ĐàO MINH TUấN

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

ngành điều khiển và tự động hóa

nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiẻn chuyển động
robot trong không gian decac

luận văn thạc sĩ khoa học
điều khiển và tự động hóa

2009 - 2011
Hà Nội 9 - 2011


bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
--------------------------------------Đào Minh Tuấn

nghiên cứu thuật toán thích nghi, ứng dụng cho điều khiẻn chuyển động
robot trong không gian decac

Chuyên ngành :

Điều khiển và tự động hóa

luận văn thạc sĩ điều khiển và tự động hóa


Phạm Thục Anh trong suốt thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn cô đã hướng
dẫn tác giả những kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất để có thể hoàn thành
được đề tài, cảm ơn cô đã luôn dành thời gian giúp đỡ tác giả, và cảm ơn cô vì
tác giả đã học được nhiều điều từ cô.
Xin chân thành cảm ơn thầy Giang Hồng bắc, thầy Phạm Đức Hùng,
các đồng nghiệp khác công tác tại khoa điện - điện tử trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã ủng hộ, giúp đỡ và tạo điều kiện giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn.
Xin cảm ơn các anh chị, bạn bè học viên lớp TĐH nghành ĐKTĐ khóa
2009-2011 đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên trong thời gian học tập và nghiên
cứu.
Cuối cùng xin cảm ơn những người thân yêu, những người luôn động
viên giúp đỡ về mọi mặt mọi hoàn cảnh.
Qua một thời gian tác giả đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài
“Nghiên cứu thuật toán thích nghi ứng dụng cho điều khiển chuyển động
robot trong không gian khớp và không gian Decac”. Tuy đã cố gắng nhưng
chắc chắn vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự
thông cảm và đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2011

 


Trang 2

Mục lục
Lời cam đoan ...............................................................................................................1
Mục lục........................................................................................................................2
Lời cảm ơn ..................................................................................................................4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .......................................................................5

2.2.2. Mô phỏng điều khiển Robot sử dụng phương pháp tuyến tính hóa chính
xác.......................................................................................................................38
2.3. Điều khiển bền vững .......................................................................................42
2.3.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển trượt.........................................42
2.3.2. Mô phỏng điều khiển Robot sử dụng phương pháp điều khiển trượt ......43
2.4. Điều khiển thích nghi......................................................................................46
2.4.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp Slotine- Li .................................................46
2.4.2. Mô phỏng điều khiển Robot sử dụng phương pháp Slotine-Li ................48
Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ ỨNG DỤNG CHO
ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG KHÔNG GIAN DECAC
...................................................................................................................................53
3.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................................53
3.2 Thiết kế bộ điều khiển .....................................................................................55
3.3 Kết quả mô phỏng tín hiệu điều kihiển và tín hiẹu đầu ra của robot ...............56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................58

 


Trang 5

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Từ viết tắt

Viết đầy đủ

Ý nghĩa
Người máy công nghiệp

IR


Bảng tham số D-H của robot

Biểu diễn tham số động học của
robot

 


Trang 6

Danh mục các bảng
Bảng 1 Bảng D-H của robot RRT .....................................................................................................19

 


Trang 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1 Robot công nghiệp Kuka (Đức)...................................................................13
Hình 2 Minh họa tay máy ........................................................................................15
Hình 3 Quy tắc bàn tay phải ....................................................................................15
Hình 4 Trường công tác của Robot .........................................................................16
Hình 5 Robot RRT ...................................................................................................17
Hình 6 Các khâu của Robot RRT ............................................................................17
Hình 7 Xác định tọa độ của Robot RRT..................................................................18
Hình 8 Các tham số hệ trục tọa độ Robot RRT .......................................................19
Hình 9 Mô hình Robot sử dụng simulink ................................................................31
Hình 10 Xác định G(Q) ..........................................................................................32

Hình 29 Đáp ứng đầu ra bộ điều khiển trượt khi thay đổi tham số m2=0.5 và m3=
0.5

46

Hình 30 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot theo phương pháp điều khiển thích
nghi

48

Hình 31 Bộ điều khiển thích nghi ..........................................................................49
Hình 32 Khâu cập nhật tham số .............................................................................49
Hình 33 Khâu tạo tín hiệu đặt và giá trị đặt các khớp Qd, Qd' và Qd'' .................50
Hình 34 Quá trình cập nhật tham số.......................................................................50
Hình 35 Đáp ứng đầu ra bộ điều khiển thích nghi .................................................51
Hình 36 Quá trình cập nhật tham số.......................................................................51
Hình 37 Đáp ứng đầu ra bộ điều khiển thích nghi .................................................52
Hình 38 Mô hình Điều khiển chuyển động của robot trong không gian Decac dùng
thuật toán điều khiển thích nghi. ...............................................................................55
Hình 39 Hinh Bộ điều khiển thích nghi điều khiển chuyển động robot trong không
gian Decac .................................................................................................................55
Hình 40 Hình Bộ cập tham số ................................................................................56
Hình 41 Hình Quá trình cập nhập tham số cho bộ điều khiển ..............................56
Hình 42 Hình Tín hiệu đầu ra của của robot ..........................................................57
Hình 43 Hình Dáp ứng đầu ra bộ điều khiển thích nghi .......................................57

 


Trang 9

Trang 10

Phương pháp thực hiện và bố cục
Để đạt được mục đích trên, trình tự nội dung nghiên cứu theo tuần tự từ xây
dựng mô hình toán học của robot RRT, nghiên cứu các thuật toán thông dụng để
điều khiển robot và ứng dụng vào điều khiển robot RRT, phát triển thuật toán điều
khiển thích nghi để điều khiển robot RRT trong không gian làm việc.
Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:
Chương 1 xây dựng mô hình toán học của robot ba bậc tư do RRT.
Chương 2 các thuật toán thông dụng điều khiển robot, ứng dụng để điều
khiển robot RRTvà các kết quả mo phỏng.
Chương 3 tập trung trình bày thuật toán điều khiển thích nghi và ứng dụng
cho điều khiển chuyển động của robot trong không gian Decac.

 


Trang 11

Chương 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA
ROBOT BA BẬC TỰ DO
1.1. Sơ lược quá trình phát triển của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc “Robota” có nghĩa là công việc tạp
dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek (1921). Đến 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 nghiệp (hay Robot công nghiệp)
cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều
khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất Robot công nghiệp: Anh

âm... Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện
các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn.
Trong ngành cơ khí, Robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công
nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp
sản phẩm...
1.3. Các định nghĩa về Robot công nghiệp
1.3.1. Định nghĩa Robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa
như sau:
Định nghĩa Robot công nghiệp (theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp))
Robot công nghiệp lỡ một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp
lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả
năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá
lắp... theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các
nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

 


Trang 13

Định nghĩa Robot công nghiệp (theo RIA (Robot institute of America))
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế
để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các
chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa Robot công nghiệp (theo TOCT 25686-85 (Nga))
Robot công nghiệp lỡ một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được,
liên kết giữa một tay máy vỡ một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập
trình lại để hoàn thành các chức năng vận động vỡ điều khiển trong quá trình sản
xuất.

Hệ toạ độ (Coordinate frames) gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ
toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ
suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình
của Robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các khớp tịnh
tiến hoặc khớp quay (hình 1.1). Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

 


Trang 15

Hình 2  Minh họa tay máy 
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của Robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải:
Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: cái, trỏ
và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của
trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương,
chiều của trục y (hình 1.2).

Hình 3 Quy tắc bàn tay phải
Trong Robot ta thường dựng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trờn khâu
thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu
là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, hệ toạ
độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu lỡ On.

 


Trang 16

1.3.4. Trường công tác của Robot

Robot RRT có ba khâu như hình vẽ:

Hình 6 Các khâu của Robot RRT

 


Trang 18

Gắn hệ trục tọa độ lên các khâu.
Giả định vị trí ban đầu và chọn gốc tọa độ O0 của Robot như hình vẽ. Các
trục Z đặt cùng phương với các trục khớp.

Hình 7 Xác định tọa độ của Robot RRT

Chọn Z1 quay tương đối một góc 90o so với trục Z0, đây chính là góc quay
quanh trục X0 một góc α1 (phép biến đổi ROT(X0, α1) trong biểu thức tính An).
Nghĩa là trục x0 vuông góc với z0 và trục z1. Ta chọn chiều của x0 từ trái qua phải
thì góc quay α1 = 900(chiều dương ngược chiều kim đồng hồ). Đồng thời ta cũng
thấy O1 tịnh tiến một đoạn dọc theo z0 so với O0, đó chính là phép đổi Trans(0,0,d1),
tịnh tiến dọc treo z0 một đoạn d1, các trục y0 và y1= xác định theo quy tắc bàn tay
phải như hình vẽ.
Tiếp tục ta chọn gốc tọa độ O2 đặt trùng với O1 vì trục khớp thứ ba và trục
khớp thứ 2 cắt nhau tại O1. Trục z2 trùng phương với trục khớp thứ ba, tức là đã
quay đi một góc 900 so với z1 quanh trục y1. Phép biến đổi này không có trong biểu
thức tính An nên không dung được, ta phải chọn lại vị trí ban đầu của Robot nghĩa là
ta chỉ cần thay đổi vị trí của khâu thứ ba

 


d1

2

θ 2*

-90

0

0

3

0

0

0

d *3

Bảng 1

 


Trang 20

Xác định ma trận A:

Ta tính được lần lượt:
⎡C1
⎢S
A1 = ⎢ 1
⎢0
⎢
⎣0

1
0

⎡ C2
⎢S
A2 = ⎢ 2
⎢0
⎢
⎣0

0 − S2
0 C2
−1 0
0
0

⎡1
⎢0
A3 = ⎢
⎢0
⎢
⎣0


1.6 Xác định điểm tác động cuối của tay máy
2

 

T3 = A3;

(3.1)


Trang 21

1

T3 = A2. 2 T3 ;

(3.2)

Phép toán tính T3 được tính trong Matlab là
%Toa do diem tac dong cuoi cua tay may
%so voi he toa do O2(T32)
T32=A3
%Toa do diem tac dong cuoi cua tay may
%so voi he toa do O1(T31)
T31=A2*T32
%Toa do diem tac dong cuoi cua tay may
%so voi he toa do O(T3)
T3=A1*T31
⎡ C2

⎢
⎢0
⎢
⎣0

0⎤
⎡ C2
⎢
⎥
0⎥
S
= ⎢ 2
⎢0
0 1 d3 ⎥
⎢
⎥
0 0 1⎦
⎢⎣ 0

0 0
1 0

0 − S2
0 C2
−1 0
0
0

T3 = A1.1T3



0 − S2
0 C2
−1 0
0
0

⎡C1.C2
− S 2 .* d3 ⎤
⎥
⎢
*
C2 . d 3 ⎥
Sd
= ⎢ 1 2
⎢ S2
0 ⎥
⎥
⎢
1 ⎦⎥
⎣⎢ 0

− S1
C1
0
0

−C1S 2
− S1S 2
C2

az
0

px ⎤
p y ⎥⎥
pz ⎥
⎥
1⎦


Trang 22

Ta có hệ phương trình động học của Robot RRT như sau:
⎧nx = C1C2
⎫
⎪o = − S
⎪
⎪ x
⎪
1
⎨
⎬;
⎪ax = −C1S 2 ⎪
⎪⎩ px = −C1S 2 d3 ⎪⎭

⎧n y = S1C2
⎫
⎪
⎪
⎪o y = C1


(4.1)

VP

Phép toán được khai báo trong Matlab như sau
Syms Nx Ny Nz Ox Oy Oz Ax Ay Az Px Py Pz
A11=inv(A1)%Ma tran nghich dao cua A1
VP=A2*A3 %ve phai
Te=[Nx Ox Ax Px;Ny Oy Ay Py;Nz Oz Az Pz;0 0 0 1]
%diem tac dong cuo
VT=A11*Te %ve trai
⎡ C2
⎢S
Vế phải = A2 A 3 = ⎢ 2
⎢0
⎢
⎣0
⎡C1
⎢0
−1
⎢
Ta có: A1 =
⎢ S1
⎢
⎣0

 

0

⎢0
⎢
⎢0
⎢
⎣0

0⎤
⎡ C2 0 − S 2
⎢
⎥
0⎥
S
0 ( C2 )
= ⎢ 2
⎢( 0 ) −1
0 1 d3 ⎥
0
⎢
⎥
0 0 1⎦
0
0
⎣ 0

0 0
1 0

( − S2 d3 )⎤
( C2 d3 ) ⎥⎥
0

⎢( S1nx − C1n y ) S1ox − C1o y
⎢
0
0
⎣

0 0 ⎤ ⎡ nx
1 − d1 ⎥⎥ ⎢⎢ n y
.
0 0 ⎥ ⎢ nz
⎥ ⎢
0 1 ⎦ ⎣0
C1ax + S1a y

( az )
S1ax − C1a y
0

ox
oy

ax
ay

oz
0

az
0


oy

ax
ay

oz
0

az
0

px ⎤
p y ⎥⎥
đã biết.
pz ⎥
⎥
1⎦

Cân bằng các phần tử của vế trái và vế phải ta có
⎧C2 = nz (1)
⎫
⎪⎪
⎪⎪
⎨ S1o y + C1ox = 0 ( 2 ) ⎬
⎪
⎪
⎩⎪C2 d3 = pz − d1 ( 3) ⎭⎪

(