ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƢỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU
Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƢƠNG
Ngƣời HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN

3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 10
CHƢƠNG 1: 12
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 12
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 12
1.1.1. Robot và robotic: 12
1.1.2. Robot công nghiệp: 13
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 14
1.1.3.1. Cấu trúc chung: 14
1.1.3.2. Kết cấu tay máy: 15
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot 16
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot 16
1.1.4.2.Truyền động điện 17
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực 17
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 18
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 18
1.1.6.1. Khái quát 18
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 19
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng 22
1.2.1.Bài toán động học thuận: 22
1.2.2.Bài toán động học ngược 23
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ 25
1.2.3.1. Giới thiệu 25
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian 27
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ 27


). 47
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 51
2.3.1 Mô hình simulink 51
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 53
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho
cánh tay Robot 2 khâu. 56
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. 56
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 57
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 59
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 60
2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 62
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function). 63
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển 65
2.4.3.5 Luật hợp thành 68
2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả 69
2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID. 69
2.4.4.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí Robot dùng bộ chỉnh định mờ 70
2.5 Kết luận Chƣơng 2 72
CHƢƠNG 3: 73
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 73
3.1 Mô hình các khối chức năng 73
3.1.1 Bộ điều khiển 73
3.1.2 Động cơ 74
3.2. Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh
định mờ và bộ điều khiển PID. 74
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID 75
3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 75
3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot. 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một robot công nghiệp 14
Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển 15
Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy 16
Hình 1.4: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu 19
Hình 1.5: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 21
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 23
Hình 1.7: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 26
Hình 1.8: Sơ đồ phân tích động lực cánh tay robot 2 khâu 28
Hình 1.9: Hệ thống điều khiển vị trí vòng kín 31
Hình 1.10: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ 32
Hình 1.11: Điều khiển PD 32
Hình 1.12: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng 33
Hình 1.13: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 33
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 34
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 36
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi 39
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển. 39
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. 41
Hình 2.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện rút gọn 42
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. 44
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 45
Hình 2. 8: Sơ đồ tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí 47
Hình 2. 9: Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ 48
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 50
Hình 2.11: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 51

Hình 2.41: Đồ thị góc quay dùng Fuzzy 71
Hình 2.42: Đồ thị sai lệch góc quay dùng Fuzzy 71
Hình 2.43: Đồ thị tốc độ sai lệch góc dùng Fuzzy 71
Hình 2.44: Đồ thị tốc độ động cơ dùng Fuzzy 72
Hình 2.45: Đồ thị dòng điện động cơ dùng Fuzzy 72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9
Hình 3.1: Các khối chức năng 73
Hình 3.2: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ nhất dùng PI+D 73
Hình 3.3: Mô hình bộ điều khiển khâu thứ 2 dùng PD 73
Hình 3.4: Mô hình bộ điều khiển động cơ DC 74
Hình 3.5: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định mờ 74
Hình 3.6: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 75
Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu 76
Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 76
Hình 3.9: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77
Hình 3.10: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77
Hình 3.11: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 77
Hình 3.12: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.13: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.14: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 78
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 79
Hình 3.16: Đồ thị góc quay khâu 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 79
Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 80
Hình 3.18: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 1 giữa PID và Fuzzy 80
Hình 3.19: Đồ thị sai lệch góc quay khâu 2 giữa PID và Fuzzy 80
Hình 3.20: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 1 giữa PID và Fuzzy 81
Hình 3.21: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khâu 2 giữa PID và Fuzzy 81
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 82

HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC
NGƢỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng:
Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển
động robot 2 khâu.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11
Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn
Nhƣ Hiển – ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thế Phương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT

1.1.2. Robot công nghiệp:
Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng đƣợc mở rộng
thêm, song theo thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng đƣợc sử dụng chủ
yếu trong công nghiệp, vì vậy khi nhắc đến robot ngƣời ta thƣờng liên tƣởng đến
robot công nghiệp.
Lĩnh vực
1985
1990
Hàn
Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH
Đúc
Lắp ráp
Phun phủ
Sơn
Các ứng dụng khác
35%
20%
10%
10%
10%
5%
10%
5%
25%
5%
35%
5%
15%
10%
Bảng 1.1: Các lĩnh vực ứng dụng của robot

hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng.
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các
robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của
robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trƣờng.
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động
lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết
hợp giữa chúng.
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thƣờng là hệ thống điều khiển số
có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cấu trúc của một hệ thống điều khiển
1.1.3.2. Kết cấu tay máy:
Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần
cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm
việc nhƣ nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa
với tay ngƣời. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc
để chỉ các bộ phận của tay máy nhƣ vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist),
bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hƣởng lớn đến khả năng
làm việc của robot nhƣ:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thƣớc và hình dáng vùng mà phần làm
việc có thể với tới.
- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hƣớng phần công tác trong vùng
làm việc.

Hình 1.3: Sơ đồ minh hoạ kết cấu của tay máy

Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi nhƣ: tận dụng các hệ
thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xƣởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ
đơn giản hơn. Hệ truyền động khí nén cũng tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo
chiều, Tuy vậy cũng có nhƣợc điểm nhƣ: chuyển động của chất khí thƣờng kèm
dao động do tính nén đƣợc của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn, giảm ồn,
Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ƣu điểm là khả năng vận hành với tải
trọng lớn, quán tính ít và dễ điều khiển tự động, dễ thay đổi chuyển động. Nhƣợc
điểm của hệ này là đòi hỏi bộ nguồn nhiều nhƣ thùng dầu, bơn thuỷ lực, thiết bị lọc,
bình tích dầu, các van điều chỉnh, đƣờng ống, làm cho hệ truyền động-robot khá
cồng kềnh so với các hệ truyền động khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot
Nhiệm vụ quan trọng hàng đầu khi thiết kế hệ điều khiển robot là đảm bảo
cho điểm tác động cuối của tay máy dịch chuyển bám theo một quĩ đạo định trƣớc,
đảm báo vị trí mong muốn. Ngoài ra, phải đảm bảo hƣớng di chuyển và tối ƣu về
năng lƣợng.
Để hoàn thành tốt nhiệm vụ nêu trên, khi tính toán thiết kế bộ điều khiển ta
phải thiết lập đƣợc phƣơng trình năng lƣợng và giải bài toán động học ngƣợc. Tuy
nhiên, việc tính toán theo lý thuyết thƣờng không xét đầy đủ đƣợc các yếu tố vật lý
thực tế nhƣ mô men ma sát của các khớp, ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng,
Do vậy, tuỳ thuộc yêu cầu chất lƣợng điều khiển, điều kiện sử dụng để xét
đến các yếu tố ảnh hƣởng, qua đó lựa chọn phƣơng pháp điều khiển thích hợp. Sau
đây là một số phƣơng pháp điều khiển đƣợc sử dụng trong điều khiển robot, nhƣ:
Các phƣơng pháp điều khiển bằng bộ điều chỉnh kinh điển PID (Propotional
Integral Derivative);
Các phƣơng pháp điều khiển hiện đại nhƣ điều khiển thích nghi, điều khiển
mờ, điều khiển nơ-ron, điều khiển mờ-nơ-ron,
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

1
, q
2
, , q
n
]
T

(q R
n
).
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay robot nhằm thực hiện
một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phƣơng
thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến
điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. Bảng 1.6 minh hoạ đặc điểm của hai
chuyển động đó.
z
1

z
2

z
3

z
n

khâu 1

CP
PTP
Sự dịch
chuyển
Vị trí bắt đầu và kết thúc và
đƣờng dịch chuyển từ điểm bắt
đầu đến điểm kết thúc rất quan
trọng
Vị trí bắt đầu và kết thúc là
quan trọng nhƣng đƣờng dịch
chuyển từ điểm bắt đầu đến
điểm kết thúc là không
Ví dụ ứng
dụng
Robot làm việc có đòi hỏi về độ
chính xác bề mặt nhƣ: mạ, mài,

Robot làm việc tại các công
đoạn lắp ráp, nâng hạ,
Bảng 1.2: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot
Điều khiển robot nói chung và cánh tay robot nói riêng, đó là việc điều khiển
các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc
mô men để làm dịch chuyển các khâu tƣơng ứng. Ta gọi lực hoặc mô ment cần tạo
ra để điều khiển robot là véc-tơ

= [

1
,


2
0,26
m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1
l
c1
0,0983
m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2
l
c2
0,0229
m
Khối lƣợng khâu 1
m
1
6,5225
kg
Khối lƣợng khâu 2
m
2
2,0458
kg
Mô men quán tính của khâu thứ nhất
I
1
0,1213
kg.m
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểm
tác động cuối là
e
x
và
e
y
. Tức là xác định [
e
x
,
e
y
] thông qua [
1

,
2

]. Giả sử quan
hệ của chúng đƣợc thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

 
12
,
e
e
x
y
  

 
1
12
,
e
e
x
y
  






Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ

,
T
ee
xy


, khi đó
từ phƣơng trình động học ngƣợc, ta xác định đƣợc góc quay của trục khớp

12
T
  


12
2
12
sin
tan tan
cos
cos
2
e
e
ee
l
x
y l l
x y l l
ll

















. Trong phạm vi bài toán nghiên cứu, ta chọn đáp án với các điều kiện
ràng buộc sau: 0 <
i

<  (i = 1; 2).
Để xác định vị trí của các khớp trên toàn mặt phắng oxy, ta thay hàm arctan
bằng hàm atan2 đƣợc định nghĩa : atan2(y,x)=arg(x+jy) ; với x+jy là số phức biểu
diễn trên mặp phẳng oxy.
Với điều kiện quỹ đạo cánh tay Robot thoả mãn:
2 2 2 2
1 2 1 2
( ) ( )l l x y l l    
,
ta xác định đƣợc phƣơng trình động học ngƣợc nhƣ sau:
1 1 2
2 1 3
tan 2( , ) tan2( , )
tan 2( , )
a y x a k k
a k k







(1.3)

1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ
1.2.3.1. Giới thiệu
Tính toán về động học robot khi di chuyển nhỏ sẽ nhận đƣợc những quan hệ
vi phân. Chúng có tầm quan trọng nhất định trong một số trƣờng hợp, ví dụ nhƣ khi
lắp ráp cần vi chỉnh các giá trị di chuyển của các khớp để đáp ứng yêu cầu có những
thay đổi nhỏ về vị trí và hƣớng của hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối của
cánh tay robot. Các quan hệ vi phân này còn dùng để tính toán độ chính xác cơ cấu
về sự biến thiên của lực tác động lên các khâu và về sự ổn định tốc độ di chuyển.
Từ phƣơng trình (1.1), bằng cách lấy vi phân ta đƣợc:

(1.5)

Trong đó,
e
x
,
e
y
là biến của
1

,
2

. Từ đây, phƣơng trình trên bao gồm hai
phần và đƣợc rút gọn lại nhƣ sau:

dx Jdq

Trong đó: ,


1 2 1 2
12
12
1 2 1 2
12
12
( , ) ( , )
( , ) ( , )
ee
e
ee
e
xx
dx d d
yy
dy d d
   


   








1 2 1 2