Ứng dụng thuật toán lai lực vị trí điều khiển Robot Planar ba bậc tự do

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Ứng dụng thuật tốn lai lực vị trí điều
khiển Robot Planar ba bậc tự do” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của cô giáo
PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép em xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Đào Duy Tùng


Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU........................................................................................................ii
Lời nói đầu......................................................................................................................................iii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP............................................................1
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp.........................................................................1
1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm..............................................................................1
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp............................................................................1
1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp......................................................................3
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp....................................................................3
1.3.2. Ứng dụng và mơ hình hóa Robot cơng nghiệp...............................................................3
1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp......................................................................6
1.4.1. Tay máy...........................................................................................................................7
1.4.2. Hệ thống truyền dẫn động của robot...............................................................................9
1.4.3. Hệ thống điều khiển......................................................................................................10
1.4.4. Hệ thống cảm biến.........................................................................................................11

1.5. Hệ thống điều khiển Robot.................................................................................................11
1.5.1. Các phương thức điều khiển.........................................................................................12
1.5.2. Các phương pháp điều khiển Robot.............................................................................15
1.6. Mục tiêu đề tài.....................................................................................................................15
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LỰC.........................................................16
2.1 Điều khiển độ cứng...............................................................................................................16
2.2 Điều khiển lai lực vị trí.........................................................................................................19
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LAI LỰC VỊ TRÍ..................................................22
3.1 Động học Robot....................................................................................................................22
3.2. Phương trình động lực học robot.........................................................................................25
3.3. Bộ điều khiển lai lực vị trí...................................................................................................32
3.3.1. Xây dựng mơ hình robot...............................................................................................32
3.3.2. Thuật tốn điều khiển....................................................................................................34


3.3. Kết quả mô phỏng................................................................................................................37
CHƯƠNG IV: BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ..........................................................................................42
4.1. Bộ điều khiển mờ.................................................................................................................42
4.2. Luật hợp thành mờ (Mamdani)............................................................................................43
4.3. Các phương pháp giải mờ (defuzzification)........................................................................46
4.4. Bộ điều khiển mờ chỉnh định thơng số bộ tích phân...........................................................49
Kết luận..........................................................................................................................................56
Tài liệu tham khảo..........................................................................................................................57
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................58


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Robot vận chuyển hàng....................................................................................................4

Hình 1.2: Robot hàn.........................................................................................................................5
Hình 1.3: Robot lắp ráp ơ tơ.............................................................................................................5
Hình 1. 4: Các bộ phận cấu thành robot cơng nghiệp......................................................................6
Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot.............................................................12
Hình 2.1: Tác động của khâu tác động cuối lên mơi trường..........................................................16
Hình 2.2: Mơ hình hóa hệ thống trên dưới dạng lị xo đàn hồi......................................................17
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống................................................................................................................17
Hình 2.4: Sơ đồ vịng kín điều khiển..............................................................................................17
Hình 2.5: Sơ đồ bộ điều khiển lai lực vị trí....................................................................................20
Hình 3.1: Mơ hình robot.................................................................................................................22
Hình 3.2: Mơ hình robot ba bậc tự do trong hệ tọa độ Oxy...........................................................25
Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển lai lực vị trí.........................................................................................34
Hình 3.4: Sơ đồ bộ điều khiển lai lực vị trí cho robot ba bậc tự do...............................................37
Hình 3.5: Tọa độ vị trí x.................................................................................................................38
Hình 3.6: Tọa độ vị trí y.................................................................................................................38
Hình 3.7: Kết quả mơ phỏng với lực đặt là hằng số.......................................................................39
Hình 3.8: Sai số lực tại vị trí ổn định.............................................................................................39
Hình 3.9: Khối tín hiệu đặt hình sin...............................................................................................40
Hình 3.10: Kết quả mơ phỏng với lực đặt là hình sin....................................................................40
Hình 4.1: Cấu trúc bộ điều khiển mờ.............................................................................................42
Hình 4.2: Miền giá trị của tập mờ B’.............................................................................................47
Hình 4.3: Giá trị rõ y’ theo nguyên lý trung bình...........................................................................47
Hình 4.4: Giải mờ trong trường hợp G khơng liên thơng...............................................................48
Hình 4.5: Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm...................................................................48
Hình 4.6: Bộ điều kiển mờ chỉnh định tham số..............................................................................50
Hình 4.7: Hàm liên thuộc sai số lực và đạo hàm sai số lực............................................................51
Hình 4.8: Hàm liên thuộc dKi.........................................................................................................51
Hình 4.9: Sơ đồ mơ phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ...........................................................52
Hình 4.10: Sơ đồ bộ điều khiển mờ................................................................................................52
Hình 4.11: Tọa độ vị trí x...............................................................................................................53

Hình 4.12: Tọa độ vị trí y...............................................................................................................53
Hình 4.13: Kết quả mơ phỏng lực sử dụng bộ điều khiển mờ........................................................54
Hình 4.14: Kết quả mơ phỏng lực tại vị trí ổn định.......................................................................54
Hình 4.15: Kết quả mơ phỏng với lực đặt hình sin sử dụng bộ điều khiển mờ..............................55

i


Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1: Các dạng cơ bản của khớp robot......................................................................................8
Bảng 3.1: Bảng D-H của robot.......................................................................................................22
Bảng 3.2: Tín hiệu vào ra các khối trong sơ đồ mô phỏng.............................................................37
Bảng 4.1: Luật điều khiển mờ cho bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ I [3]........................51

Lời nói đầu
Robot ngày càng đóng vai trị quan trọng trong cơng nghiệp tự động bởi tính linh
hoạt và hiệu quả của nó. Robot đem lại năng suất lao động cao, giảm chi phí nguyên vật
liệu và các dạng năng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng và giảm giá thành sản phẩm, do
đó tạo khả năng cạnh tranh cao hơn trong thị trường quốc tế. Mặt khác, Robot giải phóng
con người khỏi lao động chân tay, giúp xã hội văn minh hơn, nâng cao được dân trí trong
tổ chức các quá trình sản xuất và tổ chức xã hội. Chính vì vậy nghiên cứu điều khiển
chuyển động Robot là lĩnh vực đầy thách thức đang được các nhà khoa học rất quan tâm.
Trong hai thập kỷ gần đây, vấn đề kiểm sốt sự tương tác giữa robot và mơi trường
đang nổi lên, nó đã thu hút và có nhiều kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực robot. Trong tất
cả các ứng dụng về sự tương tác giữa robot và mơi trường, vị trí và lực tương tác của
khâu tác động cuối phải được điều khiển đồng thời. Các ứng dụng trong lĩnh vực này thúc
đẩy sự phát triển cho các nhu cầu thực tế tự động hóa các nhiệm vụ phức tạp do con
người thực hiện như: lắp ráp, xử lý sự cố, hàn, vận chuyển hàng hóa, vv…. Chính vì vậy,

mục đích nghiên cứu của đồ án là “Ứng dụng thuật tốn lai lực vị trí điều khiển Robot
Planar ba bậc tự do” điều khiển đồng thời lực và vị trí của khâu tác động cuối.
Em xin chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn Phạm Thục Anh đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án. Do hạn chế về trình độ cũng như nhiều
yếu tố khác nên báo cáo còn nhiều khiếm khuyến và sai sót. Em rất mong nhận được sự
đóng góp ý kiến của các thầy cơ cũng như các bạn để hồn thiện hơn báo cáo của mình.

ii


Lời nói đầu

Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Đào Duy Tùng

iii


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp
Năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal
Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông
dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Rabota”, để gọi một thiết bị - lao công do
con người (nhân vật Rossum) tạo ra.
Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn năng

gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công nghiệp. Ngày
nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay người được điều
khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi là robot công nghiệp.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967,
Thụy Điển và Nhật - 1968, CHLB Đức - 1971, Pháp - 1972, Ý- 1973, …

1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm
1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp
Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot cơng nghiệp là một cơ cấu thao
tác đa chức năng với chương trình làm việc có thể được lập trình lại, được 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 được lập trình nhằm mục đích hồn thành những nhiệm
vụ đa dạng. Robot công nghiệp là phần tử tự động hóa khả trình, là bộ phận khơng thể
thiếu trong sản suất linh hoạt.
Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tác
đa chức năng với nhiều chiều chuyển động và được điều khiển tự động với chương trình
làm việc có thể thay đổi cho các cơng việc có mục đích khác nhau. Nó có thể được gắn cố
định trên sàn hoặc di động.
1


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

Định nghĩa của M.Bradky: Robot công nghiệp là sự ghép nối thông minh từ nhận
thức tới hành động.
Robot công nghiệp cũng được định nghĩa đơn giản là những thiết bị tự động linh
hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.
Các định nghĩa về robot tuy khác nhau nhưng đều là các thiết bị tự động hóa được
điều khiển theo chương trình lập trình sẵn nhờ các bộ vi xử lý và các mạch tích hợp
chuyên dùng.

Một số khái niệm
a. Số bậc tự do
Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và
hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hồn chỉnh một đối
tượng trong khơng gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác định vị trí đối tượng trong không
gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Số bậc tự do sẽ tương ứng với số khớp hoặc
số thanh nối của robot.
b. Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp tạo thành
một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản
gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng.
trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các
dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các hệ tọa
độ gắn lên các khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay phải.
c. Vùng làm việc
Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà tay robot có thể chạm tới. Là tồn bộ
thể tích được qt bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có
thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thơng số hình học của robot cũng như các ràng
buộc cơ học của các khớp.
Một số thông số đặc trưng của hệ thống Robot:
 Độ phân giải: đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn được trên toàn
bộ dải chuyển động của một khớp.
2


Chương 1: Tổng quan về robot cơng nghiệp

 Độ chính xác: đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay
máy đến một điểm bất kỳ trong khơng gian hoạt động của nó.
 Độ lặp lại: đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó chạm

vào một điểm theo chương trình định sẵn.

1.3. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp
1.3.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp
Ưu điểm quan trọng nhất của robot công nghiệp là tạo nên khả năng linh hoạt hố
sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã
cho phép tìm được những phương thức mới để tạo nên những dây chuyền tự động sản
xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính đóng vai
trị quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người
thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot có thể góp
phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế robot có thể
nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm
theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
1.3.2. Ứng dụng và mơ hình hóa Robot công nghiệp
Từ những mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp trên mà ta có thể phân chia ra
các lĩnh vực ứng dụng như sau:
a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu
Robot có thể nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có
thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và đặt
ở một vị trí cố định khác hoặc đặt lên băng tải khác đang chuyển động với định hướng
chi tiết khác. Trong dây chuyền sản xuất thì robot được sử dụng để đưa chi tiết và lấy
chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy ép nhựa hoặc dây
chuyền đúc. Trong cơng đoạn đóng gói thì robot xếp các vật liệu lên một giá và đóng gói,
xếp các sản phẩm vào hộp caton hoặc nhặt các chi tiết ra khỏi hộp.

3


Chương 1: Tổng quan về robot cơng nghiệp

Hình 1.1: Robot vận chuyển hàng
b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu
Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn,
gia công kim loại, … Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu
cầu kĩ thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi
Robot có thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp lại
chính xác các động tác khó. Robot cịn được dùng phục vụ máy cơng cụ, làm khn trong
cơng nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các
trạm chuyển trung gian. Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường, vừa đạt năng suất
cao và chịu được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm biến gắn trên robot sẽ
xác định vị trí đúng của đường hàn.

4


Chương 1: Tổng quan về robot cơng nghiệp

Hình 1.2: Robot hàn
c. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm

Hình 1.3: Robot lắp ráp ơ tơ
Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý
tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia
công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết
vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và
5


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

động. Ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra: Robot cũng được sử dụng trong cơng đoạn thử
nghiệm, kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc
các bộ phận cơ khí.

1.4. Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp
Robot là một trong những sản phẩm của khoa học mà nó là sự kết hợp của nhiều
ngành khoa học kỹ thuật như: 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 1.4 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot cơng nghiệp loại thơng
thường như sau:

Hình 1. 4: Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp
Tay máy gồm các bộ phận:
1, Đế đặt cố định hoặc gắn liền với xe đi động
2, Xe di chuyển
3, Thân robot
6


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

4, cánh tay trên
5, cánh tay dưới
6, bàn kẹp
Ngồi ra robot cịn gồm các hệ thống:
-

Hệ thống truyền dẫn động

-

Hệ thống điều khiển

-

Hệ thống cảm biến tín hiệu

1.4.1. 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 hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
Để có được chuyển động thân, cánh tay cuả Robot cần phải có một hệ thống các
khớp nối. Trong chuyển động của Robot người 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 được gọi là “một bậc
tự do”. Thông thường các Robot cơng nghiệp có từ 4 – 6 bậc tự do. Liên kết các chuyển
động của thân, cánh tay và cổ tay Robot được thực hiện bằng các kết nối. Có 4 loại kết
nối chính (bảng 1.1):

7


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

- Kết nối thẳng (L): là kết nối mà trục của hai khớp nối song song với nhau.

Chuyển động tương đốigiữa hai khớp nối là chuyển động tịnh tiến. Kết nối này thực hiện
bằng chuyển động pittong hoặc chuyển động rãnh trượt.
- 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
vuông góc với trục của khớp nối thứ hai.
Bảng 1.0.1: Các dạng cơ bản của khớp robot
Loại

Tên

L

Tuyến tính

R

Quay

T

Cổ tay quay

V

Vng

Minh họa

Các Robot công nghiệp ngày nay hầu hết thường được đặt trên đế và thân đế này
được gắn chặt xuống nền. Gắn vào cổ tay có thể là một bàn kẹp (gripper) hoặc một số

8


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

công cụ khác dùng để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau (như mũi khoan, đầu hàn, đầu
phun sơn...) và chúng được gọi chung là “end effector” được gọi là các thiết bị ngoại vi.
1.4.2. Hệ thống truyền dẫn động của robot
Chuyển động của các khớp nối của Robot được cung cấp năng lượng bởi hệ thống
các động cơ được 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 được bố trí sao cho
phù hợp với tốc độ di chuyển của cánh tay, trọng lượng của Robot và đặc biệt là khối
lượng động của vật nặng nó cần làm việc.
Do vậy mà tuỳ theo công 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.
Hệ truyền động thuỷ lực:
Trong hệ truyền động này năng lượng được truyền đi bằng chất lỏng. Thường được
sử dụng trong các Robot lớn, công suất làm việc lớn. Hệ truyền động thuỷ lực có nhiều ưu
điểm: gọn nhẹ, chịu được tải trọng nặng, quán tính bé tính tác động nhanh, lực truyền
động lớn. Để điều chỉnh tốc độ người ta điều chỉnh van để thay đổi áp lực và lưu lượng.
Tuy nhiên, hệ truyền động thuỷ lực cũng tồn tại khá nhiều nhược 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:

9


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

Được sử dụng rộng rãi trong thiết kế Robot do nó có nhiều ưu điểm hơn so với các
hệ truyền động khác như: điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộ biến đổi phụ
thêm, không gây bẩn môi trường, 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 lượng và thơng thường 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 được sử dụng nhiều hơn cả là: động cơ
điện một chiều và động cơ bước.
Hệ truyền động khí nén:
Thường chỉ được sử dụng cho loại Robot cỡ nhỏ, có từ 2-3 bậc tự do. Ưu điểm của
loại truyền động này là: tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều, không quá nhạy với
nhiệt độ môi trường và do trong các phân xưởng cơng nghiệp thường có mạng lưới khí
nén chung nên đơn giản hóa được phần thiết bị nguồn động lực cho Robot và khơng cần
đường đưa khí nén trở lại như đối với hệ truyền động thuỷ lực.
1.4.3. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển hiện nay thường 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.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trước
hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc.

10


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

1.4.4. Hệ thống cảm biến
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 trường làm việc, đối tượng mà Robot phục vụ. Các thông
tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ được đưa 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 trường 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 được 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. 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 u 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 thơ chỉ thực hiện điều khiển quỹ đạo .
+ Điều khiển tinh (điều khiển lực): là bài tốn có tính đến cả mơi trường làm việc của
Robot, do đó ở đây bao gồm cả điều khiển lực và điều khiển quỹ đạo.

11

Chương 1: Tổng quan về robot cơng nghiệp

Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan về hệ thống điều khiển Robot
1.5.1. Các phương 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)
 Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC

-

Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thơng minh)

Điều khiển lực: dựa vào tính chất của đối tượng điều khiển là tuyến tính hay phi tuyến.
a. Điều khiển theo quỹ đạo đặt
Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn
Là phương thức điều khiển bằng cách thiết lập các công tắc giới hạn và các điểm
dừng cơ khí. Chuyển động của các khớp nối được 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 tương đương với việc lập chương trình cho robot, mỗi một cơng tắc được coi như một
phần tử nhớ. Phương pháp điều khiển này thường được dùng trong các loại robot đơn
giản.

Điều khiển lặp lại
Thường được dùng trong các hệ thống điều khiển phức tạp và quỹ đạo chuyển
động của robot là theo một quỹ đạo đã được tính tốn và xác định từ trước thông qua một
12


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

chuỗi các vị trí xác định. Các vị trí này đã được 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 ưu có thể.
Robot điều khiển playback được chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển:
+ Điều khiển theo kiểu điểm - điểm (PTP)
Phương thức điều khiển kiểu điểm - điểm là phương 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 được ghi từ trước trong bộ nhớ chỉ
là một chuỗi vị trí các điểm mong muốn. Robot sẽ tự tìm cách lần lượt 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 hướng 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 phương 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 đạo được
ghi trong bộ nhớ. Quỹ đạo liên tục có thể được cho dưới dạng các điểm liên tục hoặc cho
dưới dạng các điểm cần phải đi qua với các tham số về vận tốc, gia tốc, thời gian.v.v và
được xây dựng bằng các đa thức nội suy bậc cao. Quỹ đạo liên tục được địi hỏi trong các
ngun cơng cơng nghệ như sơn, hàn, cắt ... mà tay máy thực hiện việc trực tiếp.
Điều khiển Robot thông minh
Ứng dụng để điều khiển cho những robot ngồi việc có thể thực hiện được chương
trình đặt trước, nó cịn có khả năng tùy biến thực hiện các hành động phù hợp với các cảm
nhận từ mơi trường. Robot thơng minh có thể thay đổi chương trình phù hợp với điều kiện

làm việc của mơi trường nhận được từ các sensor (quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường,
âm thanh, tần số…) sử dụng logic mờ và mạng nơron. Robot loại này có khả năng giao
tiếp với con người hoặc với hệ thống máy tính chung để có thể đưa ra các xử lý thơng
minh. Hiện nay trên thế giới đã xuất hiện các robot thông minh có thể hiểu được các lệnh

13


Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp

đơn giản của con người, có thể giao tiếp, giúp đỡ để thực hiện các công việc phức tạp
trong nhà máy.
b. Điều khiển lực
Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính
Khi khảo sát đặc tính động học của một đối tượng điều khiển hay một hệ thống,
thông thường các đối tượng khảo sát được xem là tuyến tính, dẫn đến cho phép mơ tả hệ
thống bằng một hệ phương trình vi phân tuyến tính. Sử dụng nguyên lý xếp chồng của hệ
tuyến tính, ta cịn có thể dễ dàng tách riêng các thành phần đặc trưng cho từng chế độ làm
việc để nghiên cứu với những cơng cụ tốn học chặt chẽ, chính xác mà lại rất đơn giản,
hiệu quả. Sử dụng mô hình tuyến tính để mơ tả hệ thống có nhiều ưu điểm như:
- Mơ hình đơn giản, các tham số mơ hình tuyến tính dễ dàng xác định được bằng
các phương pháp thực nghiệm mà không cần phải đi từ những phương trình hố lý phức
tạp mơ tả hệ.
- Các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính rất phong phú và không tốn
nhiều thời gian để thực hiện.
- Cấu trúc đơn giản của mơ hình cho phép theo dõi được kết quả điều khiển một
cách dễ dàng và có thể chỉnh định lại mơ hình cho phù hợp với u cầu thực tế.
Chính vì những ưu điểm này của mơ hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến
tính và mơ hình tuyến tính đã có được miền ứng dụng rộng lớn.
Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến

Trong thực tế phần lớn các đối tượng được điều khiển lại mang tính động học phi
tuyến (đặc biệt là robot là đối tượng có tính phi tuyến mạnh - có thể thấy rất rõ ngay trong
hệ thống điều khiển Robot luận văn này sẽ trình bày), tức là khơng thoả mãn nguyên lý
xếp chồng; và không phải đối tượng nào, hệ thống nào cũng có thể mơ tả được bằng một
mơ hình tuyến tính, cũng như khơng phải lúc nào những giả thiết cho phép xấp xỉ hệ
thống bằng mơ hình tuyến tính được thoả mãn. Hơn thế nữa độ tối ưu tác động nhanh chỉ
14


Chương 1: Tổng quan về robot cơng nghiệp

có thể tổng hợp được nếu ta sử dụng bộ điều khiển phi tuyến. Các hạn chế này bắt buộc
người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính tốn động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống
bằng những cơng cụ tốn học phi tuyến.
1.5.2. Các phương pháp điều khiển Robot
Cho đến nay trong thực tế, nhiều phương pháp và hệ thống điều khiển Robot đã
được thiết kế và sử dụng, trong đó các phương pháp điều khiển chủ yếu là:
- Điều khiển động lực học ngược.
- Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến.
- Các hệ thống điều khiển thích nghi.
+ Điều khiển thích nghi theo sai lệch.
+ Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC)
+ Điều khiển động lực học ngược thích nghi.
+ Điều khiển trượt

1.6. Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đồ án là:
-

Xây dụng mơ hình động lực học của robot song phẳng 3DOF

Xây dựng bài toán điều khiển lực
Xây dựng thuật tốn điều khiển lai lực vị trí cho robot
Sử dụng điều khiển mờ để chỉnh định tham số bộ điều khiển
Mô phỏng trên matlab simulink

15


Chương 2: Các phương pháp điều khiển lực

CHƯƠNG II
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LỰC
2.1 Điều khiển độ cứng
Khái niệm điều khiển độ cứng được giới thiệu bởi Salisbury và Craid vào năm
1980 và mang một ý nghĩa quan trọng vì nó đại diện cho 1 bước ngoặt trong phương
hướng nghiên cứu robot tại thời điểm này. Thời điểm trước đó, các nhà nghiên cứu đang
gặp vấn đề trong việc điều khiển vị trí robot. Điều khiển độ cứng là phương pháp đầu tiên
để giải quyết vấn đề điều khiển lực.
Để giải thích cho khái niệm khiểm sốt độ cứng ta nghiên cứu hệ thống được mơ tả
trong hình 2.1. Trong hệ thống này, cánh tay máy có khối lượng m giả định tiếp xúc với
môi trường được đặt tại vị trí tĩnh xe. Vấn đề điều khiển là xác định một lực đầu vào () sao
cho tay máy dịch chuyển tới một vị trí cố định (x d). Trong hệ thống này, giả sử vị trí của
tay máy (x) lớn hơn xe thì lực tác động lên mơi trường được xác định như sau:
f = ke(x-xe)
Với ke độ cứng của môi trường là một hằng số dương. Ở đây giả định mơi trường
có thể coi như một lị xo tuyến tính với hệ số đàn hồi ke.

Hình 2.1: Tác động của khâu tác động cuối lên môi trường

16

Chương 2: Các phương pháp điều khiển lực

Hình 2.2: Mơ hình hóa hệ thống trên dưới dạng lị xo đàn hồi
Giả sử trọng lực và lực ma sát là không đáng kể, phương trình chuyển động của hệ
thống theo hình 2.2:
Sử dụng bộ điều khiển PD cho hệ thống ta có: thay kết quả vào biểu thức trên ta
được:

Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống

Hình 2.4: Sơ đồ vịng kín điều khiển
Hàm truyền hệ thống:

17


Chương 2: Các phương pháp điều khiển lực

Ta có biến đổi Laplace của x :
Khi đó vị trí ổn định của hệ thống được tính như sau:

Thay kết quả thu được vào biểu thức f = ke(x-xe) ta được:

Trong thực tế hệ số đàn hồi của môi trường là rất lớn, do khâu tác động cuối của
robot di chuyển trên bề mặt rất cứng. Chính vì vậy nên ta có thể giả định ke kp.
Như vậy ta có:
Bằng việc thay đổi hệ số tỉ lệ Kp của bộ điều khiển, thành phần đại diện cho độ
cứng của hệ thống vòng kín, fss có thể được điều chỉnh cho bằng với mọi giá trị hợp lí của

fd. Điều này có thể được khái quát lại bao gồm các trình tự điều khiển cao hơn, như là các
nguyên tắc hoạt động được duy trì khơng đổi.
Mặc dù bộ điều khiển độ cứng có vai trị quan trọng khi nó đại diện cho những
thành công đầu tiên trong lĩnh vực điều khiển lực của robot nhưng nó thực sự bị giới hạn
trong việc áp dụng trong môi trường thực tế. Bộ điều khiển độ cứng chỉ có khả năng điều
khiển giá trị lực đặt vào, giá trị của lực tác động này phụ thuộc vào hệ số K p của bộ điều
khiển và chỉ thay đổi khi giá trị của Kp thay đổi. Điều này khơng tốt trong q trình vận
hành thực tế và làm cho bộ điều khiển trở nên cồng kềnh. Thêm vào đó, vấn đề điều khiển
đồng thời lực và vị trí khơng được giải quyết trong phương pháp này. Như vậy, bộ điều
khiển độ cứng là một bộ điều khiển lực thuần túy.

2.2 Điều khiển lai lực vị trí
Khái niệm bộ điều khiển lai lực vị trí, được giới thiệu bởi Raibert và Craig vào
năm 1981, ý tưởng cho bộ điều khiển này là thông qua việc tách rời nhiệm vụ thực thi
trong không gian nhiệm vụ, chia chúng thành các bộ điều khiển khác nhau. Raibert và
Craig đưa ra giả thuyết rằng nếu bộ điều khiển vị trí và lực được tách riêng, thì các bộ

18


Chương 2: Các phương pháp điều khiển lực

điều khiển chuyên dụng độc lập có thể được thiết kế cho mỗi nhiệm vụ phụ. Các bộ điều
khiển này sẽ hoạt động song song và kiểm sốt vị trí / lực đồng thời.
Trong không bị gian ràng buộc, khi robot hoạt động, khâu tác động cuối của robot
sẽ tác động một lực lên bề mặt của mơi trường. Khi đó, có một lực mới được sinh ra tác
động trở lại cánh tay của robot, lực này gây ảnh hưởng tới các mô men của các khớp nối
của robot.
Động học robot chuyển động trong môi trường ràng buộc:

Các vectơ , và đại diện tương ứng cho, momen các khớp, góc lệch giữa các khớp
và các lực tiếp xúc khâu tác động cuối. Hơn nữa, vectơ đại diện cho lực tiếp xúc ở khâu
tác động cuối gây ảnh hưởng tới các khớp tự do. Giả sử bộ tay máy được điều khiển theo
một vectơ của quỹ đạo mong muốn , và sẽ tạo ra vị trí khâu tác động cuối và lực tiếp xúc
mong muốn. Sau đó, một bộ điều khiển tính tốn mơmen của các khớp sẽ có dạng sau:

Hàm chuyển đổi khơng gian:
Ta có đạo hàm bậc nhất và bậc 2 của :
và
là ma trận Jacobian của tay máy. Thay kết quả trên vào bộ điều khiển ta được:

Phương trình trên sử dụng luật điều khiển PD cho điều khiển lai lực vị trí. Phương
pháp này hoạt động bằng cách điều chỉnh không gian nhiệm vụ với các điều kiện không
gian ràng buộc. Khơng gian ràng buộc khơng thực sự được tích hợp vào mơ hình động hệ
thống. Đối với các điều kiện ràng buộc phức tạp sẽ gây khó khăn cho hệ thống, vì các
ràng buộc này có thể khơng được liên kết với một hệ tọa độ không gian cố định. Như vậy
19