1
LỜI NÓI ĐẦU
Thuật ngữ robot xuất hiện lần đầu năm 1921 để chỉ một nhân vật viễn
tƣởng có khả năng làm việc mềm dẻo nhƣng khỏe gấp nhiều lần con
ngƣời.Nhân vật đó đã thực hiện vào năm 1960 và năm 1961. Robot công
nghiệp đã đƣợc ứng dụng trong công nghiệp, trong dây chuyền sản xuất với
mức độ tự động hóa cao. Robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng trong
việc giảm cƣờng độ lao động cho ngƣời lao động, tăng năng xuất và độ chính
xác gia công, góp phần tăng chất lƣợng, số lƣợng, giảm giá thành sản phẩm.
Luận văn với đề tài: “ Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong điều khiển
chuyển động tay máy hai bậc tự do” có nội dung phân tích, thiết lập mô
hình toán học, phân tích cấu trúc điều khiển mờ, mô phỏng hệ thống tay máy
hai bậc tự do trên Matlab – Simulink.
Luận văn đƣợc trình bày thành 4 chƣơng đƣợc xắp xếp theo trình tự hợp
lý, có nội dung cơ bản trong lĩnh vực robot công nghiệp. Trình tự nhƣ sau:
Chƣơng I – Robot và các ứng dụng của robot trong công nghiệp: Trình
bày một cách tổng quan về lịch sử phát triển, các đặc tính của robot và ứng
dụng của robot trong công nghiệp.
Chƣơng II – Phƣơng trình động lực học robot : Trình bày phƣơng trình
động học thuận robot, phƣơng trình động học ngƣợc robot, phƣơng trình động
lực học robot
Chƣơng III – Một số phƣơng pháp điều khiển robot : Trình bày về các
phƣơng pháp điều khiển robot truyền thống và điều khiển thông minh. Trình
bày tổng quan về điều khiển mờ và ứng dụng trong điều khiển.
Chƣơng IV – Ứng dụng điều khiển mờ trong điều khiển chuyển động
của tay máy hai bậc tự do và mô phỏng
2
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành về những hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo hƣớng dẫn Ths.Nguyễn Đức Dƣơng. Em xin cảm ơn các thầy cô
Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học
của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek.Trong đó ông đã mô tả một
nhân vật có thể ứng xử nhƣ con ngƣời, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con
ngƣời, nhƣng không có cảm tính, cảm giác nhƣ con ngƣời. Sự phát triển phát
triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó.
Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa
là hai công nghệ quan trọng trong sự phát triển của robot. Điều khiển đƣợc
phát triển cho máy công cụ vào cuối năm 1940, đầu năm 1950. Năm 1952,
Viện Massachusetts (MIT, Mỹ) đã trình diễn máy phay ba trục điều khiển số.
Lĩnh vực điều khiển từ xa lien quan đến việc sử dụng cơ cấu điều khiển xa
(Teleoperator). Đó là một cơ cấu cơ khí thực hiện chuyển động ở khoảng cách
xa dƣới sự điều khiển của con ngƣời. Các cơ cấu tự động này đƣợc chế tạo và
sử dụng để mang vác các vật chất độc hại nhƣ chất phóng xạ vào những năm
1940.
Robot đƣợc định nghĩa các khía cạnh khác nhau. Robot đƣợc coi là một
tay máy có một vài bậc tự do, có thể đƣợc điều khiển bằng máy tính. Một
định nghĩa khác về robot công nghiệp hiện nay đƣợc chấp nhận là: Robot
4
công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình đƣợc và có thể thực hiện
những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp từ
con ngƣời. Hiệp hội những nhà chế tạo – nhà sử dụng đƣa ra định nghĩa robot
nhƣ sau: Robot là một thiết bị có thể thực hiện các chức năng bình thƣờng
nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh để có đƣợc trí
tuệ nhƣ con ngƣời. Trong Bách khoa toàn thƣ mới (phiên bản 7.0 1995) viết:
“ Robot có thể định nghĩa là một thiết bị điều khiển hoàn toàn bao gồm các bộ
phận điện tử, cơ khí…”
Các xu thế phát triển Robot công nghiệp
- Trong giai đoạn đầu phát triển ngƣời ta rất quan tâm đến việc tạo ra
những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, đƣợc trang bị nhiều loại cảm biến
công trình nghiên cứu về ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng cho robot của
viện nghiên cứu robot Stanford: Ngôn ngữ thực nghiệm WAVE (1973) và
ngôn ngữ AL (1974). Ngôn ngữ VAL của công ty Unimate là ngôn ngữ lập
trình robot thƣơng mại đầu tiên.
1.2. CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH ROBOT CÔNG NGHIỆP
Một robot thƣờng có bốn phần chính:
- Tay máy
- Bộ phận dẫn động
- Bộ phận điều khiển
- Cảm biến
1.2.1. Tay máy
Tay máy công nghiệp là bộ phận cơ khí quan trọng đóng vai trò bộ phận
chấp hành của robot. Tay máy giống bàn tay con ngƣời nên nó có các bộ phận
chính nhƣ sau:
- Cánh tay robot
- Khớp robot
6
- Bàn tay robot
- Khuỷa tay và cẳng tay
- Bậc tự do của robot
- Bàn tay robot
- Cơ cấu kẹp
Cánh tay đƣợc nối với chân đế bằng khớp vai, còn bàn tay nối với cánh
tay bằng khớp cổ tay. Nhƣ vậy, giữa bàn tay và chân đế có nhiều khâu và
khớp trung gian, số lƣợng và các khâu và khớp để tạo nên một tay máy tùy
thuộc vào chức năng, nhiệm vụ của robot mà cấu tạo của tay máy cũng rất
khác nhau.
Vì thế, tay máy có thể là một cơ cấu phẳng hay không gian. Tay máy có
nhiều bậc tự do có khả năng thực hiện các thao tác trong mặt phẳng hoặc
Bộ phận điều khiển có nhiệm vụ cung cấp một chuỗi logic cho chƣơng
trình vận hành tay máy. Ngoài ra bộ điều khiển còn có nhiệm vụ giải quyết
các bài toán lý thuyết cần cho mỗi bƣớc của chƣơng trình và lien tục đo đạc,
xử lý sai số giữa vị trí thực của robot và các tọa độ tính toán trong quá trình
chuyển động dƣới dạng: điểm – điểm, hoặc theo một quỹ đạo liên tục
- Động học thuận: có chức năng thiết lập và giải các bài toán động học
trên cơ sở tham số đầu vào bao gồm góc quay và độ dịc chuyển tịnh tiến của
các biến khớp.
Lƣu trữ và chuyển giao: có chức năng tiếp nhận và chuyển giao các kết
quả vừa giải ra động học thuận robot. Cụm lập trình có chức năng lập trình để
sao cho quỹ đạo của robot đi qua các điểm đã định trƣớc hay thực hiện trọn
vẹn quỹ đạo do yêu cầu đặt ra.
1.2.4. Cảm biến
Cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: cảm biến trạng thái bên
8
trong và cảm biến trạng thái bên ngoài. Cảm biến trạng thái bên trong có chức
năng đo lƣờng các biến, tham số nhƣ: vị trí hay tốc độ khớp đƣợc sử dụng cho
các mạch trong hệ thống điều khiển robot. Cảm biến trạng thái bên ngoài sẽ
đo lƣờng các biến khoảng cách, mức, tiếp xúc.
Sử dụng cảm biến bên ngoài cho phép robot tiếp xúc với môi trƣờng một
cách mềm dẻo và thông minh hơn. Với các cảm biến bên ngoài, các robot có
thể nhìn và cảm giác để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong khi cần ít các
cơ cấu điều khiển hơn các robot đƣợc lập trình sẵn. Đồng thời robot cũng có
khả năng thích nghi với các công việc khác nhau, đạt đƣợc độ vạn năng cao
hơn.
1.3. ĐẶC TÍNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.3.1. Tải trọng
Tải trọng là trọng lƣợng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo
một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng đinh mức nhiều,
xác cơ khí càng lớn. Độ chính xác của robot sẽ đƣợc cải thiện nếu di chuyển
của robot đƣợc giới hạn trong phạm vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hƣởng
đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm
độ chính xác di chuyển.
Độ lặp lại
Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm
trong nhiều lần hoạt động ( Ví dụ: 100 lần ). Do một số yếu tố mà robot
không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với
của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong. Bán kính của
đƣờng tròn đó là độ lặp lại. Độ lặp lại là đại lƣợng có ý nghĩa quan tronhj
hơn độ chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định
có thể phán đoán đƣợc và có thể hiệu chỉnh bằng chƣơng trình. Nhƣng sai số
ngẫu nhiên khó có thể khử đƣợc. Độ lặp lại cần phải đƣợc xác định bằng thực
nghiệm với tải trọng và các hƣớng di chuyển khác nhau( phƣơng thẳng đứng
10
và phƣơng nằm ngang…). Độ lặp lại của các robot công nghiệp thong thƣờng
0.025mm.
1.3.5. Độ nhún.
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại
lực hoặc momen tác dụng. Độ nhún lớn có ý nghĩa là tay robot dịch chuyển
nhiều khi lực tác động nhỏ và ngƣợc lai. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó
làm giảm độ chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng. Nếu robot mang
tải trọng nặng, trọng lƣợng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch
chuyển…Nếu robot đƣợc lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay,
độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc có tải.
1.4. PHÂN LOẠI ROBOT
1.4.1. Phân loại theo không gian hoạt động của tay máy.
Không gian hoạt động của tay máy là không gian mà bàn tay của tay
máy có thể với tới đƣợc. Để tìm không gian hoạt động của tay máy trƣớc hết
Trên đây chỉ là giới thiệu một số cấu trúc đơn giản và không gian hoạt
động của tay máy. Ngoài ra với những cấu trúc khác nhau của tay máy ta sẽ
nhận đƣợc những không gian hoạt động khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu của
từng tay máy.
Ngày nay ngƣời ta còn chế tạo các laoij robot với trƣờng công tác của nó
rộng hơn, để đáp ứng các thoa tác ngày càng khéo léo, tinh vi.
Trong không gian hoạt động của tay máy nhiều trƣờng hợp đòi hỏi bàn
tay máy phải thực hiện tại các điểm nhất định hoặc di chuyển theo một quỹ
đạo nhất định. Vì vậy, việc điều khiển robot hoạt động trong trƣờng công tác
của nó cũng đƣợc tiến hành dựa trên nguyên tắc: điều khiển điểm và điều
khiển theo quỹ đạo liê tục.
Hiện nay ngƣời ta còn đặt nhiều hệ tọa độ trung gian cũng nhƣ các hệ tọa
độ mở rộng khác để số bậc tự do không bị hạn chế trong khuôn khổ cá khớp
đã nêu ở trên nhƣ: PPP, PPR, RRR.
Khi số bậc tự do của robot tăng lên, độ linh hoạt của robot cũng cao hơn
và thỏa mãn tốt hơn các yêu cầu đề ra, tuy nhiên các giải pháp kỹ thuật kèm
theo cũng sẽ phức tạp hơn, giá thành chế tạo robot cao hơn.
12
1.4.2. Phân loại theo phƣơng pháp điều khiển.
1.4.2.1. Điều khiển hở
Quãng đƣờng hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển, trong hệ
thống điều khiển hở không có tín hiệu phản hồi để điều chỉnh tín hiệu điều
khiển. Hệ thống điều khiển hở làm việc theo nguyên tắc: Cho tín hiệu điều
khiển tác động tới đối tƣợng đƣợc điều khiển, ta nhận đƣợc tín hiệu đầu ra
Hệ thống điều khiển hở có các ƣu điểm:
- Cấu tạo đơn giản
- Giá thành thấp
- Độ bền và độ tin cậy cao.
Nhƣợc điểm của bộ điều khiển hở là thiếu chính xác, tín hiệu đầu ra có
- Điều khiển phân tán và điều khiển tập trung
Cách phân loại trên đây chủ yếu dựa vào tính chất đặc trƣng của quỹ đạo
điều khiển. Về mặt kỹ thuật điều khiển đối với robot ngƣời ta vẫn áp dụng
điều khiển theo chƣơng trình số NC. Ngoài ra do tính năng kỹ thuật đặc biệt
của robot, vấn đề điều khiển thƣờng gắn với kỹ thuật đều cảm nhận thông qua
bộ cảm biến.
Trong điều khiển robot ngƣời ta thƣờng quan tâm đến việc điều khiển
tọa độ điểm cuối của khâu chấp hành. Tọa độ điểm cuối có thể phải di chuyển
theo một quỹ đạo định trƣớc gọi là điều khiển theo quỹ đạo. Trƣờng hợp thứ
hai yêu cầu tọa độ điểm cuối của bộ phận chấp hành phải di chuyển lần lƣợt
theo các điểm định trƣớc gọi là điều khiển điểm
1.4.3. Phân loại theo hệ thống truyền động
1.4.3.1. Hệ thống truyền động gián tiếp.
14
Khi các khâu của robot truyền động khi đƣợc dẫn động từ một động cơ
rồi truyền qua một hệ thống bao gồm một hoặc một số các bộ truyền thƣờng
dung trong kỹ thuật.
Hệ thống truyền động gián tiếp trong các robot thƣờng sử dụng các bộ
truyền nhƣ: bộ truyền bánh răng, bộ truyền trục vít, bộ truyền xích, bộ truyền
đai, bộ truyền vít - đai ốc…
1.4.3.2. Hệ truyền động trực tiếp
Hệ truyền động trực tiếp là trƣờng hợp các khâu chấp hành đƣợc nối trực
tiếp với nguồn động lực nhƣ các loại động cơ một chiều, xoay chiều hay động
cơ bƣớc. Bộ truyền động trực tiếp thông thƣờng có kết cấu rất nhỏ gọn nên
tổn hao công suất ít, không gây ồn và đồng thời tránh đƣợc sai số do mòn sau
một thời gian hoạt động.Tuy nhiên một khó khăn phải giải quyết trong trƣờng
hợp này là cần có các động cơ với số vòng quay phù hợp, phạm vi điều chỉnh
rộng
1.5. ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống
của con ngƣời, trong đó robot công nghiệp đóng vai trò rất quan trọng và
đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc. Thƣờng
trong phân xƣởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực,
bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lƣợng vật đúc phụ thuộc nhiều vào
quá trình thao tác.
Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây
truyền tự động thông thƣờng với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải
có các thiết bị phức tạp, đầu tƣ khá lớn. Ngày nay ở nhiều nƣớc trên thế giới
robot đƣợc dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhƣng chủ yếu là để
16
phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm đƣợc nhiều việc nhƣ rót kim
loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền
vật đúc bằng cách phun cát Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có
nhiều ƣu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian
thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép bởi thế
chất lƣợng vật đúc tăng lên.
Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ
gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xƣởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng
robot công nghiệp. Trong phân xƣởng rèn, robot có thể thực hiện những
công việc: đƣa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó
đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc
thùng Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đƣa năng xuất lao
động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So
với các phƣơng tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì
dùng robot có ƣu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thƣờng bao gồm nhiều công việc nặng
nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng
18
CHƢƠNG II : PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC
HỌC ROBOT
2.1. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT
Bài toán động học thuận là tính toán vị trí và hƣớng tay của robot.Ta sẽ
xây dựng hệ phƣơng trình mô tả động học cấu hình robot và sử dụng hệ
phƣơng trình này sẽ tính toán đƣợc vị trí và hƣớng của tay robot. Hình 2.1. Cấu trúc động học của tay máy hai khâu hai bậc tự do
Trong đó:
1
,
2
: Góc quay của từng khâu
l
1
, l
2
: Chiều dài của hai khâu
l
l
1
l
g1
X
l
g2
l
2
1
m
1
, J
1
m
2
, J
2
2
m
t
, J
t
19
Hệ tọa độ {O
1
} là hệ tọa độ { O
Hình 2.2. Hệ trục tọa độ
2.1.2. Bảng thông số D – H ( Denavit – Hartenberg) :
Thực hiện phép biến đổi đồng nhất dựa trên hệ tọa độ thanh nối
(Denavit - Hartenberg) mối quan hệ giữa hệ toạ độ tay Robot (End effector)
và hệ toạ độ các khớp (Joints) đƣợc xác định nhƣ sau.
0
T
E
=
0
T
2
=
0
A
1
1
A
2
(2-1)
Từ mô hình cơ cấu động học của robot ta xây dựng đƣợc bảng Denavit –
Hartenberg nhƣ sau
Z
1
Y
1
X
1
X
2
Y
2
Y
0
O
0
O
1
O
2
20
Ma trận biểu diễn sự chuyển đổi từ hệ tọa độ (i - 1) sang hệ tọa độ i là :
1000
0100
sθl0cθsθ
cθl0sθcθ
A
1111
1111
1
1000
0100
θθslsθl0θθcθθs
θθclcθl0θθsθθc
T
212112121
212112121
E
0
=
1000
paon
paon
paon
zzzz
yyyy
x
T
21211T
21211T
(2-3)
2.2. XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƢỢC ROBOT
Bài toán động học ngƣợc sẽ tính toán các góc quay của các khớp hoặc độ
dịch chuyển của khớp tịnh tiến tƣơng ứng với vị trí và hƣớng của tay
robot.Nghĩa là sẽ tính toán các giá trị biến khớp cần thiết để đặt tay robot ở vị
trí và hƣớng mong muốn.
Cho ma trận biểu diễn vị trí tay robot:
1000
paon
paon
paon
T
zzzz
yyyy
2
(2-4)
1000
1000
paon
paon
paon
*
1000
paon
cpspcasacosocnsn
lspcpsacasocosncn
zzzz
1y1x1y1x1y1x1y1x
1y1xy1xy1x1y1x
θθθθθθθθ
θθθθθθθθ
22
Cân bằng vế trái và phải của (2-5), ta có:
2224
2214
sθlf
Bình phƣơng hai vế của hai phƣơng trình trong (2-6) và cộng vế ta có:
)l(l)y(x
)l(l)y(x2)lly(x
tgθ
l2l
)l(l)y(x
cθ
2
2
2
1
22
4
2
4
1
22222
2
2
1
22
2
21
2
2
2
1
22
2
1
22
1
Ta có :
)k,atan2(kθ
212
(2-8)
Thay (2-7) vào (2-6) ta đƣợc:
1
2
2
2
1
22
11
2l
llxy
ysθxc θ
Giải ra ta có:
)k,atan2(kx)atan2(y,θ
311
. (2-9)
Trong đó:
)l(l)y(xk
)l(l)y(xk
)l(l)y(x2)lly(xk
2
2
2
1
22
3
2
2
2
1
22
2
4
2
4
1
22222
2
thống điều khiển robot. Ta sẽ sử dụng phƣơng pháp Lagrange để xây dựng
phƣơng trình động lực học.
2.3.2.Phƣơng trình Lagrange
Trong phƣơng trình Lagrange, các biến tọa độ tổng quát sẽ đƣợc sử dụng
để xác định duy nhất vị trí của vật. Phƣơng trình Lagrange sẽ nhận đƣợc từ
phƣơng trình Niutơn.
Giả sử hệ thống gốm n phần tử vật chất với n bậc tự do mô tả bởi các
biến tọa độ tổng quát q
1
, q
2
,…,q
n
( đối với chuyển động khớp quay, tọa độ
tổng quát là góc quay của khớp q
i
= θ
i
; đối với khớp chuyển động tịnh tiến,
tọa độ tổng quát là độ di chuyển q
i
= d
i
). Một véctơ vị trí trong không gian 3
chiều
X
đối với mỗi phần tử vật chất P
µ
đƣợc ký hiệu là:
X
và lấy tổng đối với tất cả cá phần tử vật chất của hệ thống
ta nhận đƣợc phƣơng trình sau:
i
T
i
T
q
Xm
q
F
XX
, q
i
i
q
q
XX
(2-15)
Nhƣ vậy phƣơng trình (4-13) có thể đƣợc viết lại ở dạng sau:
i
i
t
i
q
K
q
K
d
d
Q
i
q
FQ
X
: lực tổng quát tƣơng ứng với tọa độ q
i
Lực
F
gồm 2 thành phần: thành phần trọng lực (F
µa
) và thành phần các
lực còn lại (F
µb
). Thành phần trọng lực đƣợc tính từ thế năng của phần tử:
X
P
F
a
Copyright: Tài liệu đại học ©