i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ THU HẰNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THEO ĐẠI SỐ GIA TỬ
CHO ROBOT 2 BẬC TỰ DO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA CHUYÊN MÔN
TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2018


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Thu Hằng
Sinh ngày: 25/8/1991
Học viên lớp cao học Khóa 18 – Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa – Trường
Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.
Khoa sau đại học, các thầy giáo, cô giáo trong khoa Điện - Trường đại
học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình
học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm động viên,
giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.


iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................ iii
MỤC LỤC .................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................... vi
DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT .................................................... vi
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài. ..................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................ 2
3. Đối tượng nghiên cứu. .............................................................................. 2
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài.......................................... 2
4.1. Ý nghĩa khoa học. .................................................................................. 2
4.2. Ý nghĩa thực tiễn. .................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 3
1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................... 3
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng ...................................................... 7
1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp .................................................. 7
1.4. Kết cấu tay máy. .................................................................................... 8
1.5. Động học robot. ................................................................................... 11
1.5.1. Bảng thông số DH. ........................................................................... 12

3.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự do .......................... 57
3.4.1. Định nghĩa các tập mờ đầu vào và đầu ra.......................................... 58
3.4.2. Xây dựng luật điều khiển .................................................................. 59
3.4.3. Chọn luật hợp thành và phương pháp giải mờ................................... 60
3.4.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 61
3.5. Xây dựng bộ điều khiển trên nền đại số gia tử ..................................... 62
3.6. Kết luận chương 3 ............................................................................... 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 69


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Tay máy kiểu tọa độ Đề các.......................................................

8

Hình 1.2.

Tay máy kiểu tọa độ trụ.............................................................

9

Hình 1.3.

Tay máy kiểu tọa độ cầu............................................................


16

Hình 1.9.

Hệ tọa độ robot 2 bậc tự do........................................................

16

Hình 2.1.

Phép “and” được thực hiện theo công thức min........................

26

Hình 2.2.

Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ.........................................

27

Hình 2.3.

Sơ đồ hệ thống với bộ điều khiển mờ........................................

29

Hình 2.4.

Độ đo tính mờ của các phần tử sinh...........................................


45

Hình 3.1.

Sơ đồ khối hệ điều khiển tay máy 2 bậc tự do...........................

48

Hình 3.2.

Cấu trúc khối động cơ khớp 1....................................................

49

Hình 3.3.

Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều......................................

51

Hình 3.4.

Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện...................................

51

Hình 3.5.

Sơ đồ thu gọn của mạch vòng điện...........................................


Hình 3.10.

Sơ đồ mô phỏng khớp 1 của tay máy.........................................

56

Hình 3.11.

Sơ đồ mô phỏng khớp 2 của tay máy.........................................

57

Hình 3. 12.

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ..................................................

57

Hình 3. 13.

Các hàm liên thuộc đầu vào 1....................................................

58

Hình 3. 14.

Các hàm liên thuộc đầu vào 2 (sau khi hiệu chỉnh)...................

58


Hình 3.20.

Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử..................

62

Hình 3.21.

Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy sử dụng đại số
gia tử...........................................................................................

Hình 3.22.

Đáp ứng quá độ của tay máy khi điều khiển bằng đai số gia
tử................................................................................................

Hình 3.23.

65

65

So sánh đáp ứng quá độ của hệ thống đối với bộ điều khiển
mờ và bộ điều khiển đại số gia tử..............................................

66


viii


điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi,
điều khiển mờ, mạng nơron,…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ
điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản
xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng
dụng hệ mờ để điều khiển đối tượng phi tuyến. Trong đề tài này, tác giả
nghiên cứu về: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc
tự do”. Sau đề tài nghiên cứu này, sẽ thiết kế được một bộ điều khiển để điều


2

khiển robot 2 bậc tự do theo dạng điều khiển hiện đại, tính toán và thiết kế bộ
điều khiển trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do, đảm bảo điều khiển
các chuyển động của robot một cách chính xác.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo
đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tính toán thiết kế bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử cho robot 2
bậc tự do; kiểm tra kết quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm..
3. Đối tượng nghiên cứu.
- Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ trên nền đại số gia tử.
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
4.1. Ý nghĩa khoa học.
Bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử giống như một công cụ điều
khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý
nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến.
Đề tài này đề cập đến ứng dụng mờ trên nền đại số gia tử trong việc
điều khiển đối tượng phi tuyết đặc biệt là điều khiển robot.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn.

cách mạng công nghiệp, một số phát minh cơ khí khác trong lĩnh vực dệt.


4

Một số điểm mốc của lịch sử phát triển công nghệ robot
Thời gian
Giữa thế

Sự kiện quan trọng
J.de Vancanson chế tạo được một con búp bê cơ khí đánh nhạc

kỉ 17
1801

J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình

1805

H.Maillader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh

1892

S.Babbitt (Mỹ) đã thiết kế một cần trục truyền động động cơ có cơ
cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung

1938

W.Pollard và H. Roselund (Mỹ) đã thiết kế một cơ cấu phun sơn
lập trình do công ty DeVibiss

(Robot Unimate) trong dây chuyền sản xuất.


5

Thời gian

Sự kiện quan trọng

1966

Công ty robitTrallfa (Nauy) lắp đặt robot phun sơn

1968

Robot di chuyển “Shakey” được chế tạo tại Viện Nghiên Cứu
Stanford (Mỹ). Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp xúc,
máy ảnh, có thể di chuyển trên mặt sàn

1970

Tay máy Stanford là robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo
ở Đại học Stanford (Mỹ)

1971

Hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản (JIRA) bắt đầu đề xuất sử
dụng robot trong công nghiệp Nhật Bản.

1973

6

Thời gian

Sự kiện quan trọng

1979

Robot công nghiệp bắt đầu một thời kì phát triển nhanh chóng, với
các robot mới

1980

Robot truyền động trực tiếp (DDR) được sáng chế ở trường Đại
học Carnegie – Mellon.

1981

Hãng máy tính IBM chế tạo Robot RS – 1 cho lắp ráp

1982

Một số hệ thống lập trình “OFF – line” được trình diễn cho robot

1986

Ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung vào tích hợp
robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt (FMS) và hệ thống
CIM


sản phẩm trong các máy gia công bánh rang, máy khoan, máy tiện bán tự động.
1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Robot công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:
+ Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo thành các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh
hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo thành chuyển động cho các khâu cổ tay máy,
động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành.
+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và cá thiết bị chuyển đổi tín
hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng
thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến bên ngoài để nhận
biết trạng thái của môi trường.
+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều
khiển hoạt động của robot.


8

1.4. Kết cấu tay máy
Tay máy là một phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot
công nghiệp, đó là thiết bị bảo đảm cho robot khả năng làm việc như nâng hạ
vật. Ban đầu con người chế tạo tay máy phỏng theo tay người. Còn hiện nay,
tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người. Tuy nhiên, vẫn sử dụng
thuật ngữ như: Vai, cánh tay, cổ tay và các khớp để chỉ các bộ phận của nó.
Trong thiết kế tay máy, người ta quan tâm đến các thông số ảnh hưởng khả
năng làm việc.
- Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay.
- Tầm với của vùng làm việc.
- Khả năng định vị, định hướng phần công tác.
Chúng có đặc điểm sau:



10

các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài
toán phẳng, ưu điểm nổi bật của loại robot hoạt động theo hệ góc là gọn nhẹ,
tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ
linh hoạt cao.

Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc
+ Tay máy kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời nă, 1979 tại trường đại
học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng
của quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là chữ viết tắt của “Selective
Complaint Articulated Robot Arm” – Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này
thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là
“Selective Complaince Articulated Robot Arm”. Ba khớp đầu tiên của Robot
này có cấy hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng . Sơ đồ
robot SCARA hình 1.5

Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA


11

1.5. Động học robot
Trong mô phỏng robot, phân tích hệ thống là cần thiết như phân tích
động học, mục đich là mang lạu những hiểu biết của những chuyển động của
từng phần cơ khí robot và mối quan hệ giữa chúng. Phân tích động học được
chia thành động học thuận và động học ngược. Động học thuận bao gồm tìm
ra vị trí trong không gian chuyển động của các khớp là F(1, 2,….., n)=

các thông số ở bước 2.
Trường hợp đang xét ở đây là khớp quay thì i là biến, còn di =const.
Bảng thông số D-H như sau:


13

Bảng 1.1.
Khâu Khớp nối

i

i

di

ai

1

0-1

1

1

d1

a1


n

(n-1)-n

n

…… ……

j

dj

aj

…… ……

n

……

dn

……
an

Dựa vào bảng thông số D-H, mỗi ma trận chuyển đổi thuần nhất Ai
được trình bày như là tích của 4 chuyển đổi cơ bản sử dụng thông số của khâu
i và khớp nối
(i-1 và i).
Ai  Rot ( z,i )Trans( z, di ) Rot ( x, ai )

0
1 0 0  0 cai  sai
0 1 0  0 sai cai

0 0 1  0 0
0

0
0 
0

1


14

c i  s i cai s i sai ai c i 
s
c i cai c i sai ai sai 
i

Ai 
0
sai
cai
di 


0
0

Vectơ 𝑝⃗ có kích thước 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của gốc
tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ tọa độ gốc.
1.6. Động lực học robot
Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần thiết khi phân tích
cũng như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Việc nghiên cứu động
lực học robot thường giải hai nhiệm vụ sau đây:
- Xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động.
Khi đó quy luật biến đổi của biến khớp qi(t) coi như đã biết. Việc tính toán
lực trong cơ cấu tay máy là rất cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra
độ bền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy của robot.
- Xác định các sai số động tức là sai lệch so với quy luật chuyển động
theo chương trình. Lúc này, cần khảo sát phương trình chuyển động của robot
có đặc tính động lực của động cơ và các khâu.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot, nhưng thường
gặp hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là dùng phương trình
Lagrange – Euler. Đối với các khâu khớp của robot, với các nguồn lực và
kênh điều khiển riêng biệt, không thể bỏ qua các hiệu ứng trọng trường
(gravity effect), quán tính (initial), tương hỗ (coriolis), ly tâm (centripetal)….
Mà những khía cạnh này chưa được xét đầy đủ trong cơ học cổ điển, cơ học
Lagrange nghiên cứu các vấn đền nêu trên như một hệ thống khép kín nên đây
là nguyên lý cơ học thích hợp đối với các bài toán động lực học robot.
Xét khâu thứ i của robot có n khâu
1.6.1. Hàm Lagrange
Một điểm trên khâu thứ i được mô tả trong hệ tọa độ cơ bản là:


16

r  Ti i ; i  1  n



a1n  n

aii

i 1
amn 

Do vậy

 i i Ti i i T TiT

 d i d Ti T 
r  Tr  rr   Tr  Ti r Ti r   Tr 
rr
q j qk  (1.8)
dt
qk
 dt

 j 1 k 1 q j

2

T

Động năng của vi khối lượng dm đặt tại vị trí ir trên khâu thứ i.


17


dK 

Khaui

 i i T
1
i
Tr  
2
 j 1 k 1 q j


  i rdm i r T
 Khau i



 Ti T
q j qk 

 qk



 i i Ti

1
Ti T
 Tr  


Trong đó vectơ gia tốc trọng trường được biểu diễn dưới dạng:

g   g x

gy

gz

0  0 9,8 0 0
T

T

Thế năng của robot có n khâu được tính:
n

P   Pi
i 1

(1.13)