1
Mục lục
2
LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật robot là một lĩnh vực phát triển hết sức nhanh chóng, là một
trong những công nghệ mũi nhọn của thế kỉ 21. Cùng với sự phát triển của xã
hội, kỹ thuật robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống con người.
Ngày nay, chúng ta có thể thấy robot đã làm thay con người rất nhiều công việc.
Đó là những công việc mà con người cảm thấy nhàm chán hoặc có mức độ nguy
hiểm cao. Ví dụ như robot lau nhà, robot lắp ráp trong công nghiệp, robot trong
ngành năng lượng hạt nhân, robot để thám hiểm vũ trụ….
Robot bám theo quỹ đạo cho trước có cấu tạo tương đối đơn giản và có
tính ứng dụng cao. Omni robot là một loại robot có kết cấu đơn giản, di chuyển
linh hoạt hơn so với các loại mobile robot truyền thống. Vậy nên Omni robot
ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đồ án tập trung vào nghiên cứu phát triển
bộ điều khiển cho Omni robot track. Từ cơ cấu Omni robot đã được các sinh
viên khóa trước thiết kế, đồ án nghiên cứu xây dựng quỹ đạo chuyển động cho
robot theo đường thẳng, đường parabol, đường hình sine. Trong quá trình thực
hiện đồ án, giúp cho học viên củng cố được những kiến thức đã học.
Nội dung đồ án gồm 5 chương. Các chương có nội dung cơ bản như sau:
Chương 1: Tổng quan về robot và Omni robot
Chương 2: Phân tích xây dựng phương trình động học cho cơ cấu Omni-
Direction
Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển ứng với các quỹ đạo chuyển
động đường thẳng, đường xiên, đường cong hình Parabol, đường hình sine.
Chương 4: Tổ hợp bộ điều khiển và tích hợp hệ thống.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm và kết luận
3
Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo, thạc sĩ và thầy giáo kĩ sư, và các
thầy trong bộ môn Cơ điện tử và chế tạo máy đặc biệt- Khoa hàng không vũ trụ

5
Có sự khéo léo trong vận động.
1.2 Giới thiệu chung về Omni Robot
Robot Omni là một loại mobile robot di chuyển bằng những bánh xe đã
được ứng dụng nhiều trong thực tế do quỹ đạo chuyển động của nó rất đa dạng.
Đặc biệt là Omni có kết cấu lạ với 3 bánh xe, nhưng chính do sự phối hợp hoạt
động của 3 bánh xe lại cho ta khả năng điều khiển tốt quỹ đạo của robot.
Omni robot thuộc hệ robot di động tự hành, tự định hướng và tự tránh được
vật cản. Ứng dụng của nó là phục vụ trong công tác dịch vụ chăm sóc y tế, đặc biệt
là trong điều kiện môi trường lây nhiễm cao hay môi trường có cường độ phóng xạ
cao thay con người
Robot Omni có đặc điểm là kết cấu đơn giản, có quỹ đạo di chuyển khá linh
hoạt nên được phát triển để thay thế cho các loại mobile robot truyền thống.
1.3 Một số nghiên cứu về Omni Robot trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giới, Omni robot đã được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng
dụng đa dạng do được tích hợp các công nghệ mới nhất.
Hình 1.1: WowWee Rovio Robot
Đặc điểm:
Cho phép điều khiển qua wi-fi
Có thể điều khiển qua mạng internet
Có thể tự di chuyển xung quanh nhà do có nguồn dự trữ
6
Hình 1.2: Robot SPARK IV
Những nghiên cứu về Omni Robot ở Việt Nam đã được thực hiện trong
thời gian gần đây bởi các sinh viên và giáo viên trong các trường đại học.
Những nghiên cứu này đã đạt được những kết quả bước đầu, tạo ra được sản
phẩm thực nghiệm.
Robot Omni do khoa cơ khí đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh
chế tạo.
Hình 1.3: Robot Omni do đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Minh thiết kế

4-Đế gá máy tính 9-Động cơ 24V
Theo mô hình cơ khí ở trên, nếu ta xét tới tất cả các thông số khi tính toán
động học và động lực học cho robot, thì bài toán thu được sẽ rất phức tạp, và
khối lượng tính toán sẽ quá lớn. Do vậy nhằm đáp ứng mục đích của đồ án là
xây dựng thuật toán điều khiển ứng với các quỹ đạo cho robot, ta xét tới một mô
hình đơn giản hơn để tính các chuyển động cho robot.
9
2.2 Mô hình robot
Chuyển động của robot là do chuyển động của các bánh xe. Các bánh xe
chuyển động do động cơ lắp ở mỗi trục bánh quay và sinh ra lực kéo. Vậy ta xét
đến mô hình robot, trong đó các lực kéo đặt ở các bánh xe. Vận tốc của robot
được tính dựa vào vận tốc của các bánh xe. Từ đó ta có mô hình robot như sau:
Hình 2.2: Mô hình động học và động lực học cho Omni Robot
Robot gồm 3 bánh đặt lệch nhau 120
0
, tiếp tuyến với một đường tròn
đường kính 350mm. Gọi các bánh xe lần lượt là 1,2,3. Chọn 2 hệ trục tọa độ như
sau: hệ trục tọa độ Oxy gắn cố định với mặt phẳng sàn, hệ trục tọa độ Ox
1
y
1
gắn
với robot như trên hình vẽ. Tại thời điểm ban đầu giả thiết rằng hai trục tọa độ
trùng với nhau. Tại thời điểm t, hai hệ trục tọa độ lệch nhau 1 góc
θ
chính là
góc quay của robot so với vị trí ban đầu. Sau đây là các kí hiệu dùng trong hình
vẽ.
Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Ox: x
Vị trí của robot trong hệ trục tọa độ Oxy theo phương Oy: y

y
1
của robot: v, vn [m/s]
Vận tốc góc của robot:
ω
[rad/s]
Lực tác dụng lên robot dọc theo phương 0x
1
và 0y
1
: F
v
,F
vn
[N]
Mô men robot (theo
ω
): T [Nm]
2.3 Tính toán động học cho robot
Gọi v
x
(t), v
y
(t),
( )
t
ω
là vận tốc tức thời của robot trên hệ trục tọa độ Oxy. Ta có:
( )
( )

x y
v t v t c t v t t
θ θ
= +
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( )
( )
sin os
x y
vn t v t t v t c t
θ θ
= − +
( ) ( )
t t
ω ω
=
Viết lại các công thức trên dưới dạng ma trận, ta được công thức liên hệ giữa
vận tốc theo 2 hệ trục tọa độ khác nhau:
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )

 
 
 
(2.3)
(2.1)
(2.2)
11
Xét trong hệ trục gắn với robot, Ox
1
y
1
, giả sử robot chuyển động với các
vận tốc là v(t), vn(t) và
( )
t
ω
, ta có công thức tính vận tốc của các bánh là:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
1
2
3
sin / 3 os / 3
( )
sin / 3 os / 3
v t v t vn t c t d
v t vn t t d
v t v t vn t c t d
π π ω

   
 
= −
   
 
   
 
 
   
(2.5)
Giải hệ phương trình trên ta có:
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
3 1
3 1 2
1 2 3
3
3
1 2
3 3
1
4
v t v t v t
vn t v t v t v t
t v t v t v t

v Bv Cv
vn Bvn Cvn
B C
dv t
M F t F t F t
dt
dvn t
M F t F t F t
dt
d t
J T t T t T t
dt
ω ω
ω
= − −
= − −
= − −
∑
∑
∑
(2.7)
Trong đó:
M [kg]:khối lượng robot
J [kgm
2
]: Mô men quán tính của robot

Bv
F
,

( ) ( )
( ) ( )
.
.
.
Bv v
Bvn vn
Bvn
F t B v t
F t B vn t
F t B t
ω
ω
=
=
=
(2.8)

v
B
,
vn
B
[N/(m/s)]: Hệ số ma sát nhớt

B
ω
[Nm/(rad/s)]: Hệ số ma sát nhớt do vận tốc quay
Độ lớn của các lực ma sát khô là hằng số, xem hình 2.3:
( ) ( )

1

C
ω
[Nm]: hệ số ma sát khô theo w
Hình 2.3: Các hệ số ma sát khô và hệ số ma sát nhớt
Mối quan hệ giữa lực kéo của robot, mô men quay và lực kéo trên mỗi
bánh được đưa vào công thức sau:
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( ) ( )
( )
3 1
2 3 1
1 2 3
sin
3
os
3
.
v
vn
F t f t f t
F t f t f t f t c
T t f t f t f t d
π
π
= −

j
: dòng động cơ [A]: j= động cơ thứ j
2.5 Tính toán cho động cơ
Công thức tính toán cho động cơ :
( )
( )
( ) ( )
( ) ( )
. . .
.
j
j j v mj
mj t j
di t
u t L R i t K t
dt
T t K i t
ω
= + +
=
(2.12)
L[H]: độ tự cảm của động cơ
R[ôm]: điện trở của động cơ
K
v
[V/(rad/s)]: hằng số EMF động cơ
u
j
[V]: điện áp động cơ


. . .
dx t
A x t B u t K sign x
dt
= + +
(2.14)
( ) ( ) ( ) ( )
T
x t v t vn t t
ω
=  
 
(2.15)
Công thức này trình bày cách tính gia tốc của robot theo các phương v, vn
và gia tốc góc cho robot.
Trong đó ta có:
A=diag(A
11
,A
22
,A
33
)
(2.13)
15
2 2
11
2
2 2
22

1 1 1
. 2. 2.
t
M M
l K
B
r R M M M
d d d
J J J
 
−
 
 
 
=
 
 
 
 
 
3 3
0
2. 2.
.
1 1 1
. 2. 2.
, ,
t
v vn
M M

16
Ví dụ: Khi cho 2 bánh xe V
1
và V
2
theo phương như hình vẽ 2.4 với r là
bán kính của bánh xe Omni. Giả sử 2 bánh xe cùng quay với vận tốc ω (quay
ngược chiều nhau) có vector vận tốc dài là
1
V
ur
và
2
V
uur
.
Tổng hợp 2 chuyển động trên ta có vector chuyển động tịnh tiến của
robot:
0
1 2
2 . os =2V . os 2 . os30 3
tt
V V c c r c r
ϕ ϕ ω ω
= = =
Chuyển động quay: Khi cho 3 bánh xe quay cùng chiều thì sẽ làm cho
robot quay quanh tâm của nó (hình 2.5). Tùy vào góc quay mà độ lớn vận tốc và
hướng quay của các bánh sẽ khác nhau. Căn cứ vào vận tốc các bánh mà ta có
thể điều khiển góc quay và vận tốc của robot.
Hình 2.5: Chuyển động quay

vận tốc, gia tốc của các điểm trên quỹ đạo hình học.
3.1.3 Nhiệm vụ lập trình quỹ đạo của robot
Nhiệm vụ cơ bản của bài toán lập trình là từ các quỹ đạo yêu cầu của bài
toán ta phải xác định vị trí của các điểm định vị và hướng của robot tại một số
thời điểm khác nhau. Từ đó xác định quy luật gần đúng chuyển động của robot.
Trong nhiều trường hợp người ta phân bài toán lập trình quỹ đạo thành:
Xác định quỹ đạo hình học của robot
Xác định quy luật chuyển động theo thời gian trên quỹ đạo
Các dạng quy đạo trong bài toán đặt ra là quỹ đạo thẳng, quỹ đạo parabol,
quỹ đạo hình sine.
18
3.1.4 Các bước của bài toán lập trình quỹ đạo
Việc giải quyết bài toán lập trình quỹ đạo chuyển động của robot có thể
tiến hành theo ba bước như sau:
a)Bước 1: mô tả chuyển động của robot
Bước đầu tiên trong bài toán lập trình quỹ đạo là nhận dạng loại chuyển
động mà robot cần thực hiện. Đặc điểm của quỹ đạo chuyển động của robot là
đầu vào của thuật toán lập trình quỹ đạo. Người ta thường phân chia thành ba
nhóm bài toán như sau:
Chuyển động từ điểm tới điểm: trong bài toán này chỉ quan tâm tới vị trí đầu
và vị trí cuối của robot. Các vị trí trung gian có thể lựa chọn một cách tùy ý trên
đường dịch chuyển.
Chuyển động liên tục của robot trên đường dịch chuyển.
Chuyển động của robot đi qua một số điểm trung gian nhất định trên đường
dịch chuyển.
b)Bước 2: lựa chọn và sử dụng kỹ thuật lập trình quỹ đạo
Trong trường hợp chuyển động từ điểm tới điểm người ta có thể quan tâm
hoặc không quan tâm đến việc robot đi qua một số điểm trung gian. Trong
trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, người ta cần biết vị
trí, vận tốc, gia tốc của robot đối với hệ quy chiếu.

a) Robot ứng dụng bộ điều khiển mờ
Với những ứng dụng không tuyến tính, việc tính toán bộ điều khiển là rất
phức tạp. Do đó, chúng ta cần phải tuyến tính hóa hệ thống trước khi tính toán.
Sau đó chúng ta sử dụng mô hình tuyến tính để điều khiển robot. Bộ điều khiển
truyền thống bao gồm: một mô hình dự đoán cho robot, sự bù tín hiệu phản hồi,
và việc tối ưu hóa trực tuyến. Trong bộ điều khiển mờ, sự tối ưu hóa trực tuyến
được thay thế bởi bộ điều khiển mờ.
b) Cấu trúc của bộ điều khiển sử dụng mờ
Quá trình thiết kế bộ điều khiển bao gồm 3 bước: phát triển mô hình dự
đoán cho robot, thực hiện bù tín hiệu phản hồi, và tạo ra một quỹ đạo động học
tham chiếu.
Bước 1: Mô hình cho robot
Bước 2: Bù tín hiệu phản hồi
21
Do lỗi của mô hình, đặc tính không tuyến tính…nên sẽ có lỗi giữa đầu ra
mong muốn và đầu ra thực sự. Để đầu ra mong muốn chính xác hơn, chúng ta sử
dụng tín hiệu phản hồi để điều khiển bù giá trị cho lỗi. Sau khi bù tín hiệu phản
hồi thì đặc tính quỹ đạo của robot sẽ được chính xác hơn.
Bước 3: Xây dựng quỹ đạo tham chiếu
Bộ điều khiển mờ
Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ có 3 đầu vào là Ex, Ey,
E
θ
là sai lệch giữa đặc tính
mong muốn và đặc tính phản hồi. V,
ω
là 2 đầu ra cho bộ điều khiển.
22
c) Kết quả điều khiển cho mô hình robot thực tế (theo nghiên cứu [6])

m
≤ ≤
≤ − −
Sai số lớn nhất xấp xỉ bằng điểm chính giữa của đoạn [a,b] x
m
=0.5*(a+b)
và nếu trong đoạn [a,b], g”(x) là hằng số thì nó sẽ xấp xỉ là g”(x).
Đầu tiên chúng ta hãy chú ý đến đạo hàm bậc nhất của hàm y(t):
24
y’=f(y,t,u) ; y(0)=y
0
Trong đó y là đầu vào cho hệ thống điều khiển, u là tín hiệu điều khiển, t
là thời gian. Giá trị y(t) tại thời điểm y(t)=nT
0
, trong đó T
0
là thời gian lấy mẫu,
và n= {0,1,2…} sẽ được kí hiệu là y
n
. Từ đó ta có thể tính giá trị của y
n+1
từ giá
trị của y
n
như sau:
( )
( )
0
0
1

= + −
Trừ hai công thức cho nhau ta được:
( )
( )
( )
0
0
1
1
, ,
n T
n n
nT
y y f p t t u dt
+
+
≈ +
∫
Từ công thức này ta có thể tính được tín hiệu điều khiển để thu được trạng
thái mong muốn từ trạng thái hiện tại, trong khoảng thời gian mẫu T
0
tiếp theo.
b) Nguyên tắc điều khiển cho robot
Gọi V là vận tốc dài của robot, x,y là tọa độ của robot,
θ
là góc lệch của
robot. Ta có hệ phương trình sau:
cos
sin
x V

n n
nT
n T
n n
nT
n T
n n
nT
x x V dt
y y V dt
dt
θ
θ
θ θ ω
+
+
+
+
+
+
= +
= +
= +
∫
∫
∫
Trong đó V và w là hằng số trong khoảng thời gian từ T
0
tới (n+1)T
0

Chuyển động quay cùng chiều kim đồng hồ
Chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ
Chuyển động sang phải
Chuyển động sang trái

Trích đoạn Giới thiệu về vi điều khiển dsPIC30F4011 1 Giới thiệu về họ vi điều khiển dsPIC Các mô đun ngoại vi của dsPIC30F

---