LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, công nghệ Robot đã đạt được những thành tựu
to lớn và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, hoạt động trong
mọi lĩnh vực sản xuất như công nghiệp lắp ráp, hàn và những công việc trong
môi trường độc hại và nguy hiểm. Một trong những vấn đề quan trọng nhất của
Robot công nghiệp là sự chính xác trong chuyển động. Hầu hết các Robot đều
được truyền động bằng động cơ điện và chủ yếu là động cơ điện một chiều, do
đó việc điều khiển chuyển động của Robot chính là điều khiển các động cơ
truyền động cho Robot.
Robot Serpent là Robot thuộc họ Robot Scara là một trong những loại
Robot ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ nghiên cứu
về hệ điều khiển quỹ đạo Robot Scara – Serpent thông qua điều khiển quỹ đạo
các động cơ truyền động cho nó.
Đồ án gồm 5 chương:
Chương I: Tổng quan về Robot công nghiệp, nội dung chính là động học
vị trí và điều khiển chuyển động của Robot.
Chương II: Tổng quan về Robot Scara – Serpent và thiết kế quỹ đạo.
Chương III: Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển cho các động cơ
truyền động cho Robot Scara – Serpent.
Chương IV:Ttổng hợp các mạch vòng điều chỉnh cho Robot Scara –
Serpent theo phương pháp điều khiển không gian khớp độc lập, và mô phỏng.
Chương V: Lắp ráp thực nghiệm hệ điều khiển Robot, kiểm tra, hiệu
chỉnh lại các bộ điều chỉnh đã thiết kế.
Chương I. Tổng quan về Robot công nghiệp
Chương này trình bày khái niệm Robot và một số lý thuyết cơ bản để
thực hiện thiết kế và điều khiển quỹ đạo chuyển động của Robot công nghiệp,
bao gồm bốn phần chính là khái niệm về Robot, động học vị trí, lập quỹ đạo
chuyển động và hệ thống điều khiển chuyển động của Robot công nghiệp.
1.1. Giới thiệu chung về Robot công nghiệp
1.1.1 .Khái niệm Robot
Robot công nghiệp là một cơ cấu máy gồm các thanh cứng nối liên tiếp

Tuy nhiên để có thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực thì tốc độ xử lý
của thiết bị điều khiển số phải đủ nhanh. Với sự phát triển nhanh chóng của
kỹ thuật vi xử lý và máy tính thì hệ thống điều khiển Robot ngày càng hiện
đại và hoàn thiện.
1.1.2. Phân loại Robot công nghiệp
Robot công nghiệp có thể được phân loại theo chức năng (Robot hàn,
Robot lắp ráp ), cũng có thể phân loại theo không gian làm việc như sau:
- Chuyển động theo 3 trục x, y, z (Cartesian)
- Chuyển động theo khối trụ (Cylindrycal)
- Chuyển động theo khối cầu (Spherical)
- Chuyển động theo khối cầu (Revolute)
1.2. Một số lý thuyết cơ bản về Robot công nghiệp
1.2.1. Động học vị trí Robot
Động học vị trí Robot làm rõ mối quan hệ giữa tay Robot (end effector) và
các bộ phận chuyển động (các khớp). Động học vị trí được chia thành động học
thuận và động học ngược. Động học thuận là từ các biến khớp tính ra vị trí và
hướng của tay Robot. Động học ngược là từ vị trí và hướng của tay Robot tính ra
các biến khớp.
Động học vị trí Robot được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về phép biến
đổi toạ độ, các hệ toạ độ thanh nối và các bài toán động học vị trí.
1.2.1.1. Phép biến đổi đồng nhất
a. Biểu diễn vectơ
Một vectơ được biểu diễn như sau:
______
kcjbiav ++=
(1-1)
Trong đó
______
,, kji
là các vectơ đơn vị của 3 trục x, y, z trong hệ toạ độ đề







a
c
b
a
000
100
010
001
(1-3)
Cho một vectơ u = [x,y,z,ω]
T
thực hiện dịch chuyển tịnh tiến theo vectơ
[a,b,c,1]
T
thu được vectơ v như sau:
v = H.u = Trans(a,b,c).u =











−
1000
0cossin0
0sincos0
0001
θθ
θθ
(1-5)
Quay quanh trục y góc θ
H = Rot(y,θ) =












−
1000
0cos0sin
0010
0sin0cos
θθ

Thực hiện biến đổi so hệ toạ độ gốc:
H = Trans(a,b,c).Rot(x,γ).Rot(y,ϕ).Rot(z,θ) (1-8)
Thực hiện biến đổi so hệ toạ độ trước nó:
H = Rot(z,θ).Rot(y,ϕ).Rot(x,γ).Trans(a,b,c) (1-9)
1.2.1.2. Hệ toạ độ các thanh nối trong Robot
Xét 3 khớp liên tiếp: i - 1, i, i + 1
a. Các tham của thanh nối và khớp
kí hiệu:
a
i-1
là độ dài đường vuông góc chung giữa trục i và i - 1
a
i
là độ dài đường vuông góc chung giữa truc i và i - 1
d
i
là khoảng cách giữa hai đường vuông góc chung a
i-1
và a
i
θ
i
là góc giữa hai đường vuông góc chung a
i
và a
i-1
α
i
là góc giữa trục i và trục i + 1
Đối với khớp i: góc θ

Hình 1.2. Hệ toạ độ thanh nối
Sử dụng phương pháp đặt hệ toạ độ thanh nối của Denevit và
Hertenberg, nội dung phương pháp như sau:
- Gốc được đặt trên trục i + 1 tại chân đường vuông góc chung
a
i
với trục i
- Trục z
i
có phương trùng với trục khớp i + 1
- Trục x
i
có phương trùng với phương của a
i
, chiều đi từ trục i
đến trục i + 1
- Trục y
i
được xác định theo phương pháp tam diện thuận
c. Quan hệ giữa hai hệ toạ độ thanh nối liên tiếp
Có thể thực hiện biến đổi từ hệ toạ độ thanh i-1 về hệ toạ độ thanh i
bằng cách thực hiện lần lượt các phép biến đổi sau:
Rot(z
i-1
,θ
i
) Trục x
’
i-1
// x

).Trans(0,0,d
i
).Trans(a
i
,0,0).Rot(x
i-1
,α
i
)
A
i 1−
i
=












−
1000
cossin0
sinsincoscoscossin
cossinsincossincos

2
= A
1
A
2
(1-11)
Tương tự, vị trí và hướng của thanh 3 so với hệ toạ độ gốc là:
T
3
= A
1
A
2
A
3
Vị trí và hướng của tay Robot (end effector) được xác định như sau:
T
n
=
∏
=
n
i
i
A
1
Thông thường một Robot có số bậc tự do là 6 (6 thanh), do đó ma trận
mô tả vị trí và hướng của tay Robot là T
6
và được xác định cụ thể như sau:

a

__
p
]
(1-12)
Vectơ
__
o
: mô tả phương của đường nối tâm giữa hai thanh kẹp (griper)
gắn ở tay Robot.
Vectơ
__
a
: có phương và chiều chính là phương vươn tới của tay Robot.
Vectơ
__
p
: mô tả vị trí của tay Robot.
______
aon ×=
Với ý nghĩa như vậy, ma trận T
6
mô tả cả hướng và vị trí của tay Robot,
muốn xác định vị trí và hướng của tay Robot chỉ cần xác định T
6
.
Bài toán động học thuận đặt ra là từ các biến khớp q
i
tìm ra vị trí và

, , q
n
]
T

là vectơ biến khớp Robot.
1.2.1.4. Động học ngược Robot
Bài toán động học ngược là bài toán từ vị trí và hướng của tay Robot
(biết ma trận T
6
) tính ra các biến khớp.
Bài toán động học ngược là bài toán phức tạp, không có lời giải chung,
tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có những cách giải khác nhau.
1.2.2. Động lực học Robot
Sử dụng phương pháp Lagrange để xây dựng phương trình động lực
học, nội dung phương pháp như sau:
Lập hàm Lagrange : L = K – P
(1-14)
Trong đó: L là hàm Lagrange
K là tổng động năng
P là tổng thế năng
Phương trình động lực học với khớp i:
M
i
=
dt
d
(∂L/d
i
q

1.2.3.1 Tổng quan
Trong điều khiển Robot gồm hai giai đoạn: giai đoạn chuyển động tự
do và giai đoạn lắp ráp (làm một nhiệm vụ cụ thể). Trong giai đoạn chuyển
động tự do, lực sinh ra nhỏ nên vấn đề điều khiển chủ yếu là điều khiển quỹ
đạo (điều khiển thô). Khi lắp ráp, Robot cần sinh lực nhất định do đó khi điều
khiển phải điều khiển cả quỹ đạo lẫn lực và được gọi là điều khiển tinh.
Trong điều khiển quĩ đạo thường sử dụng phương pháp điều khiển phản
hồi (feedback) hoặc tiền định (feed forward) để đảm bảo vị trí tay Robot luôn
bám theo một quỹ đạo cho trước và tối ưu về thời gian. Tuỳ thuộc quỹ đạo
thiết kế cho khớp hay cho tay Robot mà tương ứng có điều khiển không gian
khớp hay không gian tay. Đối với điều khiển quĩ đạo tay Robot cần phải giải
bài toán động học để đưa ra những thông tin về sự chuyển động của các khớp
khi tay Robot chuyển động bám theo quỹ đạo đặt một cách liên tục. Có thể
thực hiện bài toán động học vị trí một cách on-line hay off-line tuỳ thuộc vào
từng yêu cầu và nhiệm vụ cụ thể.
Đối với Robot nhiều khớp là một hệ thống động và phi tuyến mạnh.
Thêm vào đó có nhiều tham số của cơ cấu cơ khí và kích thích thay đổi.
Thường thì tại mỗi khớp Robot được lắp một động cơ một chiều và nhiệm vụ
cụ thể là điều khiển vị trí từng khớp theo tín hiệu đặt một cách chính xác nhất.
1.2.3.2 Phân loại hệ thống điều khiển Robot
a. Phân loại theo tín hiệu điều khiển
- Điều khiển phân tán
- Điều khiển tập trung
Điều khiển phân tán có nghĩa là mỗi khớp được điều khiển độc lập, bỏ
qua mối liên hệ giữa các khớp. Đối với những ứng dụng không yêu cầu cao về
tốc độ và tải không đổi thì thường sử dụng phương pháp điều khiển phân tán
do tính đơn giản của hệ thống điều khiển.
Phương pháp điều khiển tập trung coi Robot là một hệ thống, khi đó
mối liên hệ giữa các khớp được tính đến.
b. Phân loại theo phương pháp điều khiển

_____________
qgqqhqqHM ++=
•••
a. Phương pháp điều khiển phản hồi sử dụng luật điều chỉnh PID
Sơ đồ khối:
Cấu trúc bộ điều khiển là có thể là bộ PD với luật điều khiển như sau:
Feedback
controller
Robot
q
d
M
q
•
q
Hình 1.3. sơ đồ khối phương pháp điều khiển phản hồi.
•
−=
_______
. qkKM
DP
dk
ε
(1-17)
Luật điều khiển có thể là
•
+=
_______
εε
DP

P
K
D
Robot
q
d
M
dk
q
•
q
Hình 1.5. Điều khiển PD có điều khiển tốc độ.
•
d
q
K
P
K
D
Robot
q
d
M
dk
q
•
q
Hình 1.6. Điều khiển PID đảm bảo sai lệch bằng
không.
•

d
– q;
•••
−= qq
d
ε
; K
I
, K
P
, K
D
, là các ma trận đường chéo
dương.
R
-1
K
P
K
P
Robot
__
d
q
•
__
d
q
••
__

q
•
q
M
Hình 1.8. sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Robot theo phương pháp tính mô men.
1.2.3.4 Phương pháp điều khiển thích nghi
Phương pháp điều khiển thích nghi thường sử dụng nhất là phương
pháp mô hình chuẩn (MRAC) và phương pháp tự chỉnh (self - turning)
a. Phương pháp thích nghi theo mô hình chuẩn
Sơ đồ khối như sau:
Tín hiệu u là tín hiệu đặt (ví dụ: đặt quỹ đạo). Đầu ra của mô hình thực
và mô hình chuẩn được so sánh với nhau và sự sai khác giữa chúng
(Adaptation error) được đưa vào để tính toán luật điều khiển thích nghi cùng
với tín hiệu vào u(t) và ra y(t), từ đó điều chỉnh lại hệ thống sao cho mô hình
thực giống mô hình chuẩn. Có hai cách để điều chỉnh thích nghi theo mô hình
chuẩn là thích nghi theo thông số hoặc thích nghi theo tín hiệu.
- Thích nghi thông số làm thay đổi một số thông số của hệ
thống làm cho hệ thống giống với mô hình mẫu
- Thích nghi tín hiệu sử dụng một tín hiệu thích nghi để bù vào
tín hiệu điều khiển làm cho hệ thống phản ứng giống với mô
hình mẫu
b. Phương pháp tự chỉnh (self – turning)
Mô hình
chuẩn
Robot
Luật thích
nghi
u
sai số thích nghi
Thích nghi

giàng buộc của động cơ và hệ truyền động, giải bài toán động học ngược đơn
giản. Nhược điểm là khó đảm bảo chính xác quỹ đạo tay.
điều chỉnh
tham số
bộ điều
khiển
Robot
ước lượng
tham số
q
di
q
i
Hình 1.10. hệ thống thích nghi tự chỉnh.
Thiết kế quỹ đạo tay Robot có ưu điểm: lượng đặt là vị trí tay Robot
nên đảm bảo chính xác quỹ đạo. Nhược điểm: phải giải bài toán động học
ngược phức tạp với khối lượng tính toán lớn và khó tính được điều kiện giàng
buộc.
1.2.4.2. Quỹ đạo điểm điểm (point to point)
Yêu cầu điều khiển sao cho khớp Robot chuyển động từ vị trí q
0
đến vị
trí q
c
trong thời gian t
c
. Với dữ kiện ban đầu như vậy có các dạng quỹ đạo như
sau:
a. Dạng quỹ đạo bậc 3
q(t) = at









++=
+++=
=
=
•
•
cbtatq
dctbtatq
cq
dq
ccc
ccc
23
2
23
0
0
(1-24)
Giải hệ được a, b, c, d suy ra quỹ đạo
q(t).
b. Dạng quỹ đạo 2 – 1 – 2
Trong quá trình chuyển động từ q

•
: Hàm bậc nhất theo t
q(t) : Hàm bậc hai theo t
- Giai đoạn chuyển động đều:
0)( =
••
tq
consttq =
•
)(
q(t) : Hàm bậc nhất theo t
- Giai đoạn giảm tốc:
consttq =
••
)(
)(tq
•
: Hàm bậc nhất theo t
q(t) : Hàm bậc hai theo t
Phương trình quỹ đạo:
Đoạn 1: q(t) = q
0
+
2
1
2
1
tq
••
với 0 < t < t

2
< t < t
c
(1-27)
Trong đó: t
1
=
)(
4
2
1
2
0
1
2
qq
q
t
t
cc
c
−−−
••
(1-28)
Chọn
••
1
q
thoả mãn điều kiện :
2

Khớp Robot chuyển động từ q
0
đến q
c
trong thời gian t
c
biết:
q(0) = q
0
; q(t
c
) = q
c
;
••
=
0
)0( qq
;
••
=
cc
qtq )(
;
••••
=
0
)0( qq
;
••••

+ a
2ac
t
2
+ a
1ac
t + a
0ac
với 0 < t < 2t
0
(1-30)
Phương trình đoạn chuyển động đều (cd):
q
cd
(t) = a
1cd
(t – 2t
0
) + a
0cd
với 2t
0
< t < t
2
(1-31)
Phương trình đoạn hãm (df)
q
df
(t) = a
4df

q
q
c
q
0
Hình 1.12. Quỹ đạo chuyển động
4 – 1 – 4.
a
c
d
f
b
e
Để xác định được quỹ đạo chuyển động, phải xác định 12 hệ số bằng
cách giải hệ phương trình 12 ẩn. Theo hình vẽ ta có:
q
1
= q
0
+
0
0
0
2
t
tt
qq
c
c
−

tt
tt
qq
c
c
−
−
−
So sánh với phương trình (1-31) suy ra:
a
1cd
=
0
0
2tt
qq
c
c
−
−
(1-35)
a
0cd
= q
1
= q
0
+
0
0

qq
q
ac
ac
ac
(1-37)
Tại t = t
c
⇒





=
=
••
)2()2(
)2()2(
00
00
tqtq
tqtq
cdac
cdac
(1-38)
Lấy đạo hàm cấp 1 và 2 của phương trình (1-30) và sử dụng phương
trình (1-37), (1-38) thu được hệ số của phương trình đoạn ac như sau:



4
0
2
0
0
3
2
1
00
ttt
qq
a
ttt
qq
a
a
a
qa
c
c
ac
c
c
ac
ac
ac
ac
(1-39)
Phương trình quỹ đạo đoạn df
Thực hiện tương tự như xác định quỹ đạo đoạn ac, các hệ số phương

4
2
0
3
041
3
2
0
0
1
0
0
0
0
16
433
12
32
0
2
2
t
taaq
a
t
taa
a
a
tt
qq

một trong những loại Robot được ứng dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp.
Robot Scara – Serpent có bốn khớp, ba khớp quay và một khớp tịnh
tiến. Ba khớp quay được điều khiển bằng ba động cơ một chiều với các mạch
vòng phản hồi. Khớp tịnh tiến sử dụng khí nén để điều khiển và chỉ điều
khiển kiểu on – off. Scara – Serpent được trang bị các cảm biến đo vị trí
(Encoder).
Với thiết kế động cơ truyền động của cổ tay đặt trên trục cơ bản (thân
Robot) và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền nên nó đảm bảo góc quay của cổ
tay không thay đổi trong quá trình tay máy chuyển động.
Các thông số hình học của Robot Scara – Serpent:
Hình 2.1. Robot Scara – Serpent.
l l
1 2
1
2
4
3
Hình 2.2. Cấu hình Robot Scara – Serpent.
θ
1
θ
2
θ
4
d
3
Khớp 1: Góc quay 192
o
(-96
o

a. Hệ toạ độ các thanh nối
Áp dụng phương pháp đặt hệ toạ độ thanh nối của Denevit – Hatenberg để
đặt các hệ toạ độ thanh nối cho Robot Scara – Serpent như hình 2.3
Bảng thông số D – H của Robot Scara – Serpent
q
i
θ
i
d
i
a
i
α
i
1
θ
1
θ
1
0 l
1
0
o
2
θ
2
θ
2
0 l
2

z
z
1
2
0
1
0
1
2
2
3
3
4
d
3
θ
1
θ
4
a
1
a
2
θ
2
θ
4
Hình 2.3. Hệ toạ độ thanh nối của Robot Scara – Serpent.