Thiết kế mô hình robot SCARA - Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mơ hình robot SCARA do
nhóm em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Nguyễn Danh Huy. 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 hồn tồn chịu
trách nhiệm
Hà Nội, ngày tháng

năm 2018

Sinh viên thực hiện

Phan Vinh Anh


MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................ 1
DANH SÁCH BẢNG BIỂU........................................................................................... 1
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 .................................................................................................................... 2
TÌM HIỂU VỀ ROBOT .................................................................................................. 2
1.1. Lịch sử phát triển robot ........................................................................................2
1.2. Một số khái niệm định nghĩa về Robot ................................................................4
1.3. Phân loại Robot ....................................................................................................5
1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp .........................................................................6
1.5. Robot SCARA .....................................................................................................7
CHƯƠNG 2 .................................................................................................................... 9
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT SCARA ....................... 9
2.1. Động học robot ....................................................................................................9
2.1.1. Động học thuận robot ...................................................................................9

2.1.2. Động học ngược robot ................................................................................10
2.2. Động lực học robot ............................................................................................11
2.2.1. Phương trình động lực học robot ................................................................12
2.3. Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot .............................................................15
2.3.1. Hệ thống điều khiển độc lập các khớp ........................................................16
2.3.2. Hệ thống điều khiển tập trung.....................................................................18
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ
VỊ TRÍ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN ................................................................................. 21
3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mơ hình hóa...............................................21
3.2. Thiết kế mạch vịng tốc độ .................................................................................25
3.2.1. Yêu cầu điều khiển .....................................................................................25
3.2.2. Các phương án đo và điều khiển .................................................................25


3.2.3. Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng tốc độ ...................28
3.3. Thiết kế mạch vòng vị trí ...................................................................................31
3.3.1. Yêu cầu điều khiển .....................................................................................31
3.3.2. Các phương án đo và điều khiển .................................................................31
3.3.3. Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển số cho mạch vòng vị trí .................33
CHƯƠNG 4 .................................................................................................................. 38
THIẾT KẾ GHÉP NỐI HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH ROBOT SCARA ......... 38
4.1. u cầu điều khiển ............................................................................................38
4.1.1. Phương trình động học robot SCARA ........................................................38
4.1.2. Động học ngược của Robot SCARA ..........................................................40
4.1.3. Phương án thực hiện điều khiển .................................................................41
4.2. Thiết kế hệ điều khiển ........................................................................................41
4.2.1. Chọn động cơ ..............................................................................................43
4.2.2. Chọn vi điều khiển ......................................................................................44
4.2.3. Xây dựng mạch vịng điều khiển tốc độ và vị trí bằng vi điều khiển
STM32F407 ......................................................................................................................45

4.3. Lắp ráp, hiệu chỉnh và thử nghiệm ....................................................................47
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 53


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Robot shakey.................................................................................................... 2
Hình 1.2 Robot YASKAWA trong dây truyền sản xuất gạch ....................................... 4
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở khơng gian khớp ...................................... 15
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khơng gian làm việc .................................... 16
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi............................................................... 16
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định ........................................................................ 17
Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi ............................................ 18
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD .................................................................. 18
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ................................ 19
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiền momen tính tốn.................................... 19
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển động cơ một chiều tổng qt.............................................. 21
Hình 3.2 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện ......................................................... 21
Hình 3.3 Sơ đồ thu gọn của vịng điều chỉnh dịng điện ............................................... 22
Hình 3.4 Mơ hình mạch vịng dịng điện ...................................................................... 24
Hình 3.5 Đáp ứng đầu ra vịng dịng điện ..................................................................... 24
Hình 3.6 Cấu tạo của máy phát một chiều .................................................................... 25
Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa ................................................................ 26
Hình 3.8 Sơ đồ thu phát Encoder tương đối ................................................................. 26
Hình 3.9 Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối ................................................................... 27
Hình 3.10: Sơ đầu cấu trúc mạch vịng tốc độ .............................................................. 28
Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ dạng đơn giản ......................................... 28
Hình 3.12 Mạch vịng tốc độ trên simulink .................................................................. 30
Hinh 3.13 Tín hiệu đầu ra của mạch vịng tốc độ khi có tải ......................................... 30

Hình 3.14 Tín hiệu đầu ra của vòng điều chỉnh dòng điện khi có tải ........................... 31
Hình 3.15 Cơng tắc hành trình trong thực tế ................................................................ 32
Hình 3.16 Tổng hợp mach vịng điều khiển vị trí ......................................................... 33
Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng vị trí .................................................................. 33
Hình 3.18: Sơ đồ mạch vịng điều khiển đơn giản........................................................ 34
Hình 3.19: Mạch vịng vị trí trên simulink ................................................................... 36
Hình 3.20: Đáp ứng đầu ra của mạch vịng điều khiển vị trí ........................................ 36
Hình 3.21: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng điều khiển tốc độ ...................................... 36
Hình 3.22: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng điều chỉnh dòng điện ................................ 37


Danh sách hình vẽ
Hình 4.1 Robot scara .................................................................................................... 38
Hình 4.2: Mạch lực ....................................................................................................... 42
Hình 4.3: Mạch điều khiển ........................................................................................... 43
Hình 4.4: Động cơ một chiều CHP-36GP-555ABHL .................................................. 44
Hình 4.5: Sơ đồ chân chip stm32f407 .......................................................................... 45
Hình 4.6: KIT STM32F407 .......................................................................................... 45
Hình 4.7 Sơ đồ ghép nối ............................................................................................... 46
Hình 4.8 Lưu đồ thuật tốn điều khiển tốc độ .............................................................. 46
Hình 4.9 Lưu đồ thuật tốn điều khiển vị trí................................................................. 47
Hình 4.10: Cáp truyền thơng......................................................................................... 47
Hình 4.11: Lắp ráp và chạy thử nghiệm thực tế robot Scara ........................................ 48
Hình 4.12: Khớp điều khiển thử nghiệm tốc độ(Khớp xoay và động cơ) .................... 49
Hình 4.13: Ghép nối Oxilo với chân Encoder trên vi điều khiển để kiểm tra tốc độ ... 49
Hình 4.14: Kết quả đo được khi đặt tốc độ 45 xung/100ms ......................................... 50
Hình 4.15. Kết quả đo được khi đặt tốc độ 117 xung/100ms ....................................... 50
Hình 4.16. Kết quả đo được khi đặt tốc độ 158 xung/100ms ....................................... 51
Hình 4.17: Khớp thử nghiệm ở vị trí ban đầu ............................................................... 51
Hình 4.18: Vị trí khớp sau khi điều khiển .................................................................... 52

Danh sách bảng biểu

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Bảng D-H biểu diễn tham số robot SCARA ................................................ 39


Lới nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Robot cơng nghiêp là lĩnh vực đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế
giới mà ở nước ta lĩnh vực này còn nhiều mới mẻ. Ngày nay trong môi trường sản xuất
hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng các máy chuyên dung. Với các
phương pháp này, đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm cơng nghiệp phù
hợp với đa số người tiêu dung. Tuy nhiên mỗi máy công cụ, được thiết kế để thực hiện
nguyên công cho trước, mỗi khi cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, thì tồn bộ dây
chuyền sản xuất phải được cải tạo lại. Việc sửa đổi đó rất tốn kém. Đây là kiểu tự động
hóa cứng và rất tốn kém.
Do vậy mà trên thế giới người ta đà tìm ra phương pháp sản xuất tiên tiến giúp
cải thiện quá trình sản xuất đó là sử dụng các loại robot để thay thế dây truyền sản xuất
lạc hậu và thay thế cho con người ở những vị trí yêu cầu độ chính xác cực cao hoặc
thực hiện nhiều nguyên công như: chuyển tải vật tư và các thiết bị, hàn điểm, sơn phun
và lắp ráp trong công nghiệp ô tô…Do các cơ cấu hoạt động được điều khiển bằng
máy tính hoặc các bộ vi xử lý, chúng có thể tái lập dễ dàng cho nhiều ngun cơng
khác nhau, do đó khơng cần thay máy móc này khi thay đổi kiểu mẫu sản phẩm. Đây
là kiểu tự động hóa linh hoạt và mang lại hiệu quả kinh tế cao và rất cần thiết trong
hoàn cảnh của nước ta hiện nay đang tiến tới cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất
nước.
Robot cơng nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các dây truyền sản xuất hiện

đại và có sự linh hoạt cao vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo robot là cần thiết. Robot
Scara là một trong những robot được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì tính linh hoạt
của nó. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo Robot Scara là cần thiết. Với các ý nghĩa đó
trong đồ án tốt nghiệp kỹ sư em đã được thầy Nguyễn Danh Huy giao cho đề tài thiết
kế hệ thống điều khiển robot SCARA.
Em xin chân thành cảm ơn thầy đã tạo điều kiện thuận lợi và hướng dẫn chỉ bảo
tận tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

1


Chương 1: Tìm hiểu về robot

CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ ROBOT
1.1. Lịch sử phát triển robot
Khái niệm robot ra đời đầu tiên vào ngay 09/10/1922 tại NewYork khi nhà soạn
kịch người tiệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động một cách tự
động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó.
Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người. Đến năm
1948, tại phịng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng
động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối.
Năm 1956 hàng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám
hiểm đại dương,
Năm 1968 R.S. Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi
bằng 4 chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một
hệ thống servo thủy lực.
Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự hành nhờ nhận dạng
hình ảnh

Hình 1.1 Robot shakey
Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề
mặt của mặt trăng.

2


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tác nghiên cứu
tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và
thiết bị giao tiếp người và máy.
Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạo gọn
hơn, thực hiện được nhiều chứ năng hơn, thông minh hơn.
Một lĩnh vực được nhiều nước quan tâm là các Robot tự hành, các chuyển động
của chúng ngày càng đa dang, bắt chước các chuyển động của chân người hay các lồi
động vật như: bị sát, động vât 4 chân,… Và các loại xe Robot hoặc các loại cánh tay
robot nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh
hoạt.
Từ những năm 1980 nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến
bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tang
với nhiều tính năng vượt bậc. Chính vì vậy mà robot cơng nghiệp đã có vị trí quan
trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay.
Loại robot được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp tự động bao gồm robot
có khớp nối (loại thơng dụng nhất), SCARA robot và gantry robot ( thường được gọi
là robot tọa độ đề-cac hay robot x-y-z). Hầu hết mọi loại robot cơng nghiệp đều được
phân chia theo tính năng của tay robot. Các robot thông dụng nhất hiện nay là robot có
khớp nối (Articulated robot).
Robot có khớp nối: là robot có những khớp quay, chúng có thể có hai kết cấu
nối với nhau rất đơn giản đến những hệ thống có tới hơn 10 kết cấu tương tác với

nhau. Chúng có thể dung để nhấc các chi tiết nhỏ với độ chính xác cực cao. Các robot
thường được dung để làm các nhiệm vụ như hàn, cắt, sơn, lắp ráp, gắp chi tiết, đánh
bóng,v.v…

3


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Hình 1.2 Robot YASKAWA trong dây truyền sản xuất gạch
Đến nay trên thế giới có khoảng trên 200 cơng ty sản xuất robot. Điển hình như
Yaskawa, Fanuc, Honda, Toyota… cùng với những sản phẩm robot được áp dụng phổ
biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, Robot Yasakawa,… Do đó
robot là một lĩnh vực nghiên cứu không thể thiếu của những nước đã và đang phát
triển.

1.2. Một số khái niệm định nghĩa về Robot
Có một số định nghĩa về robot cùng tồn tại:
Định nghĩa theo từ điển New World College:“Robot là một kết cấu cơ khí có
hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay cho con
người”.
Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc di chuyển
theo bước đi và mơ phỏng hình dạng con ngươi trong khoa học viễn tưởng. Các robot
công nghiệp ngày nay chỉ thực hiện một phần nào đó cơng việc của con người. Các
robot ban đầu được gọi là các tay máy.
Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp nhật bản:“Robot là một máy, cơ
cấu thường gồm một số phân đoạn được nối với đoạn khác bằng khớp quay hay khớp
trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự
do. Nó có thể được điều khiển bởi một nguồn kích hoạt, một hệ điều khiển điện tử có
thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”.

4


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Định nghĩa theo chuẩn AFNOR (Pháp):“Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự
động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt
ra trong các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật
chất( chi tiết. dụng cụ gá lắp…) theo những hành trình thay đổi đã dược chương trình
hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau”.
Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kỳ:“Robot là một tay máy
nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh
kiện, các dụng cụ và các thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình
hoạt động đã được lập để thực hiện các tác vụ khác nhau”.
Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh: “Robot công nghiệp là một thiết bị có thể
lập trình lại được thiết kế để thực hiện hai nhieemh vụ cầm nắm và vận chuyển các
phần tử linh kiện, các dụng cụ hoặc các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua thay đổi
các chương trinh hoạt động đã được lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau”.
Định nghĩa theo GOST (Nga):“Robot là một tay máy tự động liên kết giữa một
tay máy và một cụm điều khiển chương trinh hóa, thực hiện một chu trình cơng nghệ
một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của
con người”.

1.3. Phân loại Robot
Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kĩ thuật khác
nhau. Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:
Phân loại theo số bậc tự do: một cách lí tưởng, một robot có 6 bậc tự do khi
cầm nắm được một đối tượng tự do trong không gian ba chiều. Từ quan điểm này,
chúng ta gọi một robot là robot tổng quát ( General Purpose Robot) nếu nó có 6 bậc tự

do, nếu có nhiều hơn 6 bậc tự do thì gọi là robot dư ( Redundant Robot) và gọi là robot
thiếu nếu nó có ít hơn 6 bậc tự do.
Phân loại robot theo cấu trúc động học: một robot được gọi là robot chuỗi hở
nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động hở, gọi là robot song song
nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu
nó bao gồm cả hai loại chuỗi hở và đóng. Nhìn nhận một cách tổng qt thì robot song
song có nhiều ưu điểm như khả năng tải cao hơn nhưng không gian làm việc nhỏ và
cấu trúc phức tạp.

5


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Phân loại theo hệ thống truyền động:
Hệ truyền động gián tiếp: các cơ cấu chấp hành được nối với các nguồn động
lực thông qua các bộ truyền động cơ khí thường gặp như hệ thống bánh rang thường,
hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng song, dây đai, bộ truyền xích… Nhược điểm của
hệ này là bị mòn tạo khe hở động học dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng
cao hơn. Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ truyền.
Hệ truyền động trực tiếp: các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn
động lực, do đó kết cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm của
truyền động gián tiếp. Mặt khác những khó khan đặt ra là cần thiết kế chế tạo các động
cơ có số vịng quay thích hợp và cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.
Phân loại theo phương pháp điều khiển:
Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển của qui tắc điều khiển cơ
bản:
- Điều khiển điểm.
- Điều khiển quĩ đạo liên tục.
- Điều khiển nhận dạng.

- Điều khiển thích nghi.
Phân loại theo độ chính xác: trong hoạt động của robot cần phân biệt độ chính
xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại để đánh giá mức độ tin cật trong một chu kì làm
việc đơn lẻ và trong một quá trình làm việc lâu dài. Mặt khác, để đánh giá trên một
miền kích thước hay một phạm vi chứ năng rộng hơn, người ta còn đưa ra độ chính
xác phân giải để đánh giá mức độ chính xác trong các miền phân giải khác nhau.

1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
truyền cơng nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ
những ưu điển cơ bản của robot:
Robot cơng nghiệp có thể thực hiện được qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc
hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot
cơng nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm.

6


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là giảm được đáng kể chi
phí cho người lao động.

Việc áp dụng robot có thể làm tang năng suất dây chuyền

công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tang nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất,
nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ khơng thể theo kịp hoặc rất
chóng mệt mỏi.

Robot có thể cái thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng
ta cần lưu tâm. Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc
trong môi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

1.5. Robot SCARA
Khái niệm
Robot SCARA ( selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có
thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay robot.
Do chuyển động của robot SCARA đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được
sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tiêu biểu cho nhóm robot này là Robot
Serpent.
Robot Serpent được thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay được đặt trên trục
cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đảm bảo được góc quay của cổ tay
khơng thay đổi trong quá trình chuyển động. Truyền động cho 2 khớp của tay máy và
cổ tay bằng động cơ một servo một chiều có phản hồi vị trí tạo thành một vịng điều
khiển kín. Chuyển động thẳng đứng được thực hiện bằng piton nén. Chiều cao của
robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân robot trên trục cơ bản,
giúp tay máy thuân lợi trong việc thay đổi công việc ( thay đổi tọa độ, phạm vi hoạt
động của robot).
Robot scara có thể được lâp trình từ máy tính bằng cách đặt dữ kiệu cho mỗi
trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện ( steering) cho tay máy dung
các cuộn dây điện từ trong pendant.
Mơ hình robot scara tại phịng thí nghiệm
Robot scara tại phịng thí nghiệm là robot serpent với tình trang hiện tại:
-

Phần kết cấu cơ khi gần như hỏng hoàn toàn và rỉ sét

-

Phần mạch điều khiển hỏng hồn tồn và phải thay thế

-

Robot khơng thể hoạt động được

7


Chương 1: Tìm hiểu về robot

- Có thể tận dụng được phần khung của robot.
Mục tiêu:
Với những điều kiện thực tế như vậy nên nhiệm vụ được giao của nhóm đồ án
là:
- Bảo dưỡng và phục hồi lại phần cơ khí của robot.
- Thay thế động cơ truyền động.
- Thiết kế và xây dựng lại các mạch điều khiển tốc độ và vị trí cho từng khớp
theo phương pháp điều khiển số có sử dụng vi điều khiển để phục vụ điều
khiển thử nghiệm và từ đó có thể tiếp tục xây dựng hệ điều khiển số cho
robot.

8


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT
SCARA

2.1. Động học robot
2.1.1. Động học thuận robot
Trong bài toán động học thuận: Cho một vector gồm các biến khớp của robot
công nghiệp, ta đi xác đinh hướng của bàn kẹp trong hệ tọa độ gắn với giá đỡ của
robot.
Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu
nối với nhau bằng các khớp. Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu chấp hành của
nó phải cấu tạo sao cho khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quĩ đạo
nào đó, đồng thời khâu này có một định hướng nhất định theo yêu cầu. Khâu cuối
cùng thường là bàn kẹp hoặc là khâu gắp liền với dụng cụ làm việc. Điểm tác động
cuối là điểm đáng quan tâm nhất, ta cần quan tâm đến vị trí của điểm tác động cuối và
hướng của khâu cuối trong không gian làm việc của robot.
Gắn vào điểm tác động cuối một hệ tọa đố động thứ n, gắn với mỗi khâu động
một hệ tọa độ khác và gắn lên giá đỡ một hệ tọa độ cố định. Đánh số kí hiệu các hệ
này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định. Khi khảo sát chuyển động của robot cần biết
định vị của điểm tác động cuối và định hướng của khâu cuối trong mọi thời điểm.
Nhiều khi lại cần biết cả vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cũng như các điểm
khác của robot. Đây là nội dung quan trọng của bài toán động học robot, chúng được
xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ tọa độ động nói trên so với hệ tọa độ cố
định.
Với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với khâu làm việc.
0

Tn=0H1. 0H2. 2H3…n-1Hn=TE

(2.1)

Ta có ma trận chỉ hướng và vị trí của khâu tác động cuối được viết như sau:
𝑛𝑥 𝑠𝑥 𝑎𝑥 𝑝𝑥
𝑛 𝑠

𝑎𝑦 𝑝𝑦
]
TE = [ 𝑦 𝑦
(2.2)
𝑛𝑧 𝑠𝑧 𝑎𝑧 𝑝𝑧
0 0 0
1

9


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Bài tốn động học thuận là bài tốn tìm tham số nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz
theo các biến khớp. Từ (2.1) 0Tn = TE ta tìm được nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz theo
các biến khớp bằng cách so sánh các phần tử của hai ma trận tương ứng 0Tn và TE.
2.1.2. Động học ngược robot
Bài toán động học ngược robot được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ
sở chủ yếu để xay dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quĩ
đạo cho trước. Các lời giải tìm được cho bài tốn này hầu như chỉ cho trường hợp
riêng, các đặc điểm đôngh học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần
thiết khi thiết lập lời giải.
Xuất phát từ phương trình động học cơ bản ta có:
𝑛𝑥 𝑠𝑥 𝑎𝑥
𝑛 𝑠
𝑎𝑦
Tn = 𝐴1 . 𝐴2 … 𝐴𝑛 = [ 𝑦 𝑦
𝑛𝑧 𝑠𝑧 𝑎𝑧
0 0 0

𝑝𝑥
𝑝𝑦
]
𝑝𝑧
1

(2.3)

Hai ma trận ở hai vế của phương trình đều là ma trạn thuần nhất 4x4. So sánh
các phần tử tương ứng của hai ma trận trên trên ta có 6 phương trình độc lập. Có 2
cách đê giải bài tốn động học ngược.
Cách 1:Ta có thể viết:
Tn = T1.iTn

(2.4)

Với i= 1…n
Ứng với mỗi giá trị I, khi so sánh các phần tử tương ứng của hai ma trận ở hai
vế của biểu thức trên ta có 6 phương trình độc lập để xác định biến khớp qi (i=1…n).
Cách 2: Từ hệ phương trình (2.3) ta có thể xác định sáu phương trình độc lập để xác
định các biến khớp qi (i=1…n).
Từ (2.3) ta có các phương trình độc lập:
𝑓1 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) − 𝑝𝑥 = 0
{𝑓2 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) − 𝑝𝑦 = 0
𝑓3 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) − 𝑝𝑧 = 0

(2.5)

Tùy theo cấu trúc của robot mà ta xác định 3 phương trình cịn lại:
𝑓4 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) = 0

{𝑓5 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) = 0
𝑓6 (𝑞1 , 𝑞2 … 𝑞𝑛 ) = 0

10

(2.6)


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Nhận xét:
Việc giải bài toán động học ngược của cơ cấu robot rất phức tạp, cho đến nay
vẫn chưa có thuật giải tổng quát. Để giải được các bài tốn này người ta thường lợi
dụng một số tính chất của một số cơ cấu để đơn giản hóa việc tính tốn và chỉ tìm ra
lời giải cho những mơ hình cụ thể, ví dụ như các đặc điểm hình học, các rang buộc của
biến khớp…Việc giải bằng phương pháp giải tích thơng thường nói chung là rất khó
khan, đơi khi khơng giải được, nhằm khắc phục khó khan này người ta sử dụng
phương pháp số để giải bài toán động học ngược robot.
Khi giải bài toán động học ngược thường được một tập hợp nghiệm, vấn đề đặt
ra là: trong những nghiệm tìm được thì nên chọn nghiệm nào. Để giải quyết vấn đề này
thì ta cần thực hiện tối ưu hóa các thí nghiệm tìm được thoe một tiêu chuẩn nào đó,
như tối ưu về thời gian điều khiển, tối ưu về năng nượng…

2.2. Động lực học robot
Ở bài toán động học ta đã đi xác định được vị trí và động học vi sai, cấu trúc
hình học và các chuyển động robot nhưng chưa xét đến các lực gây ra các các chuyển
động. Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc môi trường sẽ sinh ra một lực cần thiết
để di chuyển vật và thực hiện công việc ví dụ như robot SCARA gắp một chi tiết đến
một vị trí định sẵn theo yêu cầu.
Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể theo quan

hệ sau:
∑ 𝐹̅ = 𝑚𝑎̅

(2.7)

Tương tự moomen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thê là
̅ = 𝐽𝑎̅
∑𝑀

(2.8)

Để làm khớp robot di chuyển tịnh tuyến hoặc quay, cơ cấu chấp hành cần sinh
một lực hoặc moomen đủ lớn. Mối quan hệ giữa lực, moomen của các khớp với vị trí,
tốc độ và gia tốc được biểu diễn trong phương trình chuyển động, cịn gọi là phương
trình động lực học. Trong phương trình động lực học lực và moomen là các tín hiệu
vào. Dựa vào phương trình động lực học ta sẽ tính được lực, momen cần thiết để khớp
robot có thể chuyển động được với tốc độ và gia tốc mong muốn. Phương trình động
lực học cũng được sử dụng cho đánh giá ảnh hưởng của khối lượng tải đối với các
chuyển động của robot với các đầu vào là lực và momen của các khớp là cơ sở cho

11


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

thiết kế hệ thống điều khiển robot.
Để xây dựng phương trình động lực học cho robot ta sử dụng phương trình
Lagrange. Q trình tiến hành theo 5 bước:
-

Tính tốc độ của điểm bất kỳ trên thanh nối.

-

Tính động năng.

-

Tính thế năng.

-

Tính hàm Largrange.

-

Tính momen và lực của các khớp.

2.2.1. Phương trình động lực học robot
Từ phương trình Lagrange bậc hai:
𝑑

(

L

𝑑𝑡 𝑞𝑖̇

)−

L
𝑞𝑖

= 𝐹𝑀𝑖 (𝑖 = 1,2,3,4)

(2.9)

Trong đó:
- L hàm Lagrange L= K – P
- K và P là động năng và thế năng của hệ.
- 𝐹𝑀𝑖 là lực động hình thành trong khớp động thứ i.
- 𝑞𝑖 là biến khớp𝑞𝑖̇ là đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian.
Giải phương trình (2.9) ta sẽ tìm được lực động sinh ra khi robot chuyển động.
Động năng:
-

Ki là động năng của khâu thứ i (i = 1,2,3,4)

-

dKi là động năng của một chất điểm khối lượng dm thuộc khâu i

-

rii là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ
tọa độ thứ

-

i: rii = (xi,yi,zi,1)T.

-

roi là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ
tọa độ cơ bản : roi = (xo,yo,zo,1)T.Ta có:
1

𝑇
𝑑𝐾𝑖 = 𝑇𝑟[∑𝑖𝑝=1 ∑𝑖𝑟=1 𝑈𝑖𝑝 (𝑟𝑖𝑖 . 𝑑𝑚. 𝑟𝑖𝑖𝑇 )𝑈𝑖𝑟
. 𝑞𝑝̇ 𝑞𝑟̇ ]
2

(2.10)

Với :
TrA = ∑4𝑖=1 𝑎𝑖𝑖 ; 𝑈𝑖𝑗𝑣 = 𝑇𝑜𝑗−1 . 𝐷𝑗 . 𝑇𝑗−1𝑖
Đối với khớp quay:

12

(2.11)


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

0 −1 0 0
1
0 0 0
]
𝐷𝑗= [

0
0 1 0
0
0 0 0

(2.12)

0
0
𝐷𝑗= [
0
0

(2.13)

Đối với khớp tịnh tiến:
0
1
0
0

0
0
1
0

0
0
]
0

0

Suy ra:
𝑖

𝑖

1
𝑇
𝐾𝑖 = ∫ 𝑑𝐾𝑖 = 𝑇𝑟 [∑ ∑ 𝑈𝑖𝑝 (∫ 𝑟𝑖𝑖 . 𝑟𝑖𝑖𝑇 𝑑𝑚) 𝑈𝑖𝑟
. 𝑞𝑝̇ 𝑞𝑟̇ ]
2

(2.14)

𝑝=1 𝑟=1

Với: ∫ 𝑟𝑖𝑖 . 𝑟𝑖𝑖𝑇 𝑑𝑚 là ma trận quán tính Ji của khâu i:
∫ 𝑥𝑖2 𝑑𝑚
∫ 𝑥𝑖 . 𝑦𝑖 𝑑𝑚
𝐷𝑗= ∫ 𝑟𝑖𝑖 . 𝑟𝑖𝑖𝑇 𝑑𝑚 =
∫ 𝑥𝑖 . 𝑧𝑖 𝑑𝑚
[ ∫ 𝑥𝑖 . 𝑑𝑚

∫ 𝑥𝑖 . 𝑦𝑖 𝑑𝑚
∫ 𝑦𝑖2 𝑑𝑚
∫ 𝑦𝑖 . 𝑧𝑖 𝑑𝑚
∫ 𝑦𝑖 . 𝑑𝑚

∫ 𝑥𝑖 . 𝑧𝑖 𝑑𝑚

∫ 𝑦𝑖 . 𝑧𝑖 𝑑𝑚
∫ 𝑧𝑖2 𝑑𝑚
∫ 𝑧𝑖 . 𝑑𝑚

∫ 𝑥𝑖 . 𝑑𝑚
∫ 𝑦𝑖 . 𝑑𝑚
(2.15)
∫ 𝑧𝑖 . 𝑑𝑚
∫ 𝑑𝑚 ]

Vì động năng của robot bằng tổng đại số động năng của các khâu trên:
4

4

𝑖

𝑖

1
𝑇
)𝑞𝑝̇ 𝑞𝑟̇ ]
𝐾 = ∑ 𝐾𝑖 = ∑ ∑ ∑[𝑇𝑟(𝑈𝑖𝑝 . 𝐽𝑖 . 𝑈𝑖𝑟
2
𝑖=1

(2.16)

𝑖=1 𝑝=1 𝑟=1

Thế năng:
Thế năng Pi của khâu i:
𝑃𝑖 = −𝑚𝑖 𝑔𝑟𝑖𝑖 = −𝑚𝑖 𝑔(𝑇𝑜𝑖 . 𝑟𝑖𝑖 )

(𝑖 = 1,2,3,4)

(2.17)

Với g là vecto gia tốc trọng trường: g=(0,0,-g,0).

Suy ra thế năng của cơ cấu robot:
4

4

𝑃 = ∑ 𝑃𝑖 = − ∑ 𝑚𝑖 𝑔 (𝑇𝑜𝑖 . 𝑟𝑖𝑖 )
𝑖=1

𝑖=1

Phương trình động lực học cơ cấu robot SCARA
Thay (2.9) và (2.11) vào (2.6) ta được:

13

(2.18)


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara
4

4

4

𝐹𝑀𝑖 = ∑ 𝐷𝑖𝑘 𝑞𝑘̈ + ∑ ∑ ℎ𝑖𝑘𝑚 𝑞𝑘̇ 𝑞𝑚̇ + 𝐶𝑖
𝑖=1

(2.19)

𝑘=1 𝑚=1

Suy ra:
𝐹𝑀 = 𝐷 (𝑞). 𝑞̈ + ℎ(𝑞. 𝑞̇ ) + 𝑐 (𝑞)

(2.20)

Trong đó:
𝐹𝑀 (𝑡) là vec tơ (4x1) lực động tạo nên ở 4 khớp động:
𝐹𝑀 (𝑡 ) = [𝐹𝑀1 (𝑡 ), 𝐹𝑀2 (𝑡 ), 𝐹𝑀3 (𝑡 ), 𝐹𝑀4 (𝑡)]T

(2.21)

𝑞(𝑡) là vec tơ (4x1) biến khớp:
𝑞 (𝑡 ) = [𝑞1 (𝑡 ), 𝑞2 (𝑡 ), 𝑞3 (𝑡 ), 𝑞4 (𝑡 )]T

(2.22)

𝑞̇ (𝑡 ) là vecto (4x1) tốc độ thay đổi của biến khớp:
𝑞̇ (𝑡 ) = [𝑞1̇ (𝑡 ), 𝑞2̇ (𝑡 ), 𝑞3̇ (𝑡 ), 𝑞4̇ (𝑡 )]T

(2.23)

𝑞̈ (𝑡) là vecto (4x1) gia tốc của biến khớp:
𝑞̈ (𝑡 ) = [𝑞1̈ (𝑡 ), 𝑞2̈ (𝑡 ), 𝑞3̈ (𝑡 ), 𝑞4̈ (𝑡 )]T

(2.24)

D(q) là ma trân (4x4) có các phần tử Dik như nhau:
4

𝐷𝑖𝑘 =

𝑇𝑟 (𝑈𝑖𝑘 . 𝐽𝑗 . 𝑈𝑖𝑗𝑇 ),

∑

(𝑖, 𝑘 = 1,2,3,4)

(2.25)

𝑗=(max(𝑖,𝑘)

ℎ(𝑞, 𝑞̇ ) là vecto (4x1) lực ly tâm và Coriolit
ℎ(𝑞, 𝑞̇ ) = [ℎ1 , ℎ2 , ℎ3 , ℎ4 ]T
4

(2.26)

4

(𝑖, 𝑘, 𝑚 = 1,2,3,4)

ℎ𝑖 = ∑ ∑ ℎ𝑖𝑘𝑚 𝑞𝑘̇ 𝑞𝑚̇

(2.27)

𝑘=1 𝑚=1

4

ℎ𝑖𝑘𝑚 =

∑

𝑇𝑟 (𝑈𝑗𝑘𝑚 . 𝐽𝑗 . 𝑈𝑗𝑖𝑇 ),

(2.28)

𝑗=(max(𝑖,𝑘,𝑚)

𝑐 (𝑞) là vecto (4x1) lực trọng trường
𝑐 (𝑞) = [𝑐1 , 𝑐2 , 𝑐3 , 𝑐4 ]T

(2.29)

4

𝑐𝑖 = ∑(−𝑚𝑗 . 𝑔𝑈𝑗𝑖 . 𝐽𝑗 . 𝑟̅𝑗𝑗 )

(2.30)

𝑗=𝑖

Từ (2.27), (2.28), (2.29) và (2.30) ta thiết lập đựơc phương trình động lực học
của cơ cấu robot SCARA.

14


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

2.3. Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot
Chức năng của hệ thống điều khiển là đảm bảo tay robot chuyển động bám theo
quỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc ( không gian làm việc). Chuyển động của
tay robot được thực hiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot. Trên cơ sở đó có
hai dạng hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển ở không gian khớp và
hệ thống điều khiển ở không gian làm việc. Ở hệ thống điều khiển khớp, đại lượng
điều khiển là vị trí của khớp robot: góc quay đối với khớp quay; độ dịch chuyển thẳng
đối với khớp tịnh tiến. Bộ điều khiển được thiết kế để đảm bảo vị trí khớp ln bám
theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về khơng với giới hạn nhỏ nhất. Vị trí
đặt của khớp được tính tốn từ lượng đặt vị trí của tay robot trong khơng gian làm việc
thơng qua khâu tính tốn động học ngược.

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian khớp
Ưu điểm của phương pháp điều khiển ở không gian khớp là bộ điều khiển tác
động trực tiếp đến hệ thống truyền động của khớp. Tuy nhiên hệ thống này khó đảm
bảo độ chính xác vị trí của tay khi tồn tại các sai lệch trong cơ khí hoặc thiếu thơng tin
về quan hệ vị trí giữa tay robot và đối tượng. Ở hệ thống điều khiển không gian làm
việc có chức năng duy trì trực tiếp sai lệch vị trí của tay robot trong khơng gian làm

việc bằng không. Lượng đặt của hệ thống điều khiển vị trí là vị trí đặt tay trong khơng
gian làm việc và lượng phản hồi vị trí thực của tay. Khâu tính tốn động học ngược sẽ
thuộc mạch vịng điều khiển phản hồi.

15


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian làm việc
Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là tác động trực tiếp các biến không
gian làm việc. Nhược điểm là khối lượng tính tốn lớn do tồn tại khâu tính tốn động
học ngược trong mạch vịng điều khiển.
2.3.1. Hệ thống điều khiển độc lập các khớp
a)

Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển phản hồi gồm 3 mạch vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị

trí khớp với 3 bơ điều khiển tương ứng là Ra(p), Rw(p) và Rp(p). Cấu trúc bộ điều
khiển mạch vịng trong cùng Ra(p) có dangh tỷ lệ - tích phân (PI) để nhận được sai
lệch tĩnh bằng không. Các bộ điều khiển vịng ngồi có thể có cấu trúc tỷ lệ (P). Các
hệ số Ka, Kw và Kp tương ứng là hệ số phản hồi gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.
Cấu trúc các bộ điều khiển có dạng:
Rp(p) = KRp,

Rw(p) = KRw,

Ra = 𝐾𝑅𝑎

1+𝑇𝑅𝑎 𝑝
𝑝

(2.31)

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi
Phương pháp này áp dụng với mơ hình hệ thống lý tưởng bỏ qua hằng số thời
16


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

gian điện từ động cơ, hằng số thời gian bộ biến đổi, tính đàn hồi của bộ truyền lực.
Đối với phương pháp này thì hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn. Tuy nhiên sẽ
khơng thích hợp trong thực tế vì chất lượng hệ bị suy giảm gây bởi đặc tính động học
của hệ thống cơ điện.
Phương pháp này khơng đáp ứng được độ chính xác với gia tốc và tốc độ khớp cao.
b) Hệ thống điều khiển tiền định
Hệ thống điề khiển tiền định gồm 3 vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định
Hàm truyền hệ thống kín có dạng:
𝜃𝐷 (𝑝)
𝑊𝑝 (𝑝) = ∗
=
𝜃𝐷 (𝑝)

1⁄
𝐾𝑝
(1 + 𝐾𝐷 𝐾𝑅𝑎 𝐾𝑎 ) 2

𝐾𝑤
1+
𝑝2 +
𝑝
𝐾𝑅𝑝 𝐾𝑝
𝐾𝐷 𝐾𝑅𝑝 𝐾𝑝 𝐾𝑅𝑤 𝐾𝑅𝑎

(2.32)

Hệ thống điều khiển bù tiền định cho phép giảm sai số vị trí. Khâu bù tiền
định chỉ cần một tham số KD. Độ chính xác bám quỹ đạo sẽ đạt được khi các tham số
sử dụng trong bộ điều khiển và khâu bù tiền định luôn bằng tham số của đối tượng.
Khi có sai lệch về tham số, độ chính xác bám quỹ đạo sẽ giảm. Các khâu bão hòa
trong hệ thống điều khiển có tác dụng hạn chế các đại lượng của hệ thống trong quá
trình quá độ: tốc độ, gia tốc, điện áp động cơ.Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển
tiền định dạng cơ bản ta xây dựng được sơ đồ hệ thống điều khiển dạng PIDD2 là một
dạng hệ thống điều khiển chuẩn trong công nghiệp.

17


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

2.3.2. Hệ thống điều khiển tập trung
a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển này có thể bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành. Chức
năng của bộ điều khiển là tạo ra một momen cần thiết để truyền động khớp robot đảm
bảo khớp robot luôn bám theo vị trí đặt.
Bộ điều

Cơ cấu

khiển

robot

Cảm biến

Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD
Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc PD đơn giản với giả thiết
momen trọng lực G(p) được bù hồn tồn. Tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí
thực của khớp q, sai lệch được đặt vào khâu khuếch đạo với hệ số Kp. Tín hiệu ra của
khâu tỷ lệ được cộng đại số với tín hiện tỷ lệ với tốc độ của khớp và đặt tới cơ cấu
chấp hành của robot. Một dạng hệ thống điều khiển khác như hình (2.7) với bổ sung
thêm tín hiệu đặt tốc độ và sai lệch tốc độ được đặt vào khâu khuếch đại KD. Khi đó hệ
thống ổn định tồn cục. Để nâng cao độ chính xác của hệ thống thì cần tăng hệ số Kp
tuy nhiên Kp và KD lớn sẽ làm giảm độ ổn định và chất lượng quá độ như độ quá điều
chỉnh và thời gian quá độ tang. Mặt khác sự tồn tại ảnh hưởng của thành phần momen
trọng lực cũng làm giảm chất lượng của hệ thống. Để khắc phục được nhược điểm của
bộ điều khiển PD ta sử dụng bộ điều khiển cấu trúc PID.

18


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ
b) Hệ thống điều khiển momen tính tốn

Ngun lý cơ bản của phương pháp điều khiển này là lựa chọn luật điều khiển
sao cho khử được các thành phần phi tuyến cuae phương trình động lực học robot và
phân ly đặc tính động lực học các thanh nối. Từ đó ta nhận được một hệ thống tuyến
tính dễ dàng thiết kế theo các phương pháp kinh điển của hệ thống tuyến tính đảm bảo
độ chính xác u cầu. Phương trình mơ tả bộ điều khiển moment tính tốn:
̅𝑑𝑘 = 𝐻 (𝑞̅ )𝑈
̅ + 𝑉 (𝑞̅, 𝑞̅̇) + 𝐺 (𝑞̅ )
𝑀

(2.33)

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là cần phải biết đầy đủ và chính
xác các thơng số cũng như đặc tính động lực học của robot. Các thông số này thay đổi
trong quá trình làm việc nên để khử hồn tồn các thành phần phi tuyến và phân ly
hoàn toàn động lưc học của các khớp thì ta cần ước lượng chính xác các thơng số của
robot trong q trình làm việc.
Thuật tốn tính tốn luật điều khiển momen tính tốn sẽ liên quan đến các phép
tốn trung gian nên khối lượng tính tốn sẽ lớn.
Vì vậy phương pháp này sẽ khó áp dụng được trong các robot cơng nghiệp.

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiền momen tính tốn
19