiến trúc của tay máy là phức tạp n n ảnh hƣởng bởi các thành phần
bất định và ma sát đến hiệu năng của cánh tay là đáng kể, để giảm ảnh hƣởng tới khâu
chấp hành cuối từ tín hiệu đầu vào có nhiều phƣơng pháp nhƣ nơ-tron, fuzzy…chúng
tôi đã quyết định chọn đề tài “Ứng dụng logic mờ trong điều khiển đồng bộ tính
mơ-men thích nghi cho tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do” để nghi n cứu
trong luận văn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Xây dựng đƣợc các phƣơng trình tốn học mơ tả động học, động lực học của
tay máy robot song song phẳng có xét đến ma sát và các thành phần bất định để làm cơ

sở thiết kế thuật tốn điều khiển đồng bộ thích nghi.
 Xây dựng đƣợc các phƣơng trình phân tích cấu hình kỳ dị của tay máy robot
song song phẳng. Để từ đó thiết kế đƣợc một vùng không gian làm việc của khâu chấp
hành cuối của tay máy robot song song phẳng trong đó khơng có xảy ra cấu hình kỳ dị.
Xây dựng đƣợc thuật tốn điều khiển đồng bộ tính mơ-men thích nghi cho
robot song song phẳng, giảm nhỏ sai số quỹ đạo dƣới 3% và bền vững với các tác
động của nhiễu loạn.


2
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tƣợng điều khiển của thuật toán điều khiển mà đề tài xây dựng là một tay
máy robot song song phẳng 3 bậc tự do đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:

ình 1.13. Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR
 Phạm vi nghiên cứu
 Xây dựng mơ hình động học và mơ hình động lực học 3-RRR bám quỹ đạo đặt.
 Xây dựng bộ điều khiển tính momen truyền thống CTC (Computed Torque
Control).
 Xây dựng bộ điều khiển đồng bộ tính momen thích nghi để so sánh với bộ điều
khiển tính momen truyền thống.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
 Xem xét các vấn đề nghi n cứu li n quan, nghi n cứu tổng quan, so sánh và
đánh giá các ƣu điểm, khuyết điểm của các phƣơng pháp điều khiển bám quỹ đạo khác
nhau cho tay máy robot song song phẳng để từ đó đề xuất ý tƣởng cải tiến nhằm nâng
cao chất lƣợng.
 Sử dụng các cơng cụ tốn học phù hợp để xây dựng các mơ hình tốn học phục
vụ cho mục đích phân tích, thiết kế tối ƣu động học và xây dựng mô hình động lực học
làm cơ sở thiết kế thuật tốn điều khiển mới.

 Sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để lập trình, mơ phỏng kiểm nghiệm thuật
tốn.
 Thiết kế thuật tốn điều khiển và thực hiện các thử nghiệm tr n mơ hình mơ


3
phỏng.
 Áp dụng các lý thuyết ổn định để phân tích và xác định miền ổn định của hệ
thống điều khiển.
 Kiểm tra độ chính xác của kết quả điều khiển bám quỹ đạo và đánh giá chất
lƣợng điều khiển dựa trên việc phân tích các dữ liệu kết quả.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
 Ý nghĩa khoa học
Đề tài góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển đồng bộ tính momen thích nghi
cho tay máy robot song song phẳng ba bặc tự do.
 Ý nghĩa thực tiễn
Tạo tiền đề cho việc thiết kế hiệu quả tay máy robot song song phẳng nói chung
và tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do nói riêng dựa trên phƣơng pháp điều
khiển đồng bộ.
6. Cấu trúc đề tài
Chƣơng 1: Tổng quan về tay máy robot.
Chƣơng 2: Mô hình động học, động lực học của tay máy robot song song phẳng
3-RRR.
Chƣơng 3: Đề xuất thuât toán điều khiển đồng bộ tính momen thích nghi cho tay
máy robot song song phẳng ba bậc tự do.
Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm nghiệm và so sánh kết quả.


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1 Giới thiệu về tay máy robot công nghiệp
Robot là một lĩnh vực của kỹ thuật hiện đại, vƣợt qua ranh giới của kỹ thuật
truyền thống. Thuật ngữ robot xuất hiện đầu tiên trong một vở kịch Rosum‟s Universal
Robots của Karal Capek vào năm 1920, từ „robota‟ theo tiếng Sec(Czech) là công việc
tạp dịch. Kể từ đó thuật ngữ này đã đƣợc áp dụng cho nhiều loại thiết bị khác nhau
nhƣ các cơ cấu điều khiển từ xa (teleoperators), xe đi dƣới nƣớc, xe tự động lái, v.v...
Có nhiều định nghĩa về robot nhƣ :
Viện robot của Mỹ (RIA): Robot là một tay máy nhiều chức năng thay đổi đƣợc
chƣơng trình hoạt động, đƣợc dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc
dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã đƣợc
lập trình nhằm mục đích hồn thành những nhiệm vụ đa dạng.
Hiệp hội robot Anh: Một robot công nghiệp là một thiết bị thay đổi đƣơc
chƣơng trình hoạt động đƣợc thiết kế để thao tác và vận chuyển các bộ phận, công cụ,
hoặc thực hiện sản xuất chuyên biệt thông qua các chuyển động đƣợc lập trình để thực
hiện các nhiệm vụ sản xuất cụ thể.
Có thể nói robot cơng 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 ngƣời trong nhiều
khả năng thích nghi khác nhau.
Các robot về cơ bản là sự kết hợp các mối liên kết cơ học, đƣợc 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 bƣớc vì giá thành rẻ, hoạt động m hơn và tƣơng đối dễ kiểm
sốt. Các ứng dụng thành cơng đầu tiên chẳng hạn nhƣ di chuyển đến một vị trí A,
đóng một cái kẹp, di chuyển đến một vị trí B... về sau các ứng dụng robot đƣợc phát
triển nhƣ hàn, mài, và lắp ráp khơng chỉ địi hỏi chuyển động phức tạp mà cịn có
thêm một số dạng cảm biến b n ngoài nhƣ cảm biến thị giác, xúc giác hoặc cảm biến
lực...

5
Một robot công nghiệp hiện đại thƣờng bao gồm một tay máy cơ khí, khâu chấp
hành cuối, bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, thiết bị cảm biến bên trong và bên ngồi
(tiếp xúc hoặc khơng tiếp xúc với yếu tố cần đo).
1.2 Phân loại robot công nghiệp
Phân loại robot có thể dựa vào các ti u chí khác nhau nhƣ: số bậc tự do, công
nghệ truyền động, không gian làm việc (workspace geometry), đặc điểm chuyển động,
phƣơng pháp điều khiển hoặc cấu trúc động học.
Theo số bậc tự do với những robot với mục đích chung có 6 bâc tự do, hơn sáu
bậc là robot thừa bậc và ít hơn 6 bậc là robot thiếu bậc.
Theo cơng nghệ truyền động gồm có: Tín hiệu điện , khí nén, áp suất. Hầu hết sử
dụng động cơ serve loại AC, DC và động cơ bƣớc vì chúng rẻ, hoạt động êm và dễ
kiểm sốt.
Nhìn dƣới góc độ cấu trúc hình học, có 2 loại tay máy robot phổ biến đó là tay
máy robot nối tiếp (cịn gọi là tay máy robot có cấu trúc hở) và tay máy robot song
song (cịn gọi là tay máy robot có cấu trúc kín). Một tay máy robot đƣợc gọi là nối tiếp
hoặc cấu trúc hở nếu nhƣ từ khâu nền (base) đến khâu chấp hành (end-effector) đƣợc
liên kết với nhau chỉ bằng một chuỗi động học nối tiếp (Hình 1.1a). Mặt khác, một tay
máy robot đƣợc gọi là song song hoặc cấu trúc kín nếu nhƣ khâu chấp hành cuối đƣợc
liên kết với khâu nền (base) bằng một số các chuỗi động học nối tiếp tạo thành cấu
trúc khép kín (Hình 1.2b). [1]

a)

b)

Hình 1.1. Cấu trúc hình học của robot nối tiếp và song song
a) Cấu trúc chuỗi động học hở của robot nối tiếp
b) Cấu trúc chuỗi động học kín của robot song song

6
Trên hình 1.2 là ví dụ về tay máy robot nối tiếp 6 bậc tự do (Hình 1.2a) và tay
máy robot song song 6 bậc tự do (Hình 1.2b).

ình 1.2. í dụ về 2 loại tay máy robot công nghiệp
a) Tay máy robot nối tiếp và

b) Tay máy robot song song

Trong 2 loại tay máy robot kể trên thì tay máy robot nối tiếp có lịch sử phát triển
khá dài và đã đƣợc sử dụng rất phổ biến trong thực tiễn bởi những ƣu điểm về không
gian làm việc lớn và sự linh hoạt khéo léo giống nhƣ cánh tay của con ngƣời. Tay máy
robot nối tiếp đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi và đã có rất nhiều các nghiên cứu, các tài
liệu đƣợc công bố, phổ biến.
Tay máy robot nối tiếp đƣợc áp dụng vào những công việc mang tính chất lặp,
vận hành trong mơi trƣờng nguy hiểm( phóng xạ, dƣới nƣớc sâu, khám phá vũ trụ, làm
việc trong môi trƣờng nhiệt độ cao v.v…), hỗ trợ cho ngƣời khuyết tật nhƣ cánh tay
giả. Một số ứng dụng cụ thể nhƣ sau:


7

Hình 1.3. Robot bốc dỡ vật tư , thiết bị

Hình 1.4. Robot hàn

Hình 1.5. Robot đóng gói

Hình 1.6. Robot lắp ráp

Tuy đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, nhƣng tay máy robot nối tiếp vẫn
cịn có những hạn chế nhƣ độ chính xác thấp khi hoạt động ở tốc độ cao, khả năng
mang tải bị hạn chế, mô men quán tính lớn, bị dao động ở tốc độ cao và khả năng gia
tốc thấp. Tóm lại, tay máy robot nối tiếp có những ƣu điểm và nhƣợc điểm giống nhƣ
một cánh tay của con ngƣời. Vì vậy, với những ứng dụng yêu cầu khả năng mang tải
lớn, yêu cầu lực tác động của khâu chấp hành lớn, yêu cầu độ chính xác cao cùng với
tốc độ nhanh thì tay máy robot nối tiếp không đáp ứng đƣợc. Khi đó, tay máy robot
song song đƣợc sử dụng nhƣ một giải pháp thay thế cho những yếu điểm của tay máy
robot nối tiếp truyền thống.


8
Tay máy robot song song mới xuất hiện và đƣợc quan tâm nghiên cứu trong vài
thập kỷ gần đây. Trong tay máy robot song song, mỗi chuỗi động học thƣờng chỉ có
một khớp đƣợc truyền động (gọi là khớp chủ động), các khớp cịn lại khơng đƣợc
truyền động (gọi là khớp thụ động). Tất cả các trục chuyển động sẽ tác động trực tiếp
hoặc gián tiếp lên khâu chấp hành cuối cần chuyển động. Để thực hiện một chuyển
động theo ý muốn thì tất cả các khớp chủ động đều phải hoạt động. Nhƣ vậy sẽ xuất
hiện chuỗi động học đƣợc gọi là động học kín mà ở đó độ cứng của từng chuỗi riêng lẻ
có tác dụng song song. Trong kết cấu song song này của tay máy robot, mỗi chuỗi
động học chỉ nhận đƣợc đúng một động lực, cho nên số lƣợng của chuỗi khớp nối
đúng bằng bậc tự do của tay máy robot song song. Với đặc điểm cấu trúc này, tay máy
robot song song có những ƣu điểm nhƣ có tốc độ cao, độ cứng vững lớn, độ chính xác
rất cao, khả năng chịu đƣợc tải trọng lớn và mơ-men qn tính bé. Một ví dụ về tay
máy robot song song đƣợc thể hiện nhƣ tr n Hình 1.7.

Hình 1.7. Cánh tay robot song song
Sự phát triển của cánh tay robot song song đƣợc nghiên cứu vào đầu năm 1960
bởi Gough and Whitehall [4],thiết bị kiểm tra lốp xe thông thƣờng, Hunt [5] một

nghiên cứu về cấu trúc động học của robot song song.Kể từ đó cánh tay robot song
song đã đƣợc nghiên cứu nhiều hơn bởi các nhà khoa hoc[6]. Hơn 100 cấu trúc cơ học
khác nhau của robot song song đã đƣợc đề xuất.
Ngày nay, tay máy robot song song đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ:
dùng trong mô phỏng(H1.8), phẫu thuật não(H1.9), robot đóng gói cực nhanh
(H1.10)...trong cơng nghiệp nhƣ đo đạc, hàn lazer, lắp ráp với độ chính xác cao...[10].


9

Hình 1.8. Tay máy robot song ứng dụng trong mơ phỏng chuyển động.

Hình 1.10. Robot đóng gói cực nhanh
Hình 1.9. Robot phẫu thuật não

Hình 1.11. Cánh tay robot song song loại nhỏ.
Những so sánh về tính chất, đặc điểm cấu tạo và ƣu nhƣợc điểm của hai loại tay
máy robot (Robot nối tiếp và robot song song) đƣợc trình bày nhƣ trong Bảng 1.1.


10
ảng 1.1. o sánh gi a hai loại tay máy robot nối tiếp và song song
Đặc điểm

Robot song song

Robot nối tiếp

Khơng gian làm việc

Nhỏ và phức tạp

Lớn

Động học thuận

Rất khó

Dễ

Động học ngƣợc

Dễ

Khó

Sai số vị trí

Trung bình

Tích lũy

Sai số về lực

Tích lũy

Trung bình

Độ vững chắc

Cao

Thấp

Đặc tính về động lực học

Tốt( very high)

Yếu, với những cánh tay
có kích thƣớc lớn

Phức tạp

Tƣơng đối đơn giản

Ma sát

Nhỏ

Lớn

Khu vực ứng dụng

Hạn chế trong công nghiệp

Ứng dụng nhiều trong

Mơ hình hóa và vấn đề
động lực học

cơng nghiệp
Khả năng chịu tải

Lớn

Nhỏ

Tốc độ và gia tốc

Cao

Thấp

Độ chính xác

Cao

Thấp

Tính đồng nhất giữa các Cao

Thấp

thành phần
Cân chỉnh/ sửa chữa

Phức tạp

Tƣơng đối dơn giản

Kích thƣớc robot

Thấp

Cao

1.3 Giới thiệu tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do
Trong các loại tay máy robot song song thì loại tay máy robot song song phẳng
có ƣu điểm đơn giản, có những đặc thù riêng và nhiều ứng dụng trong thực tiễn cho
những điều khiển chuyển động trên mặt phẳng. Tại Việt Nam đã có những nghiên cứu
về tay máy robot song song phẳng ở các tài liệu [16-18]. Vì vậy trong luận án này, tác
giả chọn tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do làm đối tƣợng nghi n cứu và thiết
kế thuật toán điều khiển để nâng cao chất lƣợng hoạt động.
Tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do đƣợc kết nối từ 6 khâu với nhau tạo
thành 3 chuỗi động học hở kết hợp với khâu chấp hành cuối, tạo thành chuỗi động học


11
khép kín nhƣ hình 2.2, 3 motor đƣợc gắn tại các điểm
khiển 3 khâu

(i=1,2,3), và 3 motor điều

(i=1,2,3), và khâu chấp hành cuối thông qua 3 khâu trung gian

(i=1,2,3), Để giải bài tốn động học thuận thì dựa vào các biến khớp để xác định
vùng làm việc của khâu chấp hành cuối và mô tả chuyển động của khâu chấp hành
cuối trong vùng làm việc của nó. Đối với động học ngƣợc thì phải xác định các biến
khớp để đảm bảo chuyển động cho trƣớc của khâu chấp hành cuối [1].
Các khớp giữa hai khâu gồm có khớp quay Revolute (R) và khớp lăng trụ

Prismatic (P) thƣờng đƣợc dùng trong tay máy robot song song. Đối với tay máy robot
song song phẳng ba bậc tự do điều khiển theo tọa độ góc (x, y) và xoay khâu chấp
hành cuối theo góc mong muốn. Góc điều khiển đƣợc tìm từ ba góc có động học độc
lập của ba khớp chủ động. Mỗi khớp chủ động phải đƣợc cố định và khâu chấp hành
cuối duy chuyển đồng thời theo ba khớp đó [7].
Đối với mơ hình tay máy robot song song phẳng 3-RRR, một khâu chấp hành
cuối mô tả theo ba khớp nối R và P sẽ có các dạng mơ hình sau: RRR, RPR, RRP,
RPP, PRR, PPR, PRP, PPP [7].

Hình 1.12. Các loại tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do.
Mơ tả hình học tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR nhƣ hình
1.14. Khâu chấp hành cuối là C1C2C3 duy chuyển đƣợc liên kết với khớp chủ động
thông qua hai cánh tay AB và BC với độ dài tƣơng ứng , . Góc

và

là góc

chủ động và góc bị động của các khớp theo thứ tự của ba tay máy tƣơng ứng = 1,2,3.
là góc nghiêng của cơ cấu chấp hành so với trục Ox trong hệ thống tọa độ (x,y) nhƣ
hình vẽ. Tâm P của tam giác là điểm thực hiện yêu cầu chuyển động theo vị trí yêu
cầu.


12

Hình 1.13. Tay máy robot song song phẳng ba bậc tự do 3-RRR
Xét mơ hình tay máy robot song song phẳng 3-RRR nhƣ tr n Hình 1.14 hoạt
động trên mặt phẳng nằm ngang trong hệ tọa độ Descartes. Có các véc tơ nhƣ sau:
= 𝑞

𝑞

𝑞

là véc tơ góc chủ động.

= 𝑞

𝑞

𝑞

véc tơ góc bị động.

Z=

𝑝 𝑝

là véc tơ tọa độ và góc xoay của khâu chấp hành cuối.

Trong mơ hình tay máy robot này, lực tác động đƣợc đƣa vào các khớp chủ động
𝑞 , 𝑞 ,𝑞 )để điều khiển tọa độ và quỹ đạo chuyển động của khâu chấp hành cuối
trong hệ tọa độ (x, y). Điều đó dẫn đến việc tìm mơ hình động học thuận và động học
ngƣợc đƣợc xây dựng theo quan hệ giữa hệ tọa độ khớp chủ động (𝑞 , 𝑞 ,𝑞 ) và hệ
tọa độ (x, y) và góc xoay , hay nói cách khác, đó là quan hệ giữa véc tơ
Z.

và véc tơ

13

CHƢƠNG 2
MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT
SONG SONG PHẲNG 3-RRR
Động học và động lực học của cánh tay robot đóng vai trị quan trọng trong việc
xác định không gian làm việc và dựa trên mô hình động lực học để tính mơ men truyền
động theo yêu cầu để khâu chấp hành cuối hoạt động theo quỹ đạo mong muốn và phân
tích động lực học biết đƣợc lực mô men tác động lên các khớp của cánh tay cần thiết
cho thiết kế và kích cỡ của khâu, bearing và actuator. Có hai loại động lực học là động
lực học thuận và động lực học ngƣợc, động lực học thuận là biết véc tơ mô men lực
khớp sau đó tính tốn sự di chuyển của khâu chấp hành cuối theo hàm thời gian. Động
học ngƣợc là tìm lực mô men khi biết quỹ đạo chuyển động của khâu chấp hành cí.
Phƣơng trình đơng lực học có thể tính bằng nhiều phƣơng pháp, phƣơng pháp
phổ biến nhất là ứng dụng luật Newton &Euler hoặc phƣơng trình chuyển đọng của
Lagrange.
2.1 Mơ hình động học của cánh tay robot song song phẳng 3_RRR
2.1.1 Động học thuận
Trong bài toán động học thuận của tay máy robot song song phẳng 3-RRR có
giá trị của các góc chủ động

Z=

𝑝 𝑝

= 𝑞

và góc quay bị động

𝑞

𝑞
=𝑞

tìm vị trí của tâm cấu chấp hành cuối
𝑞

𝑞

.

Hình 2.1. Mơ hình tính tốn động học 1 cánh tay robot