2
f Sciences, Beijing 100080, P.R.China









66 44 03 2

 


TP. H C MINH - 2010
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi luôn được sự quan tâm, hướng dẫn và động viên của
Quý Thầy Cô, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Tôi xin bày tỏ lòng tri ân đến:

1.2.1. Định nghĩa 7
1.2.2. Lịch sử phát triển
[2]
8
1.2.3. Các thế hệ robot 20
1.2.4. Những xu hƣớng phát triển của robot hiện đại 22
CHƢƠNG 2 23
MÔ HÌNH HÓA ROBOT 23
ĐI BẰNG HAI CHÂN 23
ii

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
2.1. Giới thiệu 23
2.2. Mô hình robot đi hai chân có 5 liên kết 23
2.2.1. Mô tả cấu hình của robot 24
2.2.2. Phƣơng trình động học của robot khi hai chân chạm đất 26
2.2.3. Phƣơng trình động học khi chân trái hoặc chân phải chạm đất. 34
2.3. Mô hình robot 40
2.3.1. Giới thiệu mô hình Simulink của robot
[13]
40
2.3.2. Các khối chức năng trong mô hình 40
CHƢƠNG 3 54
ĐIỀU KHIỂN ROBOT 54
ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PD 54
3.1. Tổng quan về điều khiển PD trong robot 54
3.2. Khối điều khiển PD trong Matlab/Simulink 55
3.2.1. Khối Create references 56
3.2.2. Khối Controller 58
CHƢƠNG 4 67

A.1.2. Cột thứ hai của ma trận A với 

 97
iv

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
A.1.3. Cột thứ ba của ma trận A với 

 98
A.1.4. Cột thứ tƣ của ma trận A với 

 98
A.1.5. Cột thứ năm của ma trận A với 

 99
A.1.6. Cột thứ sáu của ma trận A với 

 99
A.1.7. Cột thứ bảy của ma trận A với 

 99
A.2. Các hệ số trong vector b(q) sử dụng các khối trong Matlab/Simulink để
chứa 100
A.3. Hàm Linearization.m: 102

12
  i th
gi
13
o ra Walking Truck  Chic xe ti bi
14
 thc hin nhng phn nh 
chuyn s dm bin chm  cm nhn
15
ng dp
16
nh v
17
- Robot hong tng h
17
c
18
 t ni ting ca Canada
18
 ng d sng 
gian
19
- mt Humanoid c
20
- mt th h robot mi c
20
t
24
i l
26

46
Khi Leg tip position
46
i Leg tip speed
47
1. Khi Calculate forces
48
i Leg tip projection
49
i Vectors
49
i Controls
49

50

51

51
i Force projection
52
i Knee stopper
52
i Knee control (L)
53
1. Khu khin PD
55
2. Khi Create references
56
3


79
u u khi
80


81
vii

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
 th 
82
 th 
82





83





83

84

84

viii

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bng 3.1. Bng trng a khi Detect phase
60
Bng 3.2. B c u khin PD
63 ix

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐKTĐ: Điều khiển tự động
PD: Proportional Derivative: Tỷ lệ vi phân
C: Controller : Thiết bị điều khiển
O: Object: Đối tượng điều khiển
M: Measuring Device: Thiết bị đo lường
PLC: Programmable Logic Controller : Bộ điều khiển logic khả trình
MEMS: Micro Electronics Mechanics System: Hệ vi cơ điện tử
1

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN

như ứng dụng của ngành công nghiệp robot.
 Chƣơng 2: MÔ HÌNH HÓA ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN
Trình bày về mô hình động học, phương trình động học của robot.
 Chƣơng 3: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG
PHÁP PD
Trình bày về bộ điều khiển PD sử dụng trong việc điều khiển robot.
 Chƣơng 4: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN BẰNG PHƢƠNG
PHÁP MÔMEN TÍNH
Trình bày về việc xây dựng bộ điều khiển mômen tính và sử dụng trong việc điều
khiển robot.
 Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Một số kết quả mô phỏng việc robot di chuyển với các tín hiệu vào-ra.
 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Một số kết luận và hướng phát triển của đề tài. 3

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Trong mọi hoạt động của con người, ở bất cứ lĩnh vực nào, bất cứ vị trí nào đều liên
quan đến hai từ điều khiển. Trong khoa học, tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát
triển mạnh mẽ, đó là điều khiển học. Điều khiển học là khoa học nghiên cứu về các quá
trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học
công nghệ, môi trường Điều khiển học chia ra làm nhiều lĩnh vực khác nhau gồm điều

tượng điều khiển là thành phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần được
điều khiển và nhiệm vụ cơ bản của điều khiển là phải tác động lên đầu vào của đối tượng
điều khiển sao cho đại lượng cần điều khiển đạt được giá trị mong muốn. Thiết bị điều
khiển là tập hợp tất cả các phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều khiển
tác động lên đối tượng. Giá trị này được gọi là tác động điều khiển. Đại lượng cần điều
khiển còn được gọi là đại lượng ra của hệ thống ĐKTĐ. Những tác động từ bên ngoài lên
hệ thống được gọi là tác động nhiễu.
Có ba phương thức điều khiển là phương thức điều khiển theo chương trình,
phương thức bù nhiễu và phương thức điều khiển theo sai lệch. Trong phương thức điều
khiển theo chương trình, tín hiệu điều khiển được phát ra do một chương trình định sẵn
trong thiết bị điều khiển. Với phương thức bù nhiễu, tín hiệu điều khiển được hình thành
khi xuất hiện nhiễu loạn tác động lên hệ thống, tín hiệu điều khiển phát ra nhằm bù lại sự
tác động của nhiễu loạn để giữ cho giá trị ra của đại lượng cần điều khiển không đổi. Vì
vậy hệ bù nhiễu còn được gọi là hệ bất biến.
Trong kỹ thuật thường sử dụng phương thức điều khiển theo sai lệch, trong đó tín
hiệu điều khiển là sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần
điều khiển. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động theo sai lệch được mô tả trên hình
1.1.
5

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN

 khi h thu khin t 
Các tín hiệu tác động trong hệ thống:
u : tín hiệu vào (input)
y : tín hiệu ra (output)
x : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O)
e : sai lệch điều khiển
f : tín hiệu phản hồi
Hệ thống ĐKTĐ luôn tồn tại một trong hai trạng thái là trạng thái xác lập (trạng thái

loại là hệ thống liên tục tuyến tính và hệ thống rời rạc tuyến tính. Các khái niệm liên tục
và rời rạc ở đây được hiểu theo biến thời gian. Hệ thống liên tục tuyến tính nếu tất cả các
tín hiệu xuất hiện trong hệ thống đều là tín hiệu liên tục theo thời gian. Hệ thống rời rạc
tuyến tính nếu chỉ cần một tín hiệu xuất hiện trong hệ thống tín hiệu rời rạc theo thời
gian.
Dựa vào lượng thông tin thu thập được ban đầu về đối tượng điều khiển và tính chất
của nó mà ta phải xây dựng được hệ thống thiết bị điều khiển thích hợp, đảm bảo được
chất lượng của điều khiển. Do đó, hệ thống liên tục tuyến tính được phân ra làm hai loại
là hệ điều khiển thông thường và hệ điều khiển tự thích nghi.
Hệ thống tuyến tính được xây dựng cho những đối tượng mà các thông tin ban đầu
về chúng khá đầy đủ. Trong hệ thống này, cấu trúc và tham số của thiết bị điều khiển là
7

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
không đổi với đối tượng điều khiển cụ thể. Đối với những đối tượng điều khiển mà thông
tin ban đầu không đầy đủ hay quá trình công nghệ có yêu cầu đặc biệt thì hệ thống tuyến
tính không đáp ứng được thì phải xây dựng hệ thống thích nghi. Đối với hệ thống thích
nghi, ngoài cấu trúc thông thường, trong thiết bị điều khiển còn có một số thiết bị đặc biệt
khác thực hiện chức năng riêng của nó nhằm đảm bảo chất lượng của quá trình điều
khiển.
Hệ thống ĐKTĐ còn được phân ra làm hai loại là hệ thống hở và hệ thống kín. Đối
với hệ thống hở, tín hiệu của đại lượng cần điều chỉnh không được sử dụng trong quá
trình tạo ra tác động điều khiển. Hệ thống kín sử dụng phương pháp điều khiển theo sai
lệch. Tín hiệu đo được của đại lượng cần điều khiển được đưa phản hồi trở lại đầu vào hệ
thống và được sử dụng trong quá trình tạo ra tác động điều khiển.
Việc phân loại các hệ thống ĐKTĐ trên đây chỉ là một cách. Tuy nhiên, giữa các
loại hệ thống này có liên quan mật thiết với nhau, ví dụ như trong hệ tuyến tính có hệ liên
tục và hệ rời rạc…
1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.2.1. Định nghĩa

+ Giai đoạn thế kỷ 18: Vào năm 1774, nhà phát minh Pierre và Henri-Louis
Jacquet-Droz tiết lộ ra “Người viết tự động – Automatic Scribe”. Đây là hình mẫu
một chú bé có thể vẽ và viết bất kỳ đoạn thông điệp nào với chiều dài lên đến 40
ký tự. Một robot phụ nữ có thể chơi piano là một trong những phát minh lớn khác
của họ.

9

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN

3-Louis Jacquet-Droz tit l ra
i vit t ng  
+ Giai đoạn thế kỷ 19: Không giống như những loại người máy đồ chơi của
thế kỷ 18, những robot trong thế kỷ 19 được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu phát
triền của xã hội công nghiệp thời đó. Một ví dụ đáng lưu ý đó chính là máy dệt –
Textile Machine. Hoạt động nhờ những tấm bìa đục lỗ, chiếc máy có thể lập trình
này có khả năng tạo ra một khối lượng sản xuất và là một trong những chiếc máy
đầu tiên có khả năng lưu trữ chương trình đã được thiết kế để điều khiển toàn bộ
quá trình hoạt động.

10

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN

4. Chi  
+Năm 1890. Thomas Edison sử dụng một phiên bản hoàn thiện nhất của
ông về phát minh máy hát để thiết kế ra búp bê biết nói rất nổi tiếng.

5. Thomas Edison thit k t ni ting
+Năm 1898, Nikola Tesla, một nhà phát minh nổi tiếng, được cấp bằng

những kỹ thuật trong các robot. Ông ta cũng là người đã dự đoán sự phát triển của
ngành công nghiệp robot.

1.9. Isaac Asimov l dng cm t  
nhng k thu
13

LVCH: ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐI BẰNG HAI CHÂN HVCH: NGUYỄN THANH NHIÊN
+Tiến sĩ W. Grey Walter, một trong những người đi tiên phong vĩ đại trong
lĩnh vực robotics. Ông phát triển những robot có hình dạng như con rùa tự động di
chuyển – Elsie và Elmer – được thiết kế với động cơ bánh lăn được điều khiển bởi
một mạch điện đơn giản và hai ống chân không.
+Năm 1951: Raymond Goerzt thiết kế bộ “hoạt động viễn thông” đầu tiên –
một thiết bị cho phép những hành động được thực hiện tại một khoảng cách nhất
định. Thiết bị của Goerzt là một cánh tay có khớp nối, dung để cầm những vật liệu
phóng xạ.
+Năm 1962: Hãng General Motors cài đặt robot công nghiệp lần đầu tiên
trên một băng chuyền sản xuất. Đó là một robot có tên là Unimate và được sử
dụng trong một xí nghiệpp xe hơi của hang General Motors tại Trenton, bang New
Jersey. Robot này sẽ nâng những khối kim loại nóng từ một máy đổ khuôn và xếp
chúng vào chồng.
+Năm 1968: SRI International – được biết đến với tên Viện nghiên cứu
Standford – xây dựng và thử nghiệm robot tự hành đầu tiên với khả năng quan sát.
Shakey – tên của robot – được trang bị với một camera truyền hình, một bộ tìm
kiếm dãy rộng và các cảm biến. Shakey là robot tự hành đầu tiên có thể “nghĩ” và
“đáp ứng” với thế giới xung quanh nó. 1.10  i
th gii xung quanh 