Tài liệu Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM CÔNG VŨ

Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO
THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng ….. năm ……..


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM CÔNG VŨ

Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO
THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đồng Văn Hướng

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng ….. năm …….


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đồng Văn Hướng

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ
TP. HCM ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
1. ……………………………………………………………
2. ……………………………………………………………
3. ……………………………………………………………
4. ……………………………………………………………
5. ……………………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH - ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Công Vũ

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1977

Nơi sinh:Biên Hịa

Chun ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:1181031075

I- TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO
THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu tổng quan và các phương pháp điều khiển robot

-

Lập phương trình động học ngược.

-

Lập trình điều khiển tay máy scara theo thuật tốn PID trên LabVIEW.

-

Mơ phỏng 3D trên LabVIEW

-

Thiết kế và thi công robot.

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đồng Văn Hướng
.................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Đồng Văn Hướng

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


1
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ------------------------------------------------------------------------------ 2
1.1 Đặt vấn đề ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2

1.2. Mục tiêu của đề tài -------------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.3. Nội dung nghiên cứu ----------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.4. Phương pháp thực hiện --------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.5. Điểm mới của luận văn--------------------------------------------------------------------------------------- 3
1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn ------------------------------------------------------------------------------- 4
1.7. Bố cục luận văn ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT------------------------------------------------------------------------------------- 5
2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------------------------- 5
2.1.1. Lịch sử phát triển -------------------------------------------------------------------------------- 5
2.1.2. Phân loại Robot công nghiệp ------------------------------------------------------------------- 6
2.1.3. Ứng dụng của robot ------------------------------------------------------------------------------ 7
2.1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngồi nước ---------------------------- 7
CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT. ------------------------------------------------- 8
3.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược. ---------------------------------------------------------- 8
CHƢƠNG 4. ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY. -------------------------------------- 9
4.1. Giải bài tốn phép biến đổi giải tích------------------------------------------------------------------------ 9
4.2. Lưu đồ thuật tốn điều khiển Robot ---------------------------------------------------------------------- 11
4.3. Ngơn ngữ lập trình LabVIEW ----------------------------------------------------------------------------- 13
4.3.1. Giới thiệu --------------------------------------------------------------------------------------

13

4.3.2. Lập trình LabVIEW ----------------------------------------------------------------------------- 14
4.3.3. Mơ phỏng 3D trong LabVIEW --------------------------------------------------------------- 15
CHƢƠNG 5. THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN
5.1. Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot -------------------------------------------------- 16
5.2. Thiết kế phần cơ khí tay máy của robot --------------------------------------------------------- 18
5.3. Thiết kế phần điện ----------------------------------------------------------------------------------- 19
CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN -------------------------------------------------------- 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO

2
CHƢƠNG 1.
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong quá trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên cứu thiết kế và chế
tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong
giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc tự động hóa q trình sản xuất với sự có mặt của các
robot sẽ làm tăng khả năng mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt
là có thể làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngồi ra, robot cơng nghiệp cịn có một
tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người
không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói bụi, mơi trường độc hại của hóa chất, mơi
trường nhiệt độ cao…
Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng robot vào quá trình sản xuất
như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot đào đường hầm, robot cấp phơi
trong các máy gia cơng chi tiết cơ khí, robot quay camera trong các sân vận động, robot tự động nâng
hàng… Tuy nhiên ở Việt Nam thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu
dừng lại ở mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào q trình sản xuất. Các robot này chưa
có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước.
Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện vẫn cịn đang được
các nhà khoa học trong và ngồi nước quan tâm rất nhiều. 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 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 mơ hình có tính 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.
Các phương pháp điều khiển thơng thường sử dụng biện pháp phân tích gián tiếp thơng qua mơ
hình làm việc của hệ, song lại khơng cung cấp được thông tin một cách đầy đủ về tồn bộ hệ thống.

Cịn đối với những phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoại trừ tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân
tích ổn định và phương pháp mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến có hai biến trạng thái, cho tới nay
chưa có một phương pháp cụ thể nào khác.
Phương pháp điều khiển phân ly phi tuyến có nhược điểm là hệ thống điều khiển có tính phi
tuyến cao, do đó độ phức tạp trong điều khiển là khá lớn, khó có khả năng thực hiện trong thực tế.


3
Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn chỉ thực hiện đơn giản cho mơ hình
tuyến tính với giả thuyết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các chuyển động thành phần trong hệ.
Ngoài ra, sự ổn định của hệ thống kín cũng đang là vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến cao của
mơ hình chuẩn.
Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có luật điều khiển thích nghi được đơn giản
hóa bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, do đó phương pháp này
ln tồn tại sai lệch quỹ đạo trong quá trình điều khiển thực và như vậy sẽ không phù hợp với yêu cầu
của hệ thống điều khiển chính xác quỹ đạo.
Phương pháp điều khiển robot cánh tay 3 bậc tự do theo thuật tốn PID cải tiến có đầy đủ các
yếu tố cho việc thiết kế bộ điều khiển có các tính năng theo yêu cầu đề ra. Tính ổn định của điều khiển
PID cải tiến rất rộng và bền vững đối với tác động bên ngoài.
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:
Để thực hiện đề tài này cần thực hiện các công việc:
- Thiết kế và lập trình được cho robot theo thuật tốn PID cải tiến
- Mơ phỏng được 3D trong LabVIEW
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Để đạt được các mục tiêu trên cần giải quyết các vấn đề sau:
+ Lập phương trình động học ngược
+ Các phép tốn trong LabVIEW
+ Mơ phỏng 3D trong LabVIEW
+ Thiết kế phần cơ - điện của robot
+ Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot

1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan.
- Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển cánh tay 3 bậc tự do và thuật toán PID làm cơ sở cho việc
thiết kế bộ điều khiển cho robot.
- Tham khảo các sách, bài báo trên mạng về robot
- Thiết kế phần cơ - điện của robot
- Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot


4
1.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN:
Nghiên cứu các nhiệm vụ và yêu cầu mới về ổn định, tin cậy của hệ robot tay máy để phù hợp
với tình hình kinh tế phát triển. Tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của robot theo thuật tốn PID cải tiến
và mơ phỏng 3D trên LabVIEW
1.6. GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN:
Hệ tay máy 3 bậc tự do Scara được sử dụng nhiều trong công nghiệp trên thế giới. Đề tài “
Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” góp phần vào việc phát triển nghiên cứu
robot này ở Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu ở các trường đại
học, cao đẳng và trung cấp chuyên nghiệp
1.7. BỐ CỤC LUẬN VĂN:
Luận văn gồm 6 chương:


Chương 1: Giới thiệu luận văn.



Chương 2: Cơ sở lý thuyết



Chương 3: Các phương pháp điều khiển robot



Chương 4: Động học tay máy và điều khiển tay máy.



Chương 5: Thiết kế robot và lập trình robot theo PID cải tiến



Chương 6: Kết quả thực nghiệm và kết luận

Phụ lục và tài liệu tham khảo


5
CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1.1. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot
“ của Karal Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật
Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay
sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển
từ xa, trong các phịng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công
nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation.

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ cơng 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.
Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa
với khả năng lập trình của máy cơng cụ điều khiển số.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt
thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết mơi 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 truyền 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 v.v…
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa
với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ
thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khơn nhân tạo, hệ chuyên
gia ...


6
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát
triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh,
cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều
tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot cơng
nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
2.1.2. Phân loại Robot công nghiệp
2.1.2.1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người

máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau:
Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng khơng có khả năng
nhận biết thơng tin.
Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có
khả năng nhận biết thơng tin.
Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khơn, có khả năng nhận biết thơng tin và bước
đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
2.1.2.2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy cơng nghiệp được mơ hình hóa trong
dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau:
- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít).
- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vng góc với nhau.
- Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản
Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chun dùng ta chun mơn hố và đặc biệt đảm
bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay
máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí.
2.1.2.3. Phân loại theo kết cấu :
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu
toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA.
2.1.2.4. Phân loại theo hệ thống truyền động :
Có các dạng truyền động phổ biến là :
Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current) hoặc các
động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn.


7
Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn
liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với cơng suất trung bình và nhỏ, kém chính xác,
thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản
“nhấc lên - đặt xuống”

2.1.3. Ứng dụng của ROBOT:
Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Có thể phân loại ứng
dụng cong nghiệp của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia cơng, lắp ráp
thăm dị và các ứng dụng khác.
2.1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngồi nước
Ngày nay, tự động hóa là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ và
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Đặc biệt trong các dây chuyền sản
xuất công nghiệp, các tay máy và người máy đã được sử dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao dộng của
con người, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, giãm giá thành sản phẩm.
Ở nước ta trong thập niên qua, tình hình ứng dụng robot có những thay đổi lớn. Nhiều doanh
nghiệp phải nhập các thiết bị robot trong dây chuyền sản xuất. Do nhu cầu thực tế đặt ra như vậy, đòi
hỏi phải nghiên cứu và đào tạo về các hệ thống robot để phát triển ngành này ở nước ta.
Một số đề tài nghiên cứu khoa học ở nước ta từ trước cho tới nay như:
-

Đề tài 58A-03 với nội dung nghiên cứu ứng dụng robot trong kỹ thuật bảo hộ lao

-

Đề tài 52B.0301: “Ứng dụng tay máy – người máy công nghiệp”

-

Đề tài KC.03.02 “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều

động.

kiện môi trường độc hại và không an tồn”
Trong những năm 1980, robot cơng nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ, do các yêu cầu cao
về tự động hóa linh hoạt và kinh tế trong thám hiểm không gian và công nghệ ô tô. Vào năm 1990,

nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công
nghiệp.


8
Chƣơng 3.
CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT
3.1. 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.

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

(3 – 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.

 dk  H (q )U  h(q , q )  g (q )

(3 – 2 )

cân bằng  dk   với điều kiện H(q)  0 và q  U q (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



U = qd + KD (qd – q) + KP (qd – q) + KI (q d  q)dt

(3–3)

0

trong đó: dq , q là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp
qd , q là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp.

qd

-

e

qd
qd

q

qd + Kp e +

U

1

e

KDe +KI e(t )dt



Tính
H(q)U +h (q,q) +g(q)



Robot

0

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược.

Và phương trình sai số tương ứng sẽ là:
,, ,

,,

,

  KD   KP   KI

(3 – 4 )

q


9
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.
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.
Chƣơng 4.
ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY
4.1. Giải bài toán phép biến đổi giải tích.
Nội dung bài tốn này được phát biểu như sau: “Cho trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích
thước di động của các khâu thành viên, và cho trước vị trí hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa
độ Descarters. Ta phải xác định vị trí của các khâu thành viên thong qua các tọa độ suy rộng của chúng
sao cho khâu tác động cuối đạt được vị trí và hướng yêu cầu”.
Nếu như so với bài tốn thuận có một đáp số duy nhất thì ngược lại bài tốn ngược có vơ số
đáp số, lý do là sự mơ tả vị trí tương đối giữa các khâu thành viên chỉ là ánh xạ theo chiều thuận mà
khơng có chiều nghịch. Để giải quyết vấn đề này nhằm chọn ra nghiệm tối ưu, người ta đưa ra các ràng
buộc về động học bên trong vùng không gian hoạt động của nó. Hoặc đặt vấn đề phải tối ưu hóa hoạt
động của tay máy theo hàm mục tiêu cụ thể nào đó để chọn lời giải tối ưu nhất. Để giải bài toán ngược
trước tiên ta đưa ra các bài toán mục tiêu và giải bài toán đó với các ràng buộc

Hình 4-1: Cánh tay máy 2 bậc tự do ở vị trí ban đầu
Thiết lập thơng số ban đầu
Chiều dài Link 1 (d1-mm)
Chiều dài Link 2 (d2-mm)
Giải bài toán động học ngược

110
95

10
Gọi M(X,Y) là điểm cuối cùng của tay máy.

Hình 4-2: bài tốn động học ngược
Ta có:

Cos  2  ( X 2  Y 2  d12  d 22 ) /( 2  d1  d 2 )
Sin  2  1  cos  22
K 1  d1  d 2  cos  2
K 2  d 2  sin  2
Suy ra :
1  a tan 2( X , Y )  a tan 2( K 1, K 2 )

( Rad )

 2  a tan 2(cos  2 , sin  2 )

( Rad )


11
4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển robot.


12

Hình 3-4: Lƣu đồ thuật tốn điều khiển robot
3.4. NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW
3.4.

13
4.3. Giới thiệu về phần mềm LabVIEW


LabVIEW là gì?

LabVIEW là một công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp trong việc phát triển các hệ thống
thiết kế, điều khiển và kiểm tra. Kể từ khi ra đời năm 1986, các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế
giới đã tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày càng cao, hiệu quả sản xuất lớn hơn.
Tên gọi LabVIEW?
LabVIEW là viết tắt của : Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench (công
cụ trong kĩ thuật- các thiết bị ảo trong phịng thí nghiệm)


Lịch sử:

LabVIEW được thành lập vào năm: 1976 bởi công ty National Instruments (NI) khi đó chủ
yếu ứng dụng trong điều khiển, đo lường.
Năm 1986 LabVIEW cho ra đời phiên bản Labview 6.1 …
Và bây giờ phiên bản mới nhất là LabVIEW 2009.

Hình 4-3: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009


LabVIEW có thể làm được gì?

LabVIEW là 1 phần mềm lập trình Graphic (hay lập trình G).
Labview được dùng nhiều trong phịng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như: tự động

hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng khơng, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện tại ngoài phiên bản


14
LabVIEW cho hệ điều hành Windows, Linux, hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy
hỗ trợ cá nhân (PDA). Các ứng dụng của LabVIEW có thể được tóm tắt như sau:
- Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngồi như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc
động cơ,…
- Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI,
Ethernet. Để điều khiển những thiết bị ở những nơi con người không thể làm việc được, một ví dụ :
Một con robot là một cái máy xúc được điều khiển để làm việc dưới đáy biển, nơi mà con người khó có
thể thực hiện tốt những nhiệm vụ đặc biệt…
- Mơ phỏng và xử lí các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích
của hệ thống mà người lập trình mong muốn.
- Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các
ngơn ngữ lập trình khác như Visual Basic, Matlab,…
- Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ ( Fuzzy Logic), một cách nhanh
chóng thơng qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW.
- Cho phép kết hợp với nhiều ngơn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, Matlab …
4.4. Lập trình với LabVIEW
Để làm việc với phần mềm LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và Block
Diagram. Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta khởi động phần mềm LabVIEW.

Hình 4-4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW,
a- cửa sổ Front Panel, b- cửa sổ Block Diagram.


15
Cửa sổ Front Panel hay còn gọi là giao diện người dùng. Của sổ này dùng để khởi tạo các
Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là trên cửa sổ này ta có thể thiết lập các thơng số đầu

vào của một ứng dụng nào đó và có thể thấy được kết quả khảo sát hay tính tốn của ứng dụng đó.
Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng để người lập trình khởi tạo, viết các thuật tốn cho ứng
dụng của mình. Nó bao gồm các hàm tốn học (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận…),
các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ… Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram chứa những thuật toán
giải quyết các bài tốn ứng dụng mà người lập trình khởi tạo, có thể điều khiển và hiển thị kết quả trên
cửa sổ Front Panel.
Các hàm tính tốn có liên quan trong của sổ Block Diagram được nối với nhau bằng dây dẫn
theo kiểu truyền tín hiệu. Đây cũng là một lợi điểm của LabVIEW so với các phần mềm khác ở tính
trực quan và dễ làm việc. Để hình dung được LabVIEW làm việc ra sao, tác giả sẽ đưa ra một bài tốn
nhỏ và giải quyết nó trên phần mềm này.
4.5. Mô phỏng 3D trong LabVIEW
Với toolkit 3D Picture Control LabVIEW cho phép mô phỏng động học, động lực học các hệ
thống vật lý từ đơn giản đến phức tạp, cánh tay robot…
Có thể nói LabVIEW là một ngơn ngữ lập trình-mơ phỏng rất mạnh mẽ. Cịn rất nhiều toolkit
khác mà trong giới hạn đề tài tác giả không thể trình bày hết. Trong các phần tiếp theo của đề tài tác
giả sẽ ứng dụng LabVIEW để giao tiếp với thiết bị phần cứng để điều khiển Robot cánh tay 3 bậc tự
do.

Hình 4-5: Ứng dụng LabVIEW để mơ phỏng cánh tay robot 3 bậc tự do.
Chƣơng 5.


16
THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT
THEO PID CẢI TIẾN
5.1. Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính tốn đầu ra của bộ điều khiển
PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

Trong đó các thơng số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, KP
Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá
trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
Độ lợi tích phân, Ki
Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ
sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số
dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân Kd:
Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn
định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
* Các cải tiến đối với thuật toán PID
Thuật toán PID cơ bản xuất hiện vài thử thách trong các ứng dụng điều khiển, và được khắc
phục bởi các cải tiến nhỏ trong biểu thức của PID.
Tích phân khởi động
Một vấn đề phổ biến của bộ PID lý tưởng là Tích phân khởi động, nơi xảy ra thay đổi điểm đặt
lớn (tức là thay đổi dương) và khâu tích phân tích lũy một sai số đáng kể lúc tăng (khởi động), vì vậy
làm vọt lố và duy trì liên tục việc tăng sai số tích lũy bị gián đoạn. Có thể khắc phục điều này bằng
cách:
• Thiết đặt giá trị tích phân ban đầu cho bộ điều khiển tới giá trị mong muốn
• Tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp
• Khơng cho phép chức năng tích phân cho đến khi PV đi vào vùng điều khiển được
• Giới hạn khoảng thời gian vượt quá sai số tích phân được tính tốn
• Ngăn khơng cho khâu tích phân tích lũy trên hoặc dưới biên xác định trước
* Các hạn chế của điều khiển PID
Trong khi các bộ điều khiển PID có thể được dùng cho nhiều bài toán điều khiển, và thường
đạt kết quả như ý mà khơng cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí điều chỉnh nào, chúng có thể rất yếu trong
vài ứng dụng, và thường khơng cho ta điều khiển tối ưu. Khó khăn cơ bản của điều khiển PID là nó là


17

một hệ thống phản hồi, với các thông số không đổi, và khơng có tin tức trực tiếp về q trình, và do đó
tất cả kết quả là phản ứng và thỏa hiệp - trong khi điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất mà khơng
cần mơ hình điều khiển, kết quả tốt hơn có thể đạt được bằng cách kết hợp với một mơ hình điều khiển.
Cải tiến quan trọng nhất là kết hợp điều khiển nuôi-tiến với kiến thức về hệ thống, và sử dụng
PID chỉ để điều khiển sai số. Thay vào đó, PID có thể được cải tiến bằng nhiều cách, như thay đổi các
thông số (hoặc là lập chương trình độ lợi trong nhiều trường hợp sử dụng khác nhau hoặc cải tiến thích
nghi chúng dựa trên kết quả), cải tiến đo lường (tốc độ lấy mẫu cao hơn, và chính xác, và lọc thông
thấp nếu cần thiết) hoặc nối tầng nhiều bộ điều khiển PID với nhau.
Các bộ điều khiển PID, khi sử dụng độc lập, có thể cho kết quả xấu khi độ lợi vịng PID buộc
phải giảm vì thế hệ điều khiển không xảy ra vọt lố, dao động hoặc rung quanh giá trị điểm đặt điều
khiển. Chúng cũng khó khăn khi xuất hiện phi tuyến, có thể cân bằng sự điều tiết chống lại đáp ứng
thời gian, không phản ứng lại việc thay đổi hành vi điều khiển (do đó, q trình thay đổi sau khi nó
được hâm nóng), và bị trể trong đáp ứng với các nhiễu lớn.


18

5.2. Thiết kế cơ khí tay máy của robot.
16
6

15

14

Khớp 1
8
5

14

Link1
13

17

d
7
Khớp 2

4

Link2

c

9

3
b
a
2

10

11

h
12

1

Robot Scara gồm hai khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến. Gắn cho mỗi thanh
nối một hệ trục tọa 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.
* Các thông số kỹ thuật của robot Scara
Thông số của động cơ 3,7 tương ứng với các khớp dẫn động 1,2 của tay máy Robot Scara.
- Động cơ 3 truyền động cho khớp 1 (main).
- Động cơ 7 truyền động cho khớp 2 (fore).
- Link1 được làm bằng mica trong suốt (cơng nghệ laser ) dày 8 ly, kích thước (mm) như hình
vẽ.

5.3. Thiết kế phần điện.


19

Connector

HDL

-+ -+ -+ -+

220VAC
12VDC

DIR2 PWM2 PWM1
DIR1

HDL
Dual
driver

Van điều khiển
Ben 10
12VDC

MOTOR2 VDC GND MOTOR1

Card
điều
khiển
động
cơ (7)
(Link 2)

Card điều
khiển động cơ
(3) (Link 1)

12VDC

Van điều khiển
Ben 9

h


20

CHƢƠNG 6.
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
6.1. Kết Luận:
Qua thời gian nghiên cứu, mô phỏng đến thiết kế và thi công phần cứng. Đề tài đã giải quyết
được các vấn đề sau:
- Nghiên cứu một cách tổng quan về robot: sự phát triển, phân loại, sơ đồ cấu trúc chức năng
của robot và những ứng dụng robot trong công nghiệp…
- Xây dựng và phân tích lý thuyết điều khiển robot, giới thiệu một số phương pháp thường sử
dụng để điều khiển trong robot công nghiệp.
-

Nghiên cứu các phần tử truyền động, cơ cấu chấp hành trong robot cấp phôi tự động, tìm

hiểu tính chất các phần tử khí nén, các loại động cơ điện và ứng dụng của chúng, từ đó đưa ra phương
án thích hợp trong từng trường hợp cụ thể.
-

Thiết kế thi công robot cánh tay 3 bậc tự do với cơ cấu gấp/ thả.

-

Thiết kế thi công mạch điều khiển, mạch động lực cho robot tay máy.

- Ứng dụng các thuật toán PID cải tiến với phần mềm labVIEW vào trong các chức năng của
tay máy robot.
- Ứng dụng mô phỏng 3D trong labVIEW để trực quan và tính hiệu quả của bộ điều khiển.
- Hồn thiện một mơ hình tay máy 3 bậc tự do về điều khiển tự động dùng labVIEW, các thiết
bị và chương trình đã chạy đúng theo yêu cầu thiết kế một cách ổn định và chính xác.
6.2. Hướng phát triển của đề tài:


21
- Tăng kích thước và cơng suất của tay máy bằng cách thay đổi các động cơ có cơng suất lớn
hơn.
- Tăng độ chính xác của tay máy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công nghiệp, NXB KH & KT Hà Nội 2002, 326 p
[2] Nguyễn Thiện Phúc, Báo cáo tổng hợp về tình hình nghiên cứu ứng dụng và phát triển
khoa học công nghệ Robot ở Việt Nam, Sở Khoa Học và Công Nghệ, 5/2010.
[3] Lê Quốc Hà, Đỗ Quang Minh, Ngô Văn Thành, Trần Viết Thắng, Nguyễn ngọc Lâm,
Nguyễn Cơng Hiền, Thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm điều khiển thông minh và mô phỏng cho
tay máy 5 bậc tự do. VICA, Hà Nội 2005.
[4] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều Khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà
Nội, 2007.
[5] Nguyễn Thiện Phúc, Tay máy-Người máy công nghiệp
[6] Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật ROBOT