ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN
TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH

NGUYẾN ĐẠI TÙNG


SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH
Ngnh: TỰ ĐỘNG HÓA
M s:
Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG
Người HD khoa học: PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG

THI NGUYÊN - 2011

ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN
TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Người hướng dẫn khoa học

PGS. TS
NGUYỄN HỮU CÔNG

Học viên

NGUYỄN ĐẠI TÙNG

Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trì nh nghiên cứ u củ a tôi . Cc kết qu, số
liệ u nêu trong luậ n văn là trung thự c và chưa từ ng đượ c công bố trong bấ t kỳ
công trì nh nà o khá c.
Tc giả lun văn Nguyễn Đại Tùng

1.2.1 Ti trọng 10
1.2.2 Tm vi 10
1.2.3 Độ phân gii không gian 10
1.2.4 Độ chính xc 11
1.2.5 Độ lặp li 12
1.2.6 Độ nhn 12
1.3 Chất lượng qu trnh lm việc v cc bi ton điều khiển robot 13
1.3.1 Yêu cu về chất lượng trong điều khiển robot 13
1.3.2 Cc bi ton điều khiển robot 14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
1.3.2.1 Bi ton điều khiển động học ngược robot 14
1.3.2.2 Bi ton điều khiển cân bằng robot 15
1.4 Bi ton điều khiển cân bằng robot 15
1.4.1 Mô hnh ton học ca hệ Robot 16
1.4.2 Phn cơ khí ca Robot 18
1.4.2.1 Thân Robot 18
1.4.2.2 Cơ cấu li 19
1.4.2.3 Cơ cấu chuyển động 20
1.4.2.4 Cơ cấu thăng bằng 21
1.5 Kết lun chương 1 24
CHƯƠNG 2
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H

ÁP DỤNG CHO ĐIỀU
KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC
MÔ HÌNH
2.1 Gii thiệu chung 25
2.2 Thut ton điều khiển định dng vòng H
∞
26

56
3.3.1 Bộ điều khiển gim bc 3 điều khiển cân bằng robot 56
3.3.2 Sử dụng bộ điều khiển gim bc 1 điều khiển cân bằng robot 58
3.3.3 So snh hệ điều khiển cân bằng robot dng bộ điều khiển gim
bc 1 theo phương php cân bằng v theo PSO 59
3.4 Kết lun chương 3 62
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
PHỤ LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Danh mục cc bảng
Bảng
Tên bả ng
Trang
1.1
S lượng Robot sn xuất ở một s nưc công nghiệp pht
triển
6
1.2
Thông s động cơ DC ca robot
21
3.1
Tham s ca cc hệ gim bc trong mô hnh không gian trng
thi v mô hnh hm truyền.
52
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Danh mục cc hình vẽ, đồ thị
Hình

1.10
Cơ cấu mô men cân bằng sử dụng bnh đ
20
1.11
Động cơ sinh momen cân bằng
21
1.12
Bnh đ
22
1.13
Trục bnh đ
22
1.14
Trục đ bnh đ
23
1.15
Mô hình robot
23
2.1
Mô hnh điều khiển bền vững vi cc thông s biến đổi
26
3.1
Đp ng h(t) hệ gc v cc hệ gim bc
54
3.2
Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thng điều khiển cân bằng
54
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
robot dng bộ điều khiển gc bc 6 v bộ điều khiển gim
bc 3

1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về robot di động (mobile robot)
đã thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Trong đó
lĩnh vực rất khó khăn là việc nghiên cứu về đặc tính động học và điều khiển
cân bằng cho robot di động hai bánh. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được
thực hiện bởi các nhà nghiên cứu. Một ví dụ là robot MURATA được phát
triển tại Nhật Bản năm 2005. Việc điều khiển cân bằng cho Robot hai bánh có
thể được ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot đi bằng hai chân,
như robot ASIMO, bởi vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau.
Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho
robot hai bánh, đó là: cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel);
cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực và cân bằng nhờ lực hướng tâm.
Trong các phương pháp trên, cân bằng bằng cách sử dụng bánh đà có ưu điểm
là đáp ứng nhanh và có thể cân bằng được ngay cả khi robot không di chuyển,
đề tài sẽ nghiên cứu theo hướng này.
Lý thuyết điều khiển H
2
/H
∞
là một lý thuyết điều khiển hiện đại cho
việc thiết kế các bộ điều khiển tối ưu và bền vững cho các đối tượng điều
khiển có thông số thay đổi hoặc chịu tác động của nhiễu bên ngoài. Tuy
nhiên, trong phương pháp thiết kế H
2
/H
∞
mà McFarlane và Glover lần đầu
tiên đưa ra vào năm 1992 và kể cả các nghiên cứu sau này về lý thuyết điều
khiển H
2

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU
KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT
1.1 Tổng quan về robot công nghiệp
1.1.1 Robot và Robotics.
Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot)
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là
công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel
Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã
chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người.
Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu,
máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Vào những năm 40 nhà viết văn viễn tưởng người Nga Issac Asimov
mô tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được
điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Pisitron, do chính con người lập
trình. Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics,
trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản sau:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con
người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các nguyên tắc do con người đặt
ra. Các nguyên tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình và không được vi phạm
hai nguyên tắc trước.
Các nguyên tắc này đã trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot sau này.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry
Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy
công nghiệp” ( Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -
1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971;
Pháp - 1972; ở Ý - 1973. . .
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả
năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ)
đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận
biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974
Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính,
gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có
thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ
cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống
điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến,
công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot
không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác
nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn
trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng
đăc biệt. Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ
vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất
hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công
nghiệp phát triển như bảng 1.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
6
Bảng 1.1. Số lượng Robot sản xuất ở một số nước công nghiệp phát triển

Ngày nay, Robot đã được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy
đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình,
dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định. Robot được dùng hầu
hết trong các ngành trong công nghiệp, đặc biệt trong những ngành có môi
trường làm việc độc hại thì việc dùng robot thay thế con người là rất cần thiết.
Để hoàn thành những nhiệm vụ trên thì Robot cần có khả năng cảm
nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương
tự con người:
- Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí
gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc
thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền
động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
- Chức năng cảm nhận của Robot gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái
môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến ( sensor ) và
các thiết bị khác đảm nhiệm. Hệ thống này gọi là hệ thống thu nhận và xử lý
số liệu hay hệ thống cảm biến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
7
- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên và Robot hoạt động
theo đúng chức năng mong muốn của con người thì robot phải có hệ thống
điều khiển.
Như vậy, Robotics có thể hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ
nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh
vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học -
kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Robot được sử dụng để thay thế con người trong những công việc như:
- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển

“Robot có thể định nghĩa là một thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm các
bộ phận điện tử, điện và cơ khí, …”
Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực
có liên quan mật thiết với nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là
một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống
máy tính trong vận hành và điều khiển quá trình sản xuất. Ví dụ, dây chuyền
vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các
máy công cụ điều khiển chương trình số và robot. Như vậy, có thể coi robot là
một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp.
Có ba loại hệ thống tự động hóa trong công nghiệp: Tự động hóa cố
định, tự động hóa lập trình và tự động hóa linh hoạt. Tự động hóa cố định
được sử dụng ở những dây chuyền sản xuất với số lượng sản phẩm lớn, do đó
cần thiết kế các thiết bị đặc biệt để sản xuất các sản phẩm với số lượng lớn và
hiệu xuất rất cao. Công nghiệp sản xuất ô tô có thể coi là một ví dụ điển hình.
Tính kinh tế của tự động hóa cố định rất cao do giá thành thiết bị chuyên dụng
được chia đều cho số lượng lớn các đơn vị sản phẩm, dẫn đến giá thành trên
một đơn vị sản phẩm thấp hơn so với các phương pháp sản xuất khác. Tuy
nhiên vốn đầu tư của hệ thống tự động hóa cố định cao, do đó nếu số lượng
sản phẩm nhỏ hơn thiết kế, giá thành sản phẩm sẽ rất cao. Mặt khác, các thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9
bị chuyên dụng được thiết kế cho sản xuất một loại sản phẩm, sau khi chu kỳ
sản phẩm kết thúc, các thiết bị chuyên dụng đó sẽ trở thành lạc hậu.
Tự động hóa lập trình được sử dụng ở quá trình sản xuất với sản phẩm
đa dạng và số lượng sản phẩm tương đối thấp. Trong hệ thống tự động hóa
này, các trang thiết bị sản xuất được thiết kế để thích nghi với các dạng sản
phẩm khác nhau. Chương trình sẽ được lập trình và được đọc vào các thiết bị

15
30
100
1000
TĐH lập trình
TĐH linh hoạt
TĐH cố định
Số loại sản
phẩm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
10
Robot có liên quan mật thiết với tự động hóa lập trình. Robot là một máy
có khả năng lập trình và có một số đặc tính như con người. Robot có thể được
lập trình để di chuyển cánh tay thông qua các trình tự chuyển động có tính
chu kỳ để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, các máy bốc dỡ hàng,
robot hàn, sơn…robot cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống sản xuất
linh hoạt hoặc thậm trí trong các hệ thống tự động hóa cố định. Hệ thống này
gồm một số máy, hoặc các robot làm việc cùng nhau được điều khiển bằng
máy tính hoặc bộ điều khiển lập trình. Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ô tô gồm
nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn các bộ phận khác nhau. Chương trình
lưu trữ trong máy tính được nạp cho từng robot làm việc ở mỗi bộ phận của
dây chuyền hàn ô tô. Như vậy đây là một dây chuyền sản xuất linh hoạt với
mức độ tự động hóa cao.
Các đặc tính của robot công nghiệp:
1.2.1 Tải trọng
Tải trọng là trọng lượng 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 định mức nhiều,

4096
100


Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó độ
phân dải của cả robot là tổng các độ phân dải của từng khớp robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi
của hệ thống điều khiển servo sẽ ảnh hưởng đến độ phân dải. Các yếu tố làm
giảm độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy
lực, tải trọng trên tay robot, tộc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng
robot,…Độ chính xác cơ khí giảm sẽ làm giảm độ phân dải.
1.2.4 Độ chính xác
Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được. Độ chính xác
được định nghĩa theo độ phân dải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di
chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của
khớp. Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao, có thểđịnh nghĩa sơ bộ
độ chính xác bằng một nửa độ phân dải điều khiển như trên hình 1.2.

Hình 1.2: Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển

Độ chính xác
đích
Điểm được
địa chỉ hóa
Độ phân dải điều khiển
Điểm được
địa chỉ hóa

mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch
chuyển. VD: Khi robot thực hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
13
phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển,…Nếu robot được lập trình trong điều
kiện không tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc
có tải.
1.3 Chất lƣợng quá trình làm việc và các bài toán điều khiển robot
1.3.1 Yêu cầu về chất lƣợng trong điều khiển Robot
Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh
hưởng theo những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số
điều khiển. Quá trình làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa
sau:
Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính
xác về mặt động học cơ cấu. Sai số quỹ đạo có hai nguyên nhân chính là cơ
cấu không đáp ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển không đáp ứng độ
chính xác cần thiết. Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp
tục làm rõ do độ phân giải của thiết bị điều khiển không đủ (lí do về phần
cứng), hoặc do giải thuật điều khiển không đáp ứng được (nguyên nhân do
chuẩn bị điều khiển không đáp ứng yêu cầu gồm không đáp ứng được độ
chính xác cần thiết hoặc không đáp ứng tốc độ tính toán cần thiết).