Hệ thống điều khiển bám quĩ đạo cho robot hàn tự hành

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
7 
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUĨ ĐẠO CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH 
TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR SELF-PROPELLED WELDING ROBOT 
Nguyễn Mạnh Tiến, Bùi Văn Hạnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Thị Liên Anh 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot hàn đã được quan tâm trong một số năm gần đây nhằm 
mục đích chủ động chế tạo sản phẩm trong nước với giá thành thấp so với ngoại nhập. Ngành đóng 
tàu ở Việt Nam với những bước phát triển mới đòi hỏi sự sử dụng các robot hàn tự hàn. Bài báo trình 
bày một số kết quả nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot hàn tự hành và xây dựng mô hình toán 
học tổng quát của cơ cấu robot hàn tự hành. Với tỉ số truyền hộp truyền lớn,mô hình phân ly cho hệ 
thống truyền động-cơ cấu chuyển động của mô hình robot hàn được xây dựng trên cơ sở coi thành 
phần mô men phi tuyến và ràng buộc của hệ thống chuyển động là nhiễu với chuyển động một khớp; 
xây dựng hệ thống điều khiển hệ thống truyền động với 3 mạch vòng điều khiển và tổng hợp tham số 
các bộ điều khiển dòng điện, tốc đô động cơ và vị trí tay robot dựa trên các tiêu chuẩn tối ưu. Các kết 
quả mô phỏng quĩ đạo chuyển động của cơ cấu robot được minh hoạ. 
ABSTRACT 
A research, design and production of the welding robots have been interested in recent years 
for a purpose of producing them with lower price than the price of imported ones. With new 
developments, the shipbuilding industry in Vietnam has required a large number of self-propelled 
welding robots. This paper introduces some research results of trajectory control system of self-
propelled welding robot for the shipbuilding industry . The paper presents generally mathematical 
model of self- propelled welding robot. With the high gear reduction ratios of the robot mechanism, the 
components of nonlinear interacting term of the robot are treated as disturbance for the single joint. 
On the basis of this, the decoupling model of robot drive system is built. The servo control system with 
three control loops including the motor current and speed loops as well as end-effector position one 
are designed and parameters of the current, speed and position controllers are synthesized based on 
optimal criteria. Some simulation results of self propelled-welding robot trajectories are illustrated. 
I. MỞ ĐẦU 
Robot hàn tự hành đóng vai trò quan 
trọng trong công nghiệp đóng tàu thủy ở Việt 
nam với sự góp phần nâng cao năng suất và 
chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu, thiết kế 
và chế tạo robot hàn tự hành đã và đang được 
thực hiện nhằm tạo cơ sở cho chế tạo trong 
nước robot hàn đáp ứng nhu cầu công nghiệp 
đóng tàu ở Việt nam với chất lượng cao, giá 
thành thấp so với ngoại nhập. 
Bài báo sẽ trình bày một số kết quả 
nghiên cứu về hệ thống điều khiển của robot 
hàn tự hành. Dựa vào hệ thống cơ khí của robot 
hàn tự hành, sẽ xây dựng mô hình toán học tổng 
quát cơ cấu robot hàn. Cơ cấu robot có tỉ số 
truyền bộ truyền khá lớn, ảnh hưởng ràng buộc 
giữa các khớp và tính phi tuyến của hệ thống 
chuyển động nhỏ. Trên cơ sở đó, sẽ xây dựng 
mô hình toán học độc lập cho một khớp robot, 
khi coi thành phần mô men phi tuyến ràng buộc 
của hệ thống chuyển động robot là tín hiệu 
nhiễu tải đối với chuyển động một khớp. Hệ 
thống điều khiển chuyển động một khớp được 
thiết kế với 3 mạch vòng điều khiển dòng điện, 
tốc độ động cơ và vị trí đầu hàn. Hệ thống điều 
khiển đơn giản, dễ thực hiện trong thực tế do 
các bộ điều khiển chuyển động của khớp có thể 
được thiết kế độc lập, không phụ thuộc vào 
tham số các khớp lân cận đảm bảo độ chính xác 
di chuyển của đầu hàn theo yêu cầu công nghệ 
hàn. 
Bài báo gồm 4 mục : Mô hình cơ cấu 
robot hàn tự hành , mô hình toán học cơ cấu 
robot , hệ thống điều khiển độc lập một khớp; 
và kết quả mô phỏng quá trình robot di chuyển 
theo quĩ đạo hàn đặt trước. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
8 
II. CƠ CẤU ROBOT TỰ HÀNH 
Robot hàn tự hành với cơ cấu di chuyển 
bao gồm 4 trục với các chuyển động để hàn các 
mối hàn leo giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ 
tàu thuỷ như mô tả trên hình 1 và hình 2 là ảnh 
cơ cấu robot hàn tự hành. 
Trục thứ nhất di chuyển đầu hàn theo 
trục y, trục thứ hai di chuyển đầu hàn theo trục 
x, trục thứ ba di chuyển đầu hàn theo trục z có 
phương vuông góc với thân tàu , trục thứ tư có 
chức năng lắc đầu hàn ngang đường hàn theo 
độ rộng cần thiết đường hàn. Trong đó 3 
chuyển động theo các trục x,y,z được phối hợp 
để tạo thành quỹ đạo chuyển động của đầu hàn 
bám theo mép hàn trên thân tàu. 
Hình 1. Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành 
Hình 2. Hình ảnh cơ cấu robot hàn tự hành 
III. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT 
Hình 3 mô tả hệ toạ độ và các thông số 
của cơ cấu robot. Coi khối lượng thanh nối 
robot tập trung tại các điểm cuối các thanh nối 
tương ứng. 
x 
y 
z 
h1 
h2 
-z 
y 
-x 
m1 
m2 
m3 
Hình 3. Mô tả động học cơ cấu robot 
Trên hình 4 mô tả cơ cấu chuyển động 
của một khớp robot hàn. Động cơ Đ là động cơ 
secvo xoay chiều được cấp điện từ bộ Điều 
khiển secvo (ĐKSV) sẽ truyền chuyển động 
cho trục vít TV thông qua bộ truyền lực, cơ cấu 
khớp robot chuyển động tịnh tiến với tốc độ Vs 
nhờ hệ thống trục vít với bước răng So. 
TL Đ ĐKSV 
iTL iTV 
 TV 
VS 
TV * 
Khớp RB 
Hình 4 . Cơ cấu chuyển động của khớp robot 
Phương trình động lực học của cơ cấu 
robot hàn tự hành được viết ở dạng tổng quát 
[1, 2] như sau : 
)q(G)q,q(Vq)q(HM   (1) 
với các ma trận thành phần có dạng : 
T
3
3
321
32
]z,y,x[q
gm
0
0
)q(G;0)q,q(V
m00
0mmm0
00mm
)q(H

























 
m1, m2, m3 : Tương ứng là khối lượng các thanh 
nối 1, 2, 3. 
x 
y 
Xe Robot 
hàn 
Đường ray 
 dẫn hướng 
Mép hàn 
z 
y 
Tay Robot hàn 
Đầu mỏ hàn 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
9 
Động cơ truyền động các khớp cơ cấu 
robot là các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh 
cửu. Theo [3], phương trình điện áp stato động 
cơ khớp i được viết ở dạng : 
pisi
si
sisisisi j
dt
id
LiRu  (2) 
Ở chế độ điều khiển góc mô men  duy 
trì 90
o, mô men động cơ khớp i được viết ở 
dạng: 
simiqsipipDi IKIp
2
3
M  (3) 
Phương trình điện áp stato (2) được viết 
ở dạng toán tử laplace: 
)p()p(I)pT1(R)p(U sipisisisisi  (4) 
Từ (4) dòng điện Isi được xác định theo : 
)pT1(R
)p()p(U
sisi
sipisi


siI (5) 
Từ (1), phương trình mô men một khớp 
robot hàn được viết ở dạng : 
)q(GqHM iiiii   (6) 
Thành phần Hii có thể viết tách thành hai 
thành phần : 
 iioiiii HHH  (7) 
Trong đó: Hoii – Thành phần chỉ chứa các 
hằng số khớp i. 
 Hii – Thành phần chứa các 
hằng số khớp khác i và biến khớp. 
Khi đó (6) được viết ở dạng : 
 )q(GqHqHM iiiiioiii   (8) 
Thành phần đầu của mô men khớp (8) chỉ 
phụ thuộc vào tham số hằng số khớp i, thành 
phần thứ hai biểu thị sự ràng buộc giữa các 
khớp và sự phi tuyến của robot. 
Mô men khớp robot qui đổi về trục động 
cơ ở dạng toán tử laplace có dạng : 
  )q(G)p(qpH)p(qpHK)p(M ii2iii2oiigi'i 
 (9) 
)pT1(R
K
sisi
mi

i
gi
J
K

p
1
p
1
_ 
 _ 
Usi 
Mci 
iq 
iq 
iq 
gi
pi
K

(-) 
(-) 
Hình 5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động 
khớp robot 
Mô hình toán học cơ cấu động cơ – robot 
của một khớp được mô tả bằng các phương 
trình (3), (5) và (9) được trình bày trên hình 5. 
Trên sơ đồ hình 5 : 
)]q(Gq[KMM iiiigioici   - Mô men 
cản hệ truyền động khớp i. 
Moi - Mô men tổn hao trong hộp truyền 
i
i
gi
v
K

 - Hệ số truyền từ trục vít về trục 
động cơ. 
oii
2
giDii HKJJ  - Mô men quán tính tổng qui 
đổi về trục động cơ 
vi - Tốc độ của thanh nối robot (mm/s). 
i- Tốc độ quay động cơ. 
JDi – Mô men quán tính động cơ khớp (Kgm
2
) 
Mô men cản biểu thị sự ràng buộc phi 
tuyến giữa các khớp. Do hộp giảm tốc của các 
khớp robot hàn có giá trị lớn, nên hệ số truyền 
kgi nhỏ, có thể coi thành phần mô men biểu thị 
sự ràng buộc giữa các khớp là thành phần nhiễu 
của khớp i. Như vậy mô hình robot sẽ gồm 3 
hệ thống độc lập nhau. Điều đó cho phép dễ 
dàng tổng hợp hệ thống điều khiển các khớp. 
IV. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT KHỚP 
Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi điển 
hình cho một khớp được thiết kế có dạng như 
hình 6. Hệ thống điều khiển gồm 3 mạch vòng 
điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí khớp với 
3 bộ điều khiển tương ứng là RI(p), R(p) và 
Rp(p). Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện, tốc độ 
được tổng hợp theo các tiêu chuẩn tối ưu có 
dạng: 
oIoI
s
I
TK2
pT1
)p(R

 ; 





oo
o
TK2
pT41
)p(R 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
10 
oPoP
P
TK2
1
)p(R  (10) 
Trong đó : Ts=Ls/Rs- Hằng số thời gian stato. 
KoI , Ko, KoP – Tương ứng là hệ số 
khuếch đại hệ hở mạch vòng dòng điện, tốc độ 
và vị trí. 
Hình 6. Sơ đồ hệ thống điều khiển cho một khớp 


 
KKR Is
gP
oPo
iB
oI
KK
K;
J
K
K;
KK
K
ToI , To, ToP – Tương ứng là hằng số thời gian 
nhỏ của mạch vòng dòng điện, tốc độ động cơ 
và vị trí đầu hàn robot : 
ToI = TB + TI ; To = 2ToI + T ; ToP = 2To +TP 
Tham số các bộ điều chỉnh các hệ thống 
điều khiển khớp được tính toán theo các thông 
số của từng khớp. 
Bảng 1 liệt kê các biểu thức tính các thông 
số của các khớp robot hàn tự động. Giá trị các 
thông số cơ cấu chuyển động các khớp được 
trình bày ở phần phụ lục. 
Bảng 1. Các biểu thức tính toán thông số khớp 
K Kg J Mc 
1 
TL
1o
i2
S
Jd1 x)mm(KM 32
2
2g1o

2 
TL
br
i
R
 2
2
2g2d mKJ 
y)mm(KM 12
2
2g2o

3 
TL
2o
i2
S
 3
2
3g3d mKJ 
gmKM 3
2
3g3o  
V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
 Robot hàn được mô phỏng khi thực 
hiện chuyển động đầu hàn theo quĩ đạo hình sin 
dọc theo trục x, z từ vị trí ban đầu A(xo,yo,zo) 
đến vị trí B(xc,yc,zc) với tốc độ hàn đặt trứơc. 
Thông số mô phỏng được trình bày ở phần phụ 
lục. Kết quả mô phỏng được trình bày trên hình 
7 và 8. Hình 7, 8 là quĩ đạo chuyển động của 
đầu hàn trong mặt phẳng xy và zy. Trên đồ thị 
hình 7, 8 đường nét đứt là quĩ đạo đặt, đường 
nét liền là quĩ đạo di chuyển của đầu hàn. Hình 
9 trình bày sai lệch vị trí dọc theo các trục x, y, 
z. 
Nhận xét : quĩ đạo di chuyển của đầu hàn 
bám khá chính xác quĩ đạo đặt, chỉ khác quĩ đạo 
đặt ở khoảng di chuyển đầu do quá trình quá 
độ. 
Hình 7 . Quĩ đạo di chuyển của đầu hàn trong 
mặt phẳng xy 
+ Đường nét đứt là quĩ đạo đặt 
+ Đường nét liền là quĩ đạo thực 
)pT1(
K
pi
pi

_ 
_ 
Us 
pi 
RIi(p) Ri(p
) 
Rpi(p) 
(-) 
Ii 
_ _ _ i
J
1

)pT1(
R/1
si
si

(-) (-) (-) (-) 
iq 
Diq 
Diq 
*
iq 
)pT1(
K
Bi
Bi

)pT1(
K
i
i



p
K gi 
p
1 
)pT1(
K
Ii
Ii

ciM 
Kmi 
P
Pi 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
11 
Hình 8 . Quĩ đạo di chuyển của đầu hàn trong 
mặt phẳng zy: 
+ Đường nét đứt là quĩ đạo đặt 
+ Đường nét liền là quĩ đạo thực 
Hình 9. Sai lệch chuyển động dọc theo các trục 
x,y,z 
VI. KẾT LUẬN 
Với mô hình toán học độc lập của khớp, 
hệ thống điều khiển phân ly với 3 mạch vòng 
điều khiển cho từng khớp robot hàn tự hành đã 
đảm bảo độ chính xác di chuyển cao theo quĩ 
đạo đặt. Hệ thống điều khiển được đề xuất đơn 
giản, khối lượng tính toán nhỏ và dễ thực hiện 
bằng các thiết bị điều khiển servo trong thực tế. 
PHỤ LỤC 
Bảng 2. Tham số cơ khí của robot 
Trục m(kg) iTL So (mm/vg) 
X 6.0 100 2,5 
Y 5.0 100 Rbr=14 mm 
Z 2.5 100 2,5 
Bảng 3. Tham số động cơ điện 
Trục 
P 
(W
) 
n 
(vg/p
h) 
Jd 
(kgm
2
) 
Km 
(Nm/A) 
Ke 
(V/1/s) 
X 100 3000 0.67.10
-4 
0.32 0.21 
Y 100 3000 0.67.10
-4 
0.32 0.21 
Z 50 3000 0.42.10
-4 
0.16 0.08 
Bảng 4. Tham số Bộ điều chỉnh 
Trục Tham 
số 
Dòng 
điện 
Tốc độ Vị trí 
X 
Kr 3.3733 0.067 9666 
Tr(s) 0.0223 1.3 
Y 
Kr 3.3733 4.9034 137.36 
Tr(s) 0.0223 1.3 
Z 
Kr 2.1191 0.0163 4833 
Tr (s) 0.007 1.3 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Nguyễn Mạnh Tiến; Báo cáo chuyên đề Đề tài cấp nhà nước KC.03.06/06-10: Nghiên cứu thiết kế 
và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt nam. 5/2009. 
2. Nguyễn Mạnh Tiến ; Điều khiển robot công nghiệp; Nhà xuất bản KHKT, 2007. 
3. Nguyễn Phùng Quang; Truyền động điện thông minh; Nhà xuất bản KHKT, 2002 
Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Mạnh Tiến - Tel: 0913.007.584, Email: tiennm@mail.hut.edu.vn 
 Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Số 1, Đại Cồ Việt, Hà Nội