Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ cho tay máy robot hai bậc tự do

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
------------*****------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHO TAY MÁY ROBOT HAI BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện

: ĐẶNG VĂN GIÁP
Lớp 53K2 - KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : THS. LÊ VĂN CHƢƠNG

Nghệ An, 05-2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
------------*****------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHO TAY MÁY ROBOT HAI BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện

: ĐẶNG VĂN GIÁP
Lớp 53K2 - KTĐK&TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : THS. LÊ VĂN CHƢƠNG
Cán bộ phản biện

: KS. PHAN VĂN DƢ

Nghệ An, 5-2017


LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật và cuộc cách mạng công nghệ cho nên
robot ngày càng phát triển vƣợt bậc. Robot là đối tƣợng phi tuyến nên rất khó xác
định đƣợc chính xác các thơng số đo lƣờng tại các thời điểm nhất định. Do vậy, bài
toán điều khiển cánh tay robot là bài toán khá phức tạp. Với những đối tƣợng phi
tuyến nên rất khó xác định đƣợc chính xác các thơng số đo lƣờng tại các thời điểm
nhu cầu trên bài toán điều khiển cánh tay robot sẽ hứa hẹn là một giải pháp hiệu quả
góp phần nâng cao hiệu quả làm việc của robot nhờ khả năng di chuyển chính xác
đối tƣợng trong các mơi trƣờng làm việc.
Chính vì lý do trên em quyết định chọn đề tài:“Nghiên cứu ứng dụng bộ điều
khiển mờ cho tay máy robot hai bậc tự do”.
Đồ án chia làm 3 chƣơng:

Chƣơng 1: Tổng quan về robot công nghiệp và bộ cánh tay máy
Chƣơng 2: Phƣơng pháp điều khiển logic mờ
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho cánh tay robot hai bậc tự do
Mặc dù hết sức nỗ lực song do thời gian và kinh nghiệm khoa học cịn nhiều
hạn chế nên bản đồ án khơng tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp của các thầy cơ và các bạn! Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng
dẫn Th.S Lê Văn Chƣơng và các thầy cơ khác đã tận tình giúp đỡ, định hƣớng và
giúp em hoàn thành bản đồ án này! Và qua đây xin dành lời biết ơn sâu sắc đến
ngƣời thân đã hết lòng động viên, giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và hồn
thành bản đồ án này!
Sinh viên thực hiện
Đặng Văn Giáp

1


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án xây dựng phƣơng trình động lực học cho cánh tay robot 2 bậc tự do.Sử
dụng cơng cụ Matlab-Simulink để mơ phỏng.Từ đó có một cách nhìn tổng quan và
chi tiết về các ƣu điểm,chức năng,ứng dụng và hƣớng phát triển của đề tài.Trên cơ
sở đó chúng ta đi nghiên cứu đơn giản hơn và dễ sử dụng hơn cho việc mô
phỏng.Với việc sử dụng công cụ mô phỏng để xây dựng đề tài:“Nghiên cứu ứng
dụng điều khiển mờ cho tay máy robot hai bậc tự do” là rất khả quan. Việc sử dụng
đề tài này giúp em điều khiển cánh tay robot nhƣ mong muốn.Tuy nhiên do khả
năng kiến thức của em có giới hạn nên đang trên phƣơng diện mơ phỏng chƣa có
thể chế tạo sản phẩm thực tế.

ABSTRACT
The thesis builds dynamics equation for 2-degree of freedom robot arm. Using
the Matlab-Simulink software to simulate. From there, there is an overview and

details about the advantages, functions, applications and development of the topic.
Base on it we go to study more simple and easier to use for simulation. With the use
of simulation tools to construct the topic: "Research on the application of fuzzy
control for robot two degree of freedom.. However, due to my limited knowledge,I
am not able to produce real products.

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 0
TÓM TẮT ĐỒ ÁN...................................................................................................... 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ CÁNH TAY MÁY .... 7
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp .......................................................................... 7
1.2 Ứng dụng Robot công nghiệp ............................................................................... 8
1.2.1 Ƣu điểm của Robot công nghiệp ........................................................................ 8
1.2.2 Nhƣợc điểm của Robot công nghiệp .................................................................. 9
1.2.3 Các ứng dụng của Robot công nghiệp ............................................................... 9
1.3 Tình hình phát triển của Robot cơng nghiệp ......................................................... 9
1.4 Cấu trúc và phân loại Robot ................................................................................ 14
1.4.1 Cấu trúc ............................................................................................................ 14
1.4.2 Tay máy ............................................................................................................15
1.4.3 Hệ thống truyền dẫn động của Robot...............................................................16
1.4.5 Hệ thống cảm biến tín hiệu ..............................................................................18
1.5 Phân loại Robot công nghiệp .............................................................................. 18
1.5.2 Phân loại theo điều khiển .................................................................................21
1.6 Hệ thống điều khiển Robot ................................................................................. 22
1.6.1 Các phƣơng thức điều khiển ............................................................................ 22

1.6.2 Điều khiển theo quỹ đạo đặt.............................................................................23
1.6.3 Điều khiển lực ..................................................................................................24
1.6.4 Các phƣơng pháp điều khiển Robot ................................................................. 25
1.7 Xây dựng phƣơng trình động lực học cho robot 2 bậc tự do .............................. 25
1.7.1 Vận tốc và gia tốc. ............................................................................................26
1.7.2 Động năng tay máy: ......................................................................................... 28
1.7.3 Thế năng tay máy: ............................................................................................ 29
1.7.4 Mô hình động học tay máy............................................................................... 30
1.7.5 Động lực học cánh tay robot 2 bậc tự do. ........................................................ 31
1.8 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................... 33

3


CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ-NƠRON .................... 35
2.1 Giới thiệu chung về logic mờ .............................................................................. 35
2.2 Cơ sở lý thuyết mờ .............................................................................................. 35
2.2.1 Tập mờ .............................................................................................................35
2.2.2 Biến ngôn ngữ ..................................................................................................37
2.2.3 Hàm đặc trƣng ..................................................................................................37
2.2.4 Luật hợp thành mờ (Mamdani) ........................................................................41
2.2.5 Các phƣơng pháp giải mờ (defuzzification) ....................................................43
2.3 Bộ điều khiển mờ cơ bản .................................................................................... 46
2.3.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ........................................................................46
2.3.2 Nguyên lý điều khiển mờ .................................................................................47
2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ................................................................................48
2.4 Phần mềm Matlab Simulink ................................................................................ 48
2.4.1 Giới thiệu phần mềm Matlab ........................................................................... 48
2.4.2 Giới thiệu Matlab Simulink và các Toolbox .................................................... 50
2.5 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 52

CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT HAI
BẬC TỰ DO ............................................................................................................. 53
3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế của tay máy Robot 2 bậc tự do. ................................ 53
3.1.1 Sơ lƣợc về động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ........................................ 53
3.1.2 Động lực học của Robot ...................................................................................54
3.2 Phƣơng án sử dụng bộ điều khiển PID ............................................................... 55
3.2.1 Sơ đồ cấu trúc HTĐK Robot sử dụng PID ...................................................... 55
3.3 Sơ đồ cấu trúc HTĐK sử dụng bộ điều khiển mờ ............................................... 59
3.4 Sử dụng bộ điều khiển Fuzzy .............................................................................. 59
3.4.1 Xây dựng các luật điều khiển ...........................................................................60
3.4.2 Sơ đồ mô phỏng Robot sự dụng bộ Fuzzy. ......................................................64
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 68

4


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Robot dáng ngƣời ....................................................................................... 11
Hình 1.2 Robot thám hiểm Sao Hoả ......................................................................... 12
Hình 1.3 Robot cơng nghiệp (Hãng Tosy Robotics, Việt Nam) ............................... 13
Hình 1.4 Các bộ phận cấu thành Robot cơng nghiệp ................................................ 14
Hình 1.5 Robot có khơng gian làm việc dạng hình chữ nhật .................................... 19
Hình 1.6 Robot có khơng gian làm việc dạng trụ ..................................................... 19
Hình 1.7 Robot có khơng gian làm việc dạng cầu .................................................... 20
Hình 1.8 Robot kết nối .............................................................................................. 21
Hình 1.9 Robot SCARA ............................................................................................ 21
Hình 1.10 Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot ....................................... 22
Hình 2.1 Hàm đặc trƣng ............................................................................................ 36
Hình 2.2 Miền trong logic mờ ................................................................................... 37

Hình 2.3 Tập mờ tuyến tính ...................................................................................... 37
Hình 2.4 Dạng đƣờng cong S .................................................................................... 38
Hình 2.5 Dạng đƣờng cong hình chng .................................................................. 38
Hình 2.6 Dạng hình thang ......................................................................................... 39
Hình 2.7 Dạng hình tam giác .................................................................................... 39
Hình 2.8 Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trƣng hình vai ......................................... 39
Hình 2.9 Phép hợp hai tập mờ theo luật lấy max ...................................................... 40
Hình 2.10 Miền giá trị của tập mờ B’ ....................................................................... 44
Hình 2.11 Giá trị rõ y’ theo nguyên lý trung bình .................................................... 44
Hình 2.12 Giải mờ bằng phƣơng pháp điểm trọng tâm ............................................ 45
Hình 2.13 Giải mờ bằng phƣơng pháp độ cao .......................................................... 46
Hình 2.14 Bộ điều khiển mờ cơ bản ......................................................................... 47
Hình 2.15 Nguyên lý điều khiển mờ ......................................................................... 47
Hình 2.16 Giao diện biểu tƣợng của Matlab ............................................................. 49
Hình 3.1 Sơ đồ khối bên trong của động cơ 1 chiều kích từ độc lập ........................ 54
Hình 3.2 Mơ hình Robot 2 bậc tự do ........................................................................ 55
Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot sử dụng PID.................................. 55

5


Hình 3.4 Sơ đồ mơ phỏng Robot 2 khâu sử dụng bộ PID ........................................ 56
Hình 3.5 Kết quả mơ phỏng vị trí khớp 1 ................................................................. 57
Hình 3.6 Kết quả mơ phỏng vị trí khớp 2 ................................................................. 58
Hình 3.7 Kết quả mơ phỏng giữa 2 khớp của cánh tay ............................................. 58
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc của HTĐK Robot 2 khâu sử dụng BĐK mờ ...................... 59
Hình 3.9 Kết quả mơ phỏng đầu vào ........................................................................ 60
Hình 3.10 Kết quả mơ phỏng đầu vào 2 ................................................................... 61
Hình 3.11 Kết quả mơ phỏng đầu ra 2 ...................................................................... 62
Hình 3.12 Luật hợp thành của bộ điều khiển ............................................................ 62

Hình 3.13 Rule của bộ fuzzy ..................................................................................... 63
Hình 3.14 Surface của bộ fuzzy ............................................................................... 63
Hình 3.15 Mơ phỏng hệ thống Robot sử dụng Fuzzy ............................................... 64
Hình 3.16 Kết quả mơ phỏng với vị trí khớp 1 ......................................................... 64
Hình 3.17 Kết quả mơ phỏng với vị trí khớp 2 ......................................................... 65

6


CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ CÁNH TAY MÁY
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp
Theo định nghĩa, Ngƣời máy (Robot) là thiết bị có thể thực hiện các chức
năng thông thƣờng của con ngƣời hoặc một máy dƣới hình dạng ngƣời.
Từ giữa thập kỷ 18, J. de Vancauson đã xây dựng các búp bê cơ khí có thể chơi
nhạc đƣợc. Đây đƣợc coi nhƣ là sản phẩm đầu tiên của tự động hoá Robot.
Ngƣời đầu tiên sử dụng thuật ngữ “Robot” là nhà viết kịch ngƣời Czech tên
là Karel Capek. Năm 1922, trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot “, Capek đã
sử dụng thuật ngữ “Robot”. Robot theo tiếng Czech có nghĩa là lao động bị bắt ép
hay là nông nô. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra
những chiếc máy gần giống nhƣ con ngƣời để hầu hạ và phục dịch con ngƣời.
Cho đến trƣớc những năm đại chiến thế giới thứ hai, việc ứng dụng các cơ
cấu máy móc nhƣ vậy đã trở thành nhu cầu thực sự nhằm đáp ứng các thao tác cần
thiết trong mơi trƣờng phóng xạ của các viện nghiên cứu nguyên tử.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy
chép hình điều khiển từ xa trong các phịng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Trên
cơ sở đó những cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời và ngày càng phát triển. Đây thực
chất là những cơ cấu máy móc mơ phỏng sinh học bao gồm các khớp nối, dây gắn
liền với hệ điều hành là tay của ngƣời thao tác thông qua các khâu khuyếch đại cơ
khí. Tuy các thao tác của cơ cấu này khá tinh vi khéo léo nhƣng vẫn có nhiều hạn

chế ví dụ nhƣ: Tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng còn hạn chế, hệ điều khiển
thuần tuý là cơ khí...
Vào giữa những năm 1950, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã
xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, nhƣ tay máy Minotaur I
hoặc tay máy Handyman của General Electric.
Năm 1954, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề
dùng để chuyển hàng theo chƣơng trình”.
Năm 1956, George C.Devol và J.Engelberger đã gặp nhau và thảo luận về
tác phẩm của I.asimov. Cả hai đã nhất trí hợp tác chế tạo ngƣời máy và vào năm

7


1959 đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên mang tên Unimate ở Công ty
Unimation. Công ty Unimation do J.Engelberger sáng lập, đây là công ty đầu tiên
chuyên chế tạo ngƣời máy và Devol nghiên cứu các phát minh, đăng ký bằng sáng
chế cho công ty. Unimate đƣợc đƣa vào sử dụng trong một nhà máy ô tô của hãng
General Motors tại Trenton, New Jersey vào năm 1961. Chỉ đến năm 1975,
Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên.
Từ năm 1980, ngƣời máy công nghiệp bắt đầu đƣợc sử dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp khác nhờ công nghệ tiên tiến và những bƣớc phát triển vƣợt
bậc của trong các lĩnh vực máy tính điện tử và vi điện tử. Đặc biệt từ những năm
1990 trở lại đây, do sự phát triển vƣợt bậc về kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông
tin, số lƣợng robot tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng ngày càng đƣợc
hồn thiện. Do đó, robot đang chiếm một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản
xuất tự động hiện đại.
Ngày nay, ngƣời máy càng ngày càng đƣợc hồn thiện, càng nhiều các tính
năng và có hình dáng gần với con ngƣời hơn. Tuy vậy, trong công nghiệp, ngƣời
máy thực sự chỉ là những cánh tay máy đƣợc điều khiển bằng máy tính. [4]
1.2 Ứng dụng Robot công nghiệp

1.2.1 Ƣu điểm của Robot công nghiệp
Robot có thể làm việc trong thời gian dài với độ ổn định và chính xác cao,
tiết kiệm nguyên vật liệu trong suốt thời gian làm việc. Khi cần phải đẩy nhanh,
tăng nhịp độ sản xuất của dây chuyền sản xuất, nếu khơng có Robot thì ngƣời cơng
nhân khơng thể theo kịp tiến độ sản xuất và rất chóng bị mệt mỏi. Do đó Robot góp
phần nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Robot còn có thể
nhanh chóng thay đổi cơng việc khi có sự biển đổi trong q trình đa dạng hố sản
phẩm mà không cần phải đào tạo lại nhƣ đối với con ngƣời.
Hiện nay, với sự trợ giúp mạnh mẽ của những tiến bộ tiên tiến về Khoa học
kỹ thuật làm cho giá thành lắp đặt, chế tạo Robot ngày càng giảm. Đối với những
nƣớc có giá lao động cao thì việc sử dụng các Robot trong các dây chuyền sản xuất
sẽ giảm đáng kể giá thành sản phẩm do giảm đƣợc những chi phí cho ngƣời lao
động mà Robot khơng cần đến nhƣ: tiền lƣơng, phụ cấp, bảo hiểm xã hội.

8


1.2.2 Nhƣợc điểm của Robot công nghiệp
Từ những hiệu quả to lớn do Robot mang lại, đặc biệt là từ thực tế là Robot
đã giải phóng đƣợc sức lao động, nhiều ngƣời lo ngại việc sử dụng nhiều Robot sẽ
dẫn đến tình trạng thất nghiệp. Điều này khơng phải là khơng có cơ sở nhƣng đồng
thời với việc gây dƣ sức lao động đơn giản, nó cũng tạo ra nhiều công việc phức tạp
hơn nhƣ: các kỹ thuật viên, các chuyên gia chuyên về ngƣời máy, các nhà lập trình.
1.2.3 Các ứng dụng của Robot cơng nghiệp
Các Robot nói chung đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích, trong nhiều
lĩnh vực, từ các nhà máy, xí nghiệp lớn tới các công việc phục vụ trong sinh hoạt
đời sống của con ngƣời. Robot có thể làm việc trong mơi trƣờng độc hại, nguy hiểm
nhƣ trong các lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay trong cơng việc thám hiểm
khơng gian, thăm dò các hành tinh thuộc hệ Mặt trời. Trong sinh hoạt, có các Robot
trợ giúp, phục vụ ngƣời già, cắt cỏ, lau nhà…

Đối với Robot cơng nghiệp nói riêng, mức độ ứng dụng của nó diễn ra mạnh
mẽ và sâu rộng hơn cả. Hầu hết các dây chuyền tự động hố sản xuất hiện đại đều
có sự xuất hiện của Robot.
Các Robot công nghiệp đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực cụ thể sau:
+ Robot công nghiệp trong công nghệ gia công và lắp ráp
+ Robot công nghiệp trong các q trình hàn và nhiệt luyện
+ Robot cơng nghiệp trong công nghiệp đúc – rèn, trong ngành gia công áp lực
nơi mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi
+ Robot công nghiệp trong nhà máy sản xuất
1.3 Tình hình phát triển của Robot cơng nghiệp
Hơn nửa thể kỷ qua, Robot đã có những bƣớc phát triển và tiến hóa mạnh
mẽ. Các hƣớng nghiên cứu Robot chuyển từ Robot cơng nghiệp sang phát triển các
Robot dịch vụ vì nó đa dụng và đƣa Robot hịa nhập vào nhu cầu xã hội của lồi
ngƣời.
Theo dự báo thì trong vịng 20 năm tới mỗi ngƣời sẽ có nhu cầu sử dụng một
Robot cá nhân nhƣ cần một máy tính PC hiện nay và Robot sẽ là tâm điểm của một
cuộc cách mạng công nghệ lớn sau Internet. Với xu thế này, cùng với các ứng dụng
truyền thống khác của Robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và

9


đặc biệt trong an ninh quốc phịng thì thị trƣờng Robot và các dịch vụ ăn theo Robot
sẽ vô cùng lớn.
Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
đƣợc ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con ngƣời làm các
công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trƣờng độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng
ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên Robot cơng nghiệp cần
có những khả năng thích ứng linh hoạt và thơng minh hơn. Ngày nay, ngồi ứng
dụng sơ khai ban đầu của Robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác nhƣ trong

y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng và
gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các Robot địa hình và Robot
dịch vụ phát triển.
Có thể kể đến một số loại Robot đƣợc quan tâm nhiều trong thời gian qua là:
tay máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng
sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Tay máy Robot
bao gồm các loại Robot công nghiệp (Industrial Robot), Robot y tế (Medical Robot)
và Robot trợ giúp ngƣời tàn tật (Rehabilitation robot). Robot di động đƣợc nghiên
cứu nhiều nhƣ xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot
tự hành dƣới nƣớc AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Robot tự hành trên
không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và Robot vũ trụ (Space robots). Với Robot
phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi
(Walking robots) và Robot dáng ngƣời (Humanoid Robots) – đƣợc giới thiệu trên
hình 1.5. Bên cạnh đó, các loại Robot phỏng sinh học dƣới nƣớc nhƣ Robot cá, các
cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng đƣợc nhiều nhóm nghiên cứu
phát triển. [4]

10


Hình 1.1 Robot dáng ngƣời
Mặc dù về cấu trúc các loại Robot có nhiều điểm khác nhau nhƣng các
nghiên cứu hiện nay đều hƣớng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của Robot
trong môi trƣờng tự nhiên. Mỹ là nƣớc tập trung đầu tƣ hàng trăm tỷ USD cho phát
triển hệ thống tác chiến tƣơng lai trong đó Robot quân sự hoạt động ở các địa hình
trên cạn, dƣới nƣớc và trên không chiếm phần không nhỏ. Với sự phát triển của xã
hội và quá trình hiện đại hóa ở các nƣớc G7 thì nhiều dịch vụ mới đƣợc hình thành
làm thay đổi quan điểm về Robot, từ Robot phục vụ công nghiệp sang Robot phục
vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con ngƣời. Robot đƣợc thiết kế
phục vụ cho con ngƣời nhƣ những ngƣời giúp việc đắc lực, đa năng. Quá trình này

dẫn đến các khái niệm mới và cả tay máy công nhiệp lẫn Robot di động truyền
thống sẽ phải thay đổi một cách cơ bản mới đáp ứng đƣợc yêu cầu của thị trƣờng
dịch vụ con ngƣời này.
Trên hình 1.6 giới thiệu Robot thám hiểm Sao Hỏa.

11


Hình 1.2 Robot thám hiểm Sao Hoả
Song song với chế tạo Robot thì các cơng trình nghiên cứu khoa học về
Robot đƣợc công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát đƣợc
các hƣớng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về Robot ở Việt Nam liên quan
nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin
cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thơng minh cho Robot. Các
nghiên cứu về động học và động lực học Robot đƣợc các khoa cơ khí, chế tạo máy
ở các trƣờng đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan
tâm cả trong dân sự và qn sự.
Ngồi việc tìm các phƣơng pháp giải các bài tốn liên quan đến cơ học của
các loại Robot nối tiếp, song song, di động, thì các chƣơng trình mơ phỏng kết cấu
và chuyển động 3D đƣợc áp dụng và phát triển để minh họa cũng nhƣ phục vụ cho
phân tích, thiết kế Robot. Các công bố liên quan về cơ học Robot thƣờng đƣợc thực
hiện bởi cán bộ của Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo
máy thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM, các bộ môn
Robot và Cơ điện tử ở các trƣờng đại học khác.
Trên hình 1.7 giới thiệu Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt
Nam

12

Hình 1.3 Robot cơng nghiệp (Hãng Tosy Robotics, Việt Nam)
Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phƣơng pháp điều khiển
truyền thống nhƣ PID, phƣơng pháp tính mơ men, phƣơng pháp điều khiển trƣợt
đến các phƣơng pháp điều khiển thông minh nhƣ điều khiển sử dụng mạng nơ ron,
logic mờ, thuật gen và các phƣơng pháp điều khiển tự thích nghi, các phƣơng pháp
học cho Robot, các hệ visual servoing… Trong các công bố về điều khiển Robot
phải kể đến các cơng trình của Viện Cơng Nghệ Thơng tin Viện KH&CN Việt nam,
Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa Tp.HCM. Gần đây, đội ngũ
nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự
cũng có nhiều công bố liên quan đến lĩnh vực điều khiển Robot do đội ngũ giáo
viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nƣớc ngồi về tiếp tục các nghiên cứu của mình. Lĩnh
vực Robot di động với nhiều cảm biến dẫn đƣờng và camera đang đƣợc nhiều đơn
vị trong nƣớc quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa
cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho
Robot di động đã có nhiều cơng bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm
2004, 2006, 2008 và 2010. Các nghiên cứu về thị giác Robot đƣợc quan tâm cả ở
Robot công nghiệp và Robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển
Robot trên cơ sở thơng tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận
dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu đƣợc chú ý cho các lọai Robot dịch
vụ.

13


Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã đƣợc công bố nhiều trên
các Hội Nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nƣớc nhƣ Nhật, Mỹ,
Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến Robot nhƣ
RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM
2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam
hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nƣớc khu vực và tiên tiến

trên thế giới. [8]
Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt Nam
cần có một cộng đồng rộng lớn các chun gia tâm huyết, có mơi trƣờng học tập và
nghiên cứu lành mạnh và một chính sách vĩ mơ hỗ trợ tri thức phát triển thích nghi
đƣợc với q trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay.
1.4 Cấu trúc và phân loại Robot
1.4.1 Cấu trúc
Robot là một trong những sản phẩm của khoa học mà nó là sự kết hợp của
nhiều ngành khoa học kỹ thuật nhƣ: máy tính điện tử, máy điện, cơ khí, thiết kế cấu
trúc cơ khí, vi điện tử, lập trình trí tuệ nhân tạo, nghệ thuật sản xuất…
Trên hình 1.8 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp loại
thông thƣờng nhƣ sau:

Hình 1.4 Các bộ phận cấu thành Robot cơng nghiệp
Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe đi động 2,
thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dƣới 5, bàn kẹp 6.
Bên trong hoặc ở bên ngồi tay máy cịn đặt nhiều bộ phận khác nữa:
-

Hệ thống truyền dẫn động

14


-

Hệ thống điều khiển

-

Hệ thống cảm biến tín hiệu
1.4.2 Tay máy

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp hình thành cánh tay để tạo ra
các chuyển động cơ bản, gồm:
+ Bệ (thân) - Base
+ Khớp - thanh nối: joint- link
+ Cổ tay – wrist: tạo nên sự khéo léo, linh hoạt.
+ Bàn tay - hand, end effector: trực tiếp hồn thành các thao tác trên đối
tƣợng.
Để có đƣợc chuyển động thân, cánh tay của Robot cần phải có một hệ thống các
khớp nối. Trong chuyển động của Robot ngƣời ta chia ra làm hai loại chuyển động
chính:
+ Chuyển động của thân và cánh tay.
+ Chuyển động các khớp cổ tay.
Mỗi một khớp nối thực hiện một trong hai chuyển động trên đƣợc gọi là
“một bậc tự do”. Thơng thƣờng các Robot cơng nghiệp có từ 4 – 6 bậc tự do. Liên
kết các chuyển động của thân, cánh tay và cổ tay Robot đƣợc thực hiện bằng các kết
nối. Có 4 loại kết nối chính (bảng 1.1.):
- Kết nối thẳng (L): là kết nối mà trục của hai khớp nối song song với nhau.
Chuyển động tƣơng đốigiữa hai khớp nối là chuyển động tịnh tiến. Kết nối này thực
hiện bằng chuyển động pittong hoặc chuyển động rãnh trƣợt.
- Kết nối quay (R): là kết nối mà chuyển động của khớp nối cánh thứ hai là
chuyển động quay xung quanh một trục vng góc với trục khớp nối thứ nhất.
- Kết nối xoắn (T): là kết nối mà trục quay của liên kết song song với trục
quay của hai khớp nối.
- Kết nối xoay (V): là kết nối mà trục quay trùng với trục của khớp nối thứ
nhất và vng góc với trục của khớp nối thứ hai.

15

Bảng 1.1 Các dạng cơ bản của các khớp Robot
Các Robot công nghiệp ngày nay hầu hết thƣờng đƣợc đặt trên đế và thân đế này
đƣợc gắn chặt xuống nền. Gắn vào cổ tay có thể là một bàn kẹp (gripper) hoặc một
số công cụ khác dùng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau (nhƣ mũi khoan, đầu
hàn, đầu phun sơn...) và chúng đƣợc gọi chung là “end effector” đƣợc gọi là các
thiết bị ngoại vi. [4]
1.4.3 Hệ thống truyền dẫn động của Robot
Chuyển động của các khớp nối của Robot đƣợc cung cấp năng lƣợng bởi hệ
thống các động cơ đƣợc trang bị bên trong nó, từ đó tạo ra sự di chuyển, vận động
của thân, cánh tay và cổ tay Robot. Độ lớn hay công suất của các thiết bị này đƣợc
bố trí sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của cánh tay, trọng lƣợng của Robot và
đặc biệt là khối lƣợng động của vật nặng nó cần làm việc.
Do vậy mà tuỳ theo cơng suất yêu cầu và độ linh hoạt của hệ thống mà ta
chọn dùng một trong ba loại hệ truyền động sau:
+ Hệ truyền động thuỷ lực;
+ Hệ truyền động điện;
+ Hệ truyền động khí nén.

16


Hệ truyền động thuỷ lực:
Trong hệ truyền động này năng lƣợng đƣợc truyền đi bằng chất lỏng.
Thƣờng đƣợc sử dụng trong các Robot lớn, công suất làm việc lớn. Hệ truyền động
thuỷ lực có nhiều ƣu điểm: gọn nhẹ, chịu đƣợc tải trọng nặng, quán tính bé tính tác
động nhanh, lực truyền động lớn. Để điều chỉnh tốc độ ngƣời ta điều chỉnh van để
thay đổi áp lực và lƣu lƣợng. Tuy nhiên, hệ truyền động thuỷ lực cũng tồn tại khá
nhiều nhƣợc điểm: hệ thuỷ lực ln địi hỏi bộ nguồn bao gồm: bơm thuỷ lực, thiết

bị lọc, thiết bị điều chỉnh áp suất, thiết bị làm mát, bình tích dầu …
Hệ truyền động điện:
Đƣợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều ƣu điểm hơn so
với các hệ truyền động khác nhƣ: điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộ biến
đổi phụ thêm, không gây bẩn môi trƣờng, các loại động cơ điện hiện đại có thể lắp
trực tiếp lên các khớp, độ chính xác cao hơn… Tuy nhiên, so với truyền động thuỷ
khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một đơn vị khối
lƣợng và thông thƣờng phải địi hỏi thêm hộp giảm tốc vì tay máy yêu cầu tốc độ
quay chậm…
Trong thực tế, chỉ có 2 loại động cơ điện đƣợc sử dụng nhiều hơn cả là: động
cơ điện một chiều và động cơ bƣớc.
Hệ truyền động khí nén:
Thƣờng chỉ đƣợc sử dụng cho loại Robot cỡ nhỏ, có từ 2-3 bậc tự do. Ƣu
điểm của loại truyền động này là: tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều,
không quá nhạy với nhiệt độ môi trƣờng và do trong các phân xƣởng công nghiệp
thƣờng có mạng lƣới khí nén chung nên đơn giản hóa đƣợc phần thiết bị nguồn
động lực cho Robot và khơng cần đƣờng đƣa khí nén trở lại nhƣ đối với hệ truyền
động thuỷ lực.
1.4.4 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hiện nay thƣờng là máy tính để giám sát và điều khiển
hoạt động của Robot, có thể chia ra thành 2 hệ thống:
+ Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo);
+ Hệ thống điều khiển lực.

17


Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt
trƣớc hoặc nhận biết đƣợc trong q trình làm việc.
1.4.5 Hệ thống cảm biến tín hiệu

Hệ thống cảm biến thực hiện việc nhận biết và biến đổi các thông tin về hoạt
động Robot và các thông tin về môi trƣờng làm việc, đối tƣợng mà Robot phục vụ.
Các thông tin đặt trƣớc hoặc cảm biến đƣợc sẽ đƣợc đƣa vào hệ thống điều khiển
sau khi xử lý bằng máy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay
máy. Các loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot có thể chia làm 2 loại:
- Cảm biến nội tín hiệu đảm bảo thơng tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động
trong các bộ phận quan trọng của Robot. Các thông tin này là những tín hiệu phản hồi
phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của Robot.
- Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thơng tin về đối tác và môi trƣờng làm
việc, phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc
thao tác trong không gian làm việc. Để làm đƣợc các việc đó, cần có các loại cảm
biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “xúc giác” và cảm biến “thị
giác”…
1.5 Phân loại Robot cơng nghiệp
- Có hai phƣơng pháp phân loại robot.
+ Một là: theo tính chất vật lý hay hình học của chúng;
+ Hai là: theo cách chúng đƣợc điều khiển.
1.5.1 Phân loại theo vật lý hoặc hình học
Dựa vào hình dáng vật lý hoặc khoảng khơng gian mà cổ tay có thể di
chuyển tới mà ngƣời ta chia Robot thành 5 hình dạng cơ bản sau :
 Loại có dạng đề các (chữ nhật);
 Loại có dạng trụ (kiểu trụ);
 Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực);
 Kiểu nối (nhân hình hố hay nhân tạo);
 SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn).
Kiểu hình chữ nhật

18

Hình 1.5 Robot có khơng gian làm việc dạng hình chữ nhật
Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo
hƣớng dạng hình chữ nhật (hình 1.9). Đây là dạng mơ hình hố và về dạng tốn học
vì các hệ toạ độ tƣơng ứng với hệ trục toạ độ đề các. Robot này đƣợc dùng ở những
nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên khơng gian làm việc của nó rất hạn chế.
Kiểu trụ
Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại
này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ (hình 1.10).
- Chuyển động quay: θ
- Chuyển động cao: h
- Tầm với: r

Hình 1.6 Robot có khơng gian làm việc dạng trụ
Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (r,h,θ), khi đó vị trí sẽ dễ
dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhƣng nếu vị trí đƣợc cho ở một thời điểm,

19


tức là (x,y,z) nhƣ trong trƣờng hợp bình thƣờng, sau đó cần thực hiện một vài phép
biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3
khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống nhƣ trục thẳng đứng của Robot: z = h. Mặt phẳng
xy vng góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó θ quay (quanh trục
z) và khoảng cách r.
x = rcosθ , y = rsinθ
Loại Robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp
hơn.
Kiểu tọa độ cực
Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của
robot này tƣơng ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu (hình 1.11).

- Chuyển động quay: 1 φ
- Chuyển động quay vng góc với mặt phẳng của φ (quay quanh trục z): θ
- Tầm với: z
Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị (r,θ,φ). Tuy nhiên nếu
chúng ta có vị trí tay robot ở dạng (x,y,z), chúng ta phải thực hiện phép chuyển hệ.
Theo cách ít chặt chẽ hơn giống nhƣ trong trƣờng hợp của robot loại 2, chúng ta có thể
xác định toạ độ khớp (r,θ,φ) phải nằm vị trí của tay máy ở một điểm đề các cụ thể.
Phần bổ xung của khớp quay thứ 2 tăng tính mềm dẻo của robot này. Tuy nhiên nó làm
giảm độ chính xác.

Hình 1.7 Robot có khơng gian làm việc dạng cầu
Loại Robot kết nối
Loại này có 3 khớp quay (hình 1.12). Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề
các phức tạp hơn nhiều các trƣờng hợp trƣớc. Robot rất linh hoạt. Loại này có ƣu

20


điểm trong trƣờng hợp Robot phải tiếp cận các chi tiết qua các vật cản. Tuy vậy độ
chính xác của nó thấp hơn tất cả các loại khác.

Hình 1.8 Robot kết nối

Robot SCARA
Loại robot này là loại có cấu trúc hình học mới nhất đƣợc giới thiệu trong mơ
hình hóa các loại robot (hình 1.13). Chuyển động của các khớp cơ bản quanh các
trục thẳng đứng. Cấu trúc này cho độ cứng cần thiết cho robot theo phƣơng thẳng
đứng trong khi cho phép quay trong mặt phẳng nằm ngang.
Các chuyển động của tất cả các khớp chính là chyển động quay nên việc biểu
diễn tốn học khơng đơn giản. Loại robot này có ƣu điểm trong cơng việc lắp giáp

địi hỏi chính xác. [8]

Hình 1.9 Robot SCARA
1.5.2 Phân loại theo điều khiển
- Có 2 phƣơng pháp điều khiển Robot. Đó là kỹ thuật điều khiển không
servo và kỹ thuật điều khiển servo.

21


+ Điều khiển không servo dùng phƣơng pháp hãm cơ khí để cung cấp các
phạm vi biên của chuyển động và khi lệnh dịch chuyển đƣợc sử dụng, khớp đƣợc
dẫn động cho đến khi hãm cơ khí đƣợc chạm tới. Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời.
+ Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ
của các khớp động của robot. [4]
1.6 Hệ thống điều khiển Robot
Hệ thống điều khiển của robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để
thực hiện điều chỉnh chuyển động của robot theo yêu cầu của q trình cơng nghệ. Hệ
thống Điều khiển Robot có thể chia ra:
+ Điều khiển thơ (điều khiển vị trí - quỹ đạo): là bài tốn xác định cách điều
khiển thích hợp sao cho các khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trong quá trình
thời gian. Ở đây bao gồm tốc độ và vị trí tay. Điều khiển thô chỉ thực hiện điều
khiển quỹ đạo .
+ Điều khiển tinh (điều khiển lực): là bài tốn có tính đến cả mơi trƣờng làm việc
của Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo.

Hình 1.10 Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot
1.6.1 Các phƣơng thức điều khiển
 Điều khiển theo quỹ đạo đặt gồm 3 phương thức điều khiển):
 Điều khiển Robot theo chuỗi các điểm giới hạn

 Điều khiển lặp lại :
 Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP)

22


 Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC
 Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thông minh)
 Điều khiển lực: dựa vào tính chất của đối tƣợng điều khiển là tuyến
tính hay phi tuyến.
1.6.2 Điều khiển theo quỹ đạo đặt
Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn
Là phƣơng thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và các
điểm dừng cơ khí. Chuyển động của các khớp nối đƣợc bắt đầu và kết thúc khi gặp
các công tắc giới hạn hoặc các điểm dừng cơ khí này. Việc thiết lập các điểm dừng
và các công tắc giới hạn tƣơng đƣơng với việc lập chƣơng trình cho robot, mỗi một
cơng tắc đƣợc coi nhƣ một phần tử nhớ. Phƣơng pháp điều khiển này thƣờng đƣợc
dùng trong các loại robot đơn giản.
Điều khiển lặp lại
Thƣờng đƣợc dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo
chuyển động của robot là theo một quỹ đạo đã đƣợc tính tốn và xác định từ trƣớc
thơng qua một chuỗi các vị trí xác định. Các vị trí này đã đƣợc ghi vào bộ nhớ của
robot và robot phải tự tính tốn điều khiển để đạt tới các vị trí mong muốn này theo
các điều kiện tối ƣu có thể. Robot điều khiển playback đƣợc chia làm hai loại tùy
theo phƣơng thức điều khiển:
+ Điều khiển theo kiểu điểm - điểm (PTP)
Phƣơng thức điều khiển kiểu điểm - điểm là phƣơng thức điều khiển mà việc
xác định quỹ đạo chuyển động từ điểm này sang điểm khác là do bản thân robot xác
định tuỳ theo điều kiện cụ thể. Quỹ đạo chuyển động của robot đƣợc ghi từ trƣớc
trong bộ nhớ chỉ là một chuỗi vị trí các điểm mong muốn. Robot sẽ tự tìm cách lần

lƣợt đạt tới các điểm mong muốn đó bằng cách so sánh tọa độ hiện tại với tọa độ
của điểm mong muốn và tính tốn xây dựng quỹ đạo điều khiển chuyển động theo
hƣớng làm giảm sự sai lệch đó. Dạng quỹ đạo này phù hợp cho các robot có hoạt
động “gắp”, “nhả”.
+ Điều khiển theo quỹ đạo liên tục
Là phƣơng thức điều khiển mà quỹ đạo chuyển động của robot tới các điểm
đã xác định. Trong quá trình hoạt động robot phải điểu khiển hệ thống bám theo quỹ

23