Thiết kế mô hình và các bộ điều khiển đồng bộ cho robot song song 4 bậc tự do

HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO ROBOT SONG SONG 4 BẬC TỰ DO Ngành: Công nghệ Kỹ t

ĐỒNG BỘ CHO ROBOT SONG SONG 4 BẬC TỰ DO

NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

S K L 0 0 9 3 1 2

THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

GVHD: TS.TRẦN ĐỨC THIỆN SVTH: NGUYỄN THANH NHÃ NGUYỄN PHI LONG MAI VĂN PHỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

GVHD: TS Trần Đức Thiện Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thanh Nhã 18151098

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO ROBOT SONG SONG 4 BẬC

TỰ DO Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

GVHD: TS Trần Đức Thiện Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thanh Nhã 18151098

TP HỒ CHÍ MINH – 8/2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện

Sinh viên:

1 Nguyễn Thanh Nhã MSSV: 18151098 Lớp: 18151CL3A

2 Nguyễn Phi Long MSSV: 18151090 Lớp: 18151CL3A

3 Mai Văn Phụng MSSV: 18151224 Lớp: 181511B

1 Tên đề tài:

Thiết kế mô hình và các bộ điều khiển đồng bộ cho robot song song 4 bậc tự

do

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Kích thước dự kiến: 660x660x1000 mm (dài, rộng, cao)

- Khối lượng tối đa mà robot có thể tải được: 1 Kg

3 Nội dung chính của đồ án:

- Thiết kế mô hình robot song song 4 bậc tự do trên phần mềm Solidworks

- Tính toán, thiết kế giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ - PID, điều khiển trượt - SMC và giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ đồng bộ - CPID, điều khiển trượt đồng bộ - CSMC cho robot và chứng minh tính ổn định của hệ thống sử dụng

lý thuyết ổn định Lyapunov

- Thi công mô hình robot dựa trên mô hình 3D đã thiết kế và mô phỏng, thi công tủ điều khiển và thiết kế mạch chuyển đổi điện áp, điều khiển động cơ AC servo chạy với chế độ điều khiển mô-men

tiếp giữa 2 vi điều khiển STM32F407VG

- Xây dựng giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu của robot sử dụng ngôn

ngữ Python

4 Các sản phẩm dự kiến:

- Mô hình robot song song 4 bậc tự do

- Tủ điều khiển

- Chương trình, giao diện điều khiển

- Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Poster giới thiệu đồ án

5 Ngày giao đồ án: 21/ 02/ 2022

6 Ngày nộp đồ án: 06/ 08/ 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện

Sinh viên:

1 Nguyễn Thanh Nhã MSSV: 18151098 Lớp: 18151CL3A

2 Nguyễn Phi Long MSSV: 18151090 Lớp: 18151CL3A

- Thiết kế mô hình trên phần mềm Solidworks

- Tính toán động học cho robot song song 4 bậc tự do

- Chuyển đổi mô hình robot được xây dựng trên Solidworks sang MATLAB Simulink thông qua Simscape Multibody

21/03/2022

(3 tuần)

- Mô phỏng, kiểm chứng kết quả động học

- Tính toán lựa chọn động cơ và các thiết bị

- Thi công mô hình robot song song 4 bậc tự do

11/04/2022

(2 tuần)

- Thiết kế sơ đồ đấu nối mạch động lực

- Thi công tủ điện

25/04/2022

(4 tuần) - Phân tích động lực học

23/05/2022 - Tìm hiểu thư viện Waijung Blockset

- Tìm hiểu cách giao tiếp UART, giao tiếp CAN bus

- Lọc nhiễu encoder (thiết kế mạch lọc nhiễu, vẽ mạch PCB)

- Thiết kế sơ đồ đấu nối mạch điều khiển

13/06/2022

(3 tuần)

- Thiết kế bộ điều khiển PID

- Thiết kế bộ điều khiển PID đồng bộ

- Thiết kế bộ điều khiển trượt

- Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ trượt

04/07/2022

(3 tuần)

- Hoàn thiện tủ điện và mô hình robot

- Thiết kế giao diện điều khiển và thu thập dữ liệu sử dụng ngôn ngữ Python

- Áp dụng các bộ điều khiển vào mô hình thực tế

- Thực nghiệm thu thập dữ liệu, đánh giá kết quả

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -o0o -

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thanh Nhã MSSV: 18151098

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phi Long MSSV: 18151090

Họ và tên sinh viên: Mai Văn Phụng MSSV: 18151224

Tên đề tài: Thiết kế mô hình và các bộ điều khiển đồng bộ cho robot song song

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN

2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

CPID, bộ điều khiển trượt – SMC và bộ điều khiển đồng bộ trượt – CSMC cho robot song song 4 bậc tự do; Chương 6 Mô phỏng kiểm chứng động học trên mô hình Simscape; Chương 7 Thi công mô hình, thực nghiệm và đánh giá kết quả; Chương 8 Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài)

Phần cơ khí và tủ điều khiển được xây dựng để chứng minh tính hiệu quả của các giải thuật điều khiển trên mô hình thực tế

2.3 Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

Vấn đề khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Vấn đề rất khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Tiên chí 2: Tính ứng dụng của đề tài vào thực tiễn (10%)

Khó ứng dụng Thỉnh thoảng có ứng dụng Có ứng dụng Thực tế bên ngoài đang cần

Thực tế bên ngoài đang rất cần và cấp thiết

Tiêu chí 3: Tính đúng đắn của đề tài, phương pháp nghiên cứu hợp lý (10%)

Không hợp lý Có phương pháp nghiên cứu nghiên cứu, định Có phương pháp

hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, định hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, khoa học, phù hợp với đề

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được, kết quả mô phỏng/vận hành tốt

Tiêu chí 5: Trình bày nội dung đồ án (15%)

Nội dung không rõ

Có đủ cấu trúc, nội dung

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học, logic, rõ ràng, dễ hiểu, đúng quy định

về trình bày luận văn

Tiêu chí 6: Khả năng trình bày (10%)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -o0o -

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành CNKT Điều khiển và Tự động hóa

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thanh Nhã MSSV: 18151098

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phi Long MSSV: 18151090

Họ và tên sinh viên: Mai Văn Phụng MSSV: 18151224

Tên đề tài: Thiết kế mô hình và các bộ điều khiển đồng bộ cho robot song song

4 bậc tự do

Giảng viên Hướng dẫn: TS Trần Đức Thiện

Giảng viên Phản biện:

Hội đồng:

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét chung về nội dung đề tài

2 Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh)

Đề nghị: Được bảo vệ:  Bổ sung để được bảo vệ:  Không được bảo vệ: 

5 Điểm đánh giá đề tài theo rubic sau:

Tiêu chí 1: Mức độ thời sự của đề tài, độ khó của đề tài (10%) Điểm

Quá dễ thực hiện nhưng thực tế không Thực hiện được

cần

Vấn đề vừa sức/Cần phải dành thời gian nghiên cứu

Vấn đề khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Vấn đề rất khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp đã học

Tiên chí 2: Tính ứng dụng của đề tài vào thực tiễn (10%)

Khó ứng dụng Thỉnh thoảng có ứng dụng Có ứng dụng Thực tế bên ngoài đang cần

Thực tế bên ngoài đang rất cần và cấp thiết

Tiêu chí 3: Tính đúng đắn của đề tài, phương pháp nghiên cứu hợp lý (10%)

Không hợp lý Có phương pháp nghiên cứu

Có phương pháp nghiên cứu, định hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, định hướng đúng

Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, khoa học, phù hợp với đề

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được

Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực hiện thi công/mô phỏng vận hành được, kết quả mô phỏng/vận hành tốt

Tiêu chí 5: Trình bày nội dung đồ án (15%)

Nội dung không rõ

Có đủ cấu trúc, nội dung

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học

Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học, logic, rõ ràng, dễ hiểu, đúng quy định

về trình bày luận văn

Tiêu chí 6: Khả năng trình bày (10%)

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -o0o -

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm sinh viên xin phép cam kết đề tài này là do nhóm thực hiện dựa vào một

số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Tp.HCM ngày tháng năm 2022

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN



Trong thời đại công nghệ 4.0 với sự phát triển vượt bậc của nền khoa học và công nghệ thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng Việc nghiên cứu khoa học kĩ thuật đóng một vai trò quan trọng trong việc sáng tạo ra những phương pháp nâng cao giúp phát hiện và giải quyết vấn đề một cách tốt nhất Vì vậy, việc áp dụng khoa học kĩ thuật chính là việc tạo ra công nghệ mới với nhiều đặc điểm tối ưu làm nâng cao năng suất lao động, làm việc một cách có hiệu quả nhất và bảo đảm an toàn cho người lao động trong quá trình làm việc Để tạo nền tảng cho bước phát triển trong tương lai, chúng ta cần kế thừa và phát huy hiệu quả những thành tựu của thế hệ trước, mạnh dạn nhìn nhận vấn đề, đề tài chưa có ai thực hiện nghiên cứu hay những đề tài mang tính mới mẻ

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, việc tiếp cận vào nghiên cứu khoa học, nghiên cứu đề tài thực tế, chúng em gặp không ít khó khăn bởi vốn kiến thức, kĩ năng Chính vì thế không thể tránh được những thiếu sót Để đồ án tốt nghiệp này đạt kết quả tốt đẹp, chúng em đã nhận được sự hỗ trợ, giúp đỡ của các Thầy/Cô của trường Đại học Sư Phạm Kĩ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là Thầy TS Trần Đức Thiện đã nhiệt tình hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt Khóa luận tốt nghiệp Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép chúng em được bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả các quý Thầy/Cô đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và nghiên cứu đề tài

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy/Cô thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP v

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP viii

LỜI CAM ĐOAN x

LỜI CẢM ƠN xi

MỤC LỤC xii

DANH MỤC BẢNG xvi

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xxii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước 1

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước 3

1.2 Mục tiêu đề tài 5

1.2.1 Mục đích 5

1.2.2 Mục tiêu 5

1.3 Nội dung nghiên cứu 5

1.4 Giới hạn đề tài 5

1.5 Các công cụ đánh giá 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1 Tổng quan về robot song song 7

2.1.1 Khái niệm robot song song 7

2.1.2 Lịch sử ra đời của robot song song 7

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của robot song song so với robot nối tiếp 8

2.1.4 Ứng dụng của robot song song 9

2.2.1 Khái niệm động cơ AC Servo 10

2.2.2 Cấu tạo của động cơ AC Servo 10

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ AC Servo 11

2.2.4 Các chế độ điều khiển động cơ AC Servo 11

2.3 Lý thuyết giao tiếp CAN Bus 12

2.3.1 Khái niệm mạng CAN 12

2.3.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0 12

2.3.3 Cấu trúc tin nhắn CAN định dạng chuẩn 12

2.3.4 Chuẩn CAN high speed 15

2.4 Lý thuyết bộ điều khiển PID 17

2.5 Lý thuyết bộ điều khiển trượt (Sliding mode control - SMC) 18

2.6 Lý thuyết giải thuật đồng bộ 18

2.7 Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov 19

2.8 Quy hoạch quỹ đạo 19

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SONG SONG SONG 4 BẬC TỰ DO 22

3.1 Thiết kế mô hình robot song song 4 bậc tự do 22

3.1.1 Khung robot 23

3.1.2 Tấm đế trên robot 23

3.1.3 Mặt bích động cơ 24

3.1.4 Mặt bích trục hộp số 24

3.1.5 Khâu 1 (khâu chủ động) 25

3.1.6 Khâu 2 (khâu thụ động) 25

3.1.7 Đế di chuyển không có bậc tự do 26

3.1.8 Đế di chuyển có bậc tự do bên trong 26

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHO ROBOT SONG SONG 4 BẬC TỰ DO 27

4.1 Mô hình động học của robot song song 4 bậc tự do với đế di chuyển không có bậc tự do 27

4.1.1 Bài toán động học robot 28

4.2 Mô hình động học của robot song song 4 bậc tự do với đế di chuyển có bậc tự do bên trong 35

4.3 Bài toán động học robot 36

4.3.1 Động học nghịch 36

4.4 Phân tích và tính toán động lực học 41

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO ROBOT SONG SONG 4 BẬC TỰ DO 45

5.1 Thiết kế bộ điều khiển PID 45

5.2 Thiết kế bộ điều khiển PID đồng bộ 46

5.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt 48

5.4 Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ trượt 50

CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG KIẾM CHỨNG ĐỘNG HỌC TRÊN MÔ HÌNH SIMSCAPE CỦA ROBOT SONG SONG 4 BẬC TỰ DO 53

6.1 Kiểm chứng động học robot song song 4 bậc tự do với đế di chuyển không có bậc tự do 53

6.1.1 Kiểm nghiệm động học nghịch 53

6.1.2 Kiểm nghiệm động học thuận 54

6.1.3 Mô phỏng chuyển động của robot song song trên MATLAB Simulink 55 6.2 Kiểm chứng động học robot song song 4 bậc tự do với đế di chuyển mới có bậc tự do bên trong 58

6.2.1 Kiểm nghiệm động học 58

6.2.2 Mô phỏng chuyển động của robot song song trên MATLAB Simulink 59 CHƯƠNG 7: THI CÔNG MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 63

7.1 Thi công mô hình 63

7.1.1 Tính toán lựa chọn động cơ 63

7.1.2 Lựa chọn thiết bị 67

7.1.3 Thi công mô hình cơ khí 70

7.1.4 Thi công tủ điện 73

7.1.5 Sơ đồ kết nối mạch động lực 74

7.1.6 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển 75

7.2 Chương trình điều khiển 77

7.2.1 Chương trình MATLAB Simulink 81

7.2.2 Giao diện điều khiển 82

7.3 Kết quả thực nghiệm 84

7.3.1 Thực nghiệm kiểm chứng động học nghịch của robot 84

7.3.2 Thực nghiệm các bộ điều khiển 85

7.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 92

7.4.1 Trường hợp không tải 92

7.4.2 Trường hợp có tải 93

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 95

8.1 Kết luận 95

8.2 Hướng phát triển 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 100

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng so sánh robot song song và robot nối tiếp 8

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0 12

Bảng 7.1 Vận tốc của từng khớp 64

Bảng 7.2 Momen của từng khớp 65

Bảng 7.3 Công suất của từng khớp 65

Bảng 7.4 Thông số kĩ thuật động cơ HF-KN43 66

Bảng 7.5 Thông số kĩ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A 67

Bảng 7.6 Bảng thông số kĩ thuật cầu dao Mitsubishi NF30-CS 68

Bảng 7.7 Bảng thông số kĩ thuật của cầu chì Mitsubishi CP30-BA 68

Bảng 7.8 Thông số kĩ thuật Contactor Schneider LC1D09M7 69

Bảng 7.9 Thông số kĩ thuật lọc nhiễu nguồn WYFS20T1AD 69

Bảng 7.10 Thông số kĩ thuật driver MR- JE 40A 70

Bảng 7.11 Bảng kí hiệu trong sơ đồ nối dây mạch động lực 75

Bảng 7.12 Bảng giải thích các kí hiệu trong sơ đồ nối dây mạch điều khiển 77 Bảng 7.13 Sai số trung bình bình phương của sai số bám 93

Bảng 7.14 Sai số trung bình bình phương của sai số đồng bộ 93

Bảng 7.15 Sai số trung bình bình phương của sai số bám 93

Bảng 7.16 Sai số trung bình bình phương của sai số đồng bộ 94

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Rạp chiếu phim được đề xuất bởi J E Gwinnet 7

Hình 2.2 Cơ cấu Gough Platform thử độ mòn lốp máy bay 7

Hình 2.3 Steward Platform 8

Hình 2.4 Robot song song gắp thả vật 9

Hình 2.5 Robot song song ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm 9

Hình 2.6 Surgiscope dùng để nâng giữ kính hiển vi 10

Hình 2.7 Cấu tạo động cơ A C servo 10

Hình 2.8 Data frame tiêu chuẩn 13

Hình 2.9 Remote frame dạng chuẩn 14

Hình 2.10 Error frame 15

Hình 2.11 Overload frame 15

Hình 2.12 Kết nối của Node đến CAN bus 16

Hình 2.13 So sánh tín hiệu TTL và điện áp vi sai 16

Hình 2.14 Cấu trúc bộ điều khiển PID 17

Hình 2.15 Mô tả hoạt động của bộ điều khiển trượt 18

Hình 2.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đồng bộ vị trí nhiều trục chuyển động 18

Hình 3.1 Mô hình 3D robot song song 4 bậc tự do a) Góc nhìn từ góc trên xuống; b) Góc nhìn từ ngoài vào; c) Góc nhìn từ trên xuống; d) Góc nhìn từ dưới lên 22

Hình 3.2 Mô hình 3D khung robot 23

Hình 3.3 Mô hình 3D tấm đế trên robot 23

Hình 3.4 Mô hình 3D mặt bích động cơ 24

Hình 3.5 Mô hình 3D mặt bích trục động cơ 24

Hình 3.6 a) Mô hình 3D khâu 1; b) Mô hình 3D thanh truyền động; c) Mô hình 3D vòng trong khớp cầu 25

Hình 3.7 a) Mô hình 3D khâu 2; b) Mô hình 3D vòng ngoài khớp cầu; c) Mô

hình 3D thanh cacbon đặc 25

Hình 3.8 Mô hình 3D đế di chuyển không có bậc tự do 26

Hình 3.9 Mô hình 3D đế di chuyển có bậc tự do bên trong 26

Hình 4.1 Robot song song 4 bậc tự do 27

Hình 4.2 Cấu trúc hình học của một chuỗi động học 28

Hình 4.3 Biểu diễn véc-tơ tịnh tiến A A i i' 29

Hình 4.4 Biểu diễn các véc-tơ tịnh tiến A A i i' ở góc nhìn từ trên xuống 29

Hình 4.5 Mô hình chiếu từ Oxz đến Oyz của cánh tay thứ i 31

Hình 4.6 Không gian làm việc của robot song song 4 bậc tự do trong a) Không gian 3 chiều XYZ; Không gian 2 chiều b) XY; c) XZ; d) YZ 34

Hình 4.7 Robot song song 4 DoF 35

Hình 4.8 Hệ tọa độ của robot tại tâm của đế trên cố định 36

Hình 4.9 Cấu trúc hình học của một chuỗi động học 36

Hình 4.10 Hệ tọa độ của đế di chuyển và các kích thước đặc trưng 37

Hình 4.11 Cánh tay của robot 41

Hình 4.12 Đế di chyển có bậc tự do bên trong của robot 41

Hình 5.1 Mô hình điều khiển PID cho robot song song 4 bậc tự do 45

Hình 5.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 45

Hình 5.3 Mô hình bộ điều khiển PID đồng bộ cho robot song song 4 bậc tự do 46

Hình 5.4 Mô hình bộ điều khiển trượt cho robot song song 4 bậc tự do 48

Hình 5.5 Mô hình bộ điều khiển đồng bộ trượt cho robot song song 4 bậc tự do 50

Hình 6.1 Sơ đồ mô phỏng động học nghịch trường hợp 1 53

Hình 6.2 Sơ đồ mô phỏng động học nghịch trường hợp 2 53

Hình 6.3 Sơ đồ mô phỏng động học trường hợp 1 54

Hình 6.5 Mô phỏng chuyển động của robot trên mô hình Simscape 55Hình 6.6 Mô hình chuyển đổi từ Solidworks sang MATLAB Simulink 55Hình 6.7 Khối quy hoạch quỹ đạo hình tròn 56Hình 6.8 Vẽ đường tròn trong không gian a) 2 chiều XY; b) 3 chiều XYZ 56Hình 6.9 Tín hiệu đặt và đáp ứng các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2 56Hình 6.10 Tín hiệu đặt và đáp ứng các khớp c) Khớp 3; d) Khớp 4 57Hình 6.11 Sai số giữa tín hiệu đặt và đáp ứng của các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 57

Hình 6.12 Sơ đồ mô phỏng động học trường hợp 1 58Hình 6.13 Mô hình Simscape đáp ứng giá trị đặt của trường hợp 1 58Hình 6.14 Sơ đồ mô phỏng động học trường hợp 2 59Hình 6.15 Mô hình Simscape đáp ứng giá trị đặt của trường hợp 2 59Hình 6.16 Mô phỏng chuyển động của robot trên mô hình Simscape 59Hình 6.17 Mô hình chuyển đổi từ Solidworks sang Matlab Simulink 60Hình 6.18 Khối quy hoạch quỹ đạo đường tròn 60Hình 6.19 Vẽ đường tròn trong không gian a) 2 chiều XY; b) 3 chiều XYZ 60Hình 6.20 Tín hiệu đặt và đáp ứng các góc khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 61

Hình 6.21 Sai số giữa tín hiệu đặt và đáp ứng của các góc khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2 61

Hình 6.22 Sai số giữa tín hiệu đặt và đáp ứng của các góc khớp c) Khớp 3; d) Khớp 4 62

Hình 7.1 Lưu đồ tính toán lựa chọn động cơ 63Hình 7.2 Vận tốc tại các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 64

Hình 7.3 Momen tại các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 65

Hình 7.4 a) Động cơ HF-KN43; b) Bản vẽ kích thước động cơ HF-KN43 66Hình 7.5 Hộp số APEX AB060A 66

Hình 7.6 Nguồn tổ ong 24V 5A 67Hình 7.7 Cầu dao Mitsubishi NF30-CS 67Hình 7.8 Cầu chì Mitsubishi CP30-BA 68Hình 7.9 Contactor Schneider LC1D09M7 68Hình 7.10 Lọc nhiễu nguồn WYFS20T1AD 69Hình 7.11 Driver Mitsubishi MR- JE 40A 69Hình 7.12 Bản vẽ AutoCad tấm đế trên robot 70Hình 7.13 Bản vẽ AutoCad mặt bích động cơ 71Hình 7.14 Bản vẽ AutoCad mặt bích trục hộp số 71Hình 7.15 Bản vẽ AutoCad thanh truyền động 72Hình 7.16 Bản vẽ AutoCad đế di chuyển phần 1 72Hình 7.17 Bản vẽ AutoCad đế di chuyển phần 2 73Hình 7.18 Mô hình robot song song hoàn thiện 73Hình 7.19 Sơ đồ nối dây mạch động lực 1 74Hình 7.20 Sơ đồ nối dây mạch động lực 2 74Hình 7.21 Sơ đồ tổng quát hệ thống 75Hình 7.22 Sơ đồ nối dây khối mạch điều khiển 75Hình 7.23 Sơ đồ kết nối giữa Terminal block và Servo Amplifier 76Hình 7.24 Sơ đồ nguyên lí mạch lọc nhiễu 76Hình 7.25 Mô hình 3D mạch đệm và khuếch đại điện áp 76Hình 7.26 Bố trí các thiết bị trong tủ điện thực tế 77Hình 7.27 Lưu đồ chương trình vi điều khiển chính 78Hình 7.28 Lưu đồ chương trình đọc và xử lý tín hiệu Encoder 79Hình 7.29 Lưu đồ chương trình đọc và xử lý tín hiệu UART 79Hình 7.30 Chương trình của vi điều khiển thứ 2 80Hình 7.31 Chương trình điều khiển của vi điều khiển thứ nhất (vi điều khiển chính) 81

Hình 7.32 Chương trình của vi điều khiển thứ 2 81Hình 7.33 Màn hình thứ nhất 82Hình 7.34 Màn hình thứ hai 82Hình 7.35 Màn hình thứ ba 83Hình 7.36 Màn hình thứ tư 83Hình 7.37 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống 84Hình 7.38 Bàn cờ 64 ô 85Hình 7.39 Tọa độ robot trên thực tế 85Hình 7.40 Tín hiệu đặt và tín hiệu đáp ứng các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 86

Hình 7.41 Sai số bám quỹ đạo các khớp a) Khớp 1; b) Khớp 2; c) Khớp 3; d) Khớp 4 87

Hình 7.42 Sai số đồng bộ của các bộ điều khiển a) Khớp 1 và khớp 2; b) Khớp

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PID Proportional Integral Derivative Vi tích phân tỷ lệ

PD Proportional Derivative Vi phân tỷ lệ

CPID Cross - coupling Proportional Integral

SMC Sliding mode control Điều khiển trượt

CSMC Cross - coupling Sliding mode control Đồng bộ trượt

VISS Vibration, Isolation, Suppression and

Steering System

Hệ thống rung, cách ly, triệt tiêu và lái

MATLAB Matrix Laboratory

UART Universal Asynchronous Receiver-Transmitter Truyền bất đồng bộ

CAN Controller Area Network Công nghệ mạng nối tiếp CAN FD Controller Area Network Flexible Data Mạng vùng điều khiển dữ liệu linh hoạt CAN_H Controller Area Network High Mạng vùng điều khiển cao CAN_L Controller Area Network Low Mạng vùng điều khiển thấp

SOF Start of Frame Field Trường bắt đầu khung

RTR Remote Transmission Request Bit RTR

IDE Identifier Extension Bit IDE

CRC Cyclic Redundancy Check Trường kiểm tra

LSPB Linear Segment with Parabolic Blend Phân đoạn tuyến tính với hỗn hợp Parabol

RMSE Root Mean Square error Sai số trung bình bình

phương ASEAN 6 Association of South East Asian Nations Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á ANFIS Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System Điều khiển mờ kết hợp mạng nơ-ron

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độ chính xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người, …Tuy nhiên, loại robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong các lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng không cao, độ cứng vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo Vì vậy để khắc phục phần nào các nhược điểm trên, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã tạo ra một loại robot mới, đó là robot (hay còn gọi là tay máy) song song

Với nền tảng khoa học về robot đã hình thành từ lâu đời và sự phát triển vượt bậc về mặt công nghệ nên lĩnh vực robot song song (Parallel robot) được phát triển một cách nhanh chóng Từ đó, nhiều mô hình cấu trúc song song từ đơn giản đến phức tạp được hình thành, nhiều kiểu dáng mới với số bậc tự do ngày càng tăng và nhiều sự cải tiến nhằm mục đích thực hiện hiệu quả các tác vụ trong thực tế Tuy nhiên, robot song song là một cấu trúc chuỗi kín, đế cố định được nối với đế di chuyển thông qua các chuỗi động học nối tiếp dẫn đến sự ràng buộc về cấu trúc hình học và hình thành các điểm kì dị trong không gian hoạt động của robot Vì thế, vấn đề điều khiển robot và vấn đề kiểm soát cấu hình kì dị thì ngày càng thu hút nhiều nhà nghiên cứu nhằm nâng cao thế mạnh của chúng Một số công trình nghiên cứu gần đây đã được công bố, có thể kể đến như nghiên cứu cải thiện hiệu suất bộ điều khiển PD kết hợp việc đơn giản mô hình động lực học của thiết kế cơ khí [1], điều khiển bám quỹ đạo sử dụng phương pháp chuyển mạch thích nghi [2], điều khiển bám quỹ đạo cho robot song song 3 bậc tự do sử dụng phương pháp điều khiển đồng bộ cầu lồi [3], thiết kế bộ điều khiển PID bám quỹ đạo cho mô hình robot song song 4 bậc tự do với một vi điều khiển STM32 [4] Các bộ điều khiển này có ưu điểm đơn giản và dễ thực hiện nhưng chúng không mang lại chất lượng điều khiển tốt bởi vì chúng chỉ được thiết kế dựa trên sai số về động học, còn các thành phần về động lực học không được tính đến để bù Để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất, các phương pháp điều khiển phải được thiết kế với sự phân tích và xét đến các yếu tố động lực học của robot Hay nói cách khác, các thành phần động lực học của robot phải được bù đầy

đủ trong bộ điều khiển Một số công trình nghiên cứu có thể kể đến như điều khiển mô-men (PD Computed Torque) [5], tính toán động học và thiết kế bộ điều khiển

trượt cho cơ cấu song song Delta 4 bậc tự do [6], điều khiển bền vững [7], điều khiển thích nghi [8], điều khiển trượt ứng dụng mạng nơ ron [9] Các phương pháp này cho

ra kết quả điều khiển tốt hơn, tuy nhiên việc tính toán là tương đối phức tạp và dẫn đến khó khăn trong việc xây dựng mô hình

Điều khiển trượt – Sliding mode control (SMC) là một bộ điều khiển phi tuyến mạnh mẽ đã được nhiều nhà nghiên cứu, phân tích, đặc biệt là trong những năm gần đây Lý thuyết này lần đầu tiên được đề xuất vào đầu năm 1950 bởi Emelyanov cùng với một số đồng nghiệp và đã được phát triển rộng rãi kể từ đó với việc phát minh ra các thiết bị điều khiển tốc độ cao [1011] Lý do chính để chọn bộ điều khiển này là hiệu suất điều khiển chấp nhận được và giải quyết hai vấn đề quan trọng trong bộ điều khiển đó là tính ổn định và độ bền vững [1213] Tuy nhiên, bộ điều khiển trượt thuần túy có những nhược điểm sau Thứ nhất, vấn đề chattering; điều này có thể gây

ra dao động tần số cao ở đầu ra của bộ điều khiển Thứ hai, độ nhạy; bộ điều khiển này rất nhạy với nhiễu khi các tín hiệu ngõ vào tiến đến không Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, công thức động lực học tương đương phi tuyến tính; vấn

đề này rất quan trọng để có một hiệu suất tốt và rất khó tính toán vì nó phụ thuộc vào phương trình động lực học phi tuyến [14-17] Vì vậy, trong những năm gần đây, lý thuyết trí tuệ nhân tạo đã được sử dụng trong hệ thống điều khiển trượt Mạng thần kinh, logic mờ, nơ ron kết hợp mờ và được sử dụng trong hệ phi tuyến với thời gian thay đổi và không chắc chắn (ví dụ như robot) Các chiến lược dành cho robot được phân thành hai nhóm: các phương pháp cổ điển và phi cổ điển, trong đó phương pháp

cổ điển sử dụng các mô hình toán học để điều khiển hệ thống và các phương pháp phi

cổ điển sử dụng lý thuyết trí tuệ nhân tạo như logic mờ, mạng thần kinh và mạng thần kinh kết hợp mờ

Đặc tính chung của các bộ điều khiển trên là chỉ có thông tin phản hồi cục bộ

ở mỗi khớp nối đến vòng điều khiển của mỗi cơ cấu chấp hành, mà không hề có bất

kỳ thông tin phản hồi nào từ các khớp nối khác Do đó, các lỗi gây ra từ nhiễu bên ngoài và độ không đảm bảo động trong vòng điều khiển của mỗi cơ cấu chấp hành được vòng điều khiển này khắc phục, trong khi các lỗi khác không đáp ứng Mặt khác, các giải thuật khiều khiển này đều dựa trên việc phát triển từ các thuật toán điều khiển nổi tiếng cho tay máy robot nối tiếp Trong các thuật toán điều khiển truyền thống này, sự phối hợp hoạt động của các trục hoặc các chuỗi động học của tay máy robot song song không được xét đến Hay nói cách khác, các thuật toán điều khiển truyền thống chỉ xét riêng sai số từng chuỗi động học và cố gắng điều khiển chính xác riêng

với nhau Điều này không phù hợp với bản chất động học của tay máy song song là

có sự phối hợp của các chuỗi động học cùng tác động lên khâu chấp hành cuối Vì vậy, các thuật toán điều khiển truyền thống kể trên chưa phát huy hết hiệu quả và chất lượng hoạt động của tay máy robot song song Từ quan điểm thực tế, các nghiên cứu

về hệ thống nhiều cơ hệ phối hợp hoạt động đã cho thấy việc đồng bộ điều khiển hay phối hợp liên kết giữa các chuỗi động học hoạt động song song là cần thiết để nâng cao chất lượng hệ thống [1819]

1.1.2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, robot đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy sản xuất, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất Có thể kể đến hệ thống robot vận chuyển cuộn giấy khử trùng đến vị trí máy rót và tự động chuyển hàng thành phẩm vào kho trong nhà máy sữa Vinamilk tại khu công nghiệp Mỹ Phước, tỉnh Bình Dương; hệ thống hơn 1200 robot hàn phục vụ sản xuất ô tô tại nhà máy Vinfast ở Hải Phòng; hàng nghìn robot phục vụ sản xuất, lắp ráp các linh kiện điện tử trong các nhà máy của Samsung, LG, Honda, Bên cạnh đó, các loại robot phục vụ các hoạt động

y tế, dịch vụ cũng ngày càng được đưa vào sử dụng phổ biến trong các bệnh viện, kho bãi chứa hàng và trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội Theo ước tính của

tổ chức nghiên cứu đại học Harvard (HBS), số lượng robot tại Việt Nam đạt khoảng 414.000 robot vào năm 2019 [20] Tuy nhiên, báo cáo mới đây của World Bank cho thấy, robot được sử dụng trong sản xuất của Việt Nam vẫn thuộc nhóm thấp trong khối ASEAN-6, đây cũng chính là cơ hội cho thị trường robot mở ra khi Việt Nam muốn thúc đẩy năng suất, chất lượng hàng hóa lên mức cao hơn Để làm được điều này, Việt Nam cần tập trung phát huy nghiên cứu phát triển, làm chủ công nghệ về robot – lĩnh vực trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ lớn

Hiện nay, yêu cầu về độ chính xác, tốc độ và độ cứng vững trong các ứng dụng gia công cơ khí chính xác cao, trong robot phẫu thuật y tế, robot giống người, trong các hệ thống mô phỏng chuyển động, …ngày càng cao Các yêu cầu công nghệ này không thể đáp ứng được khi sử dụng các loại robot nối tiếp truyền thống Nhằm đáp ứng các yêu cầu trên, trong những năm gần đây, loại tay máy song song đã thu hút nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức nghiên cứu cũng như sản xuất robot công nghiệp trên thế giới cũng như tại Việt Nam Một số mô hình nghiên cứu và ứng dụng của tay máy robot song song tại Việt Nam có thể kể đến như sau:

Vào năm 2006, Phạm Thị Hạnh trường Đại học Sư phạm kĩ thuật TP.HCM đã làm đề tài “Tính toán và mô phỏng robot song song 3 bậc tự do” do PGS TS Đặng

Văn Nghìn hướng dẫn [21], đề tài chỉ giới hạn ở việc mô phỏng, phân tích động học,

ma trận Jacobian, động lực học trên robot song song 3 bậc tự do Năm 2007, Trần Thị Thanh Hải trường Đại học Kĩ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã làm đề tài “Mô hình hóa và mô phỏng robot song song loại Hexapod” do PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang hướng dẫn [22], đề tài này mới chỉ mô phỏng robot song song loại Hexapod bằng SimMechanics, đưa ra thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển Tương tự vào năm 2010, Phan Bùi Khôi đã đăng bài báo trên Tạp chí Khoa học

và Công Nghệ về đề tài “Giải thuật và chương trình tính động lực học robot song song” [23], bài báo này đã trình bày ra giải pháp tính động lực học cho robot song song loại Hexapod Trong một nghiên cứu khác, đề tài “Nghiên cứu và chế tạo mô hình robot song song” của Phạm Anh Đức ở Đại học Đà Nẵng do PGS TS Lê Cung hướng dẫn năm 2013 [24], đề tài này đã xây dựng được mô hình robot Delta với khả năng chuyển động theo vị trí cho trước, sai lệch trong phạm vi ±5mm, chỉ chuyển động theo quỹ đạo đơn giản như đường thẳng, chứ chưa chuyển động được theo đường cong bất kì Năm 2015, PGS.TS Lê Tiến Dũng trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã trình bày đề tài “Ứng dụng mạng ANFIS cho điều khiển trượt đồng bộ tay máy robot song song phẳng 3 bậc tự do” , bài này đã đưa ra phương pháp sử dụng mạng ANFIS trong việc tự động điều chỉnh tham số của bộ điều khiển trượt đồng bộ [25]; tiếp đó vào năm 2019, ông đã trình bày đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển đồng bộ thích nghi cho tay máy robot song song phẳng” [26], bài này đã xây dựng được thuật toán điều khiển đồng bộ thích nghi mới cho robot song song phẳng khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp hiện có về hiện tượng rung của tín hiệu điều khiển, giảm nhỏ sai số quỹ đạo dưới 3% và bền vững với các tác động của nhiễu loạn Tuy nhiên, cả hai bài chỉ mới mô phỏng và áp dụng trên robot song song phẳng 3 bậc tự do

Từ những phân tích bên trên, cho thấy các nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại

ở một số đối tượng như robot song song loại Hexapod (6 bậc tự do), Delta (3 bậc tự do), Planar (3 bậc tự do) mà chưa có cá nhân hay tổ chức nào nghiên cứu liên quan đến cơ cấu robot song song 4 bậc tự do và các giải thuật điều khiển được thiết kế chủ yếu trên mô phỏng với phương trình động học Cho nên, việc mở ra những hướng nghiên cứu mới là vô cùng cần thiết nhằm thúc đẩy và đóng góp cho nền nghiên cứu nước nhà, dựa vào kiến thức của nhóm sinh viên và tình hình nghiên cứu ở Việt Nam,

vì vậy đây là động lực để nhóm thực hiện đề tài “Thiết kế mô hình và các bộ điều khiển đồng bộ cho robot song song 4 bậc tự do”

Áp dụng giải thuật điều khiển đồng bộ vào mô hình thực tế

1.3 Nội dung nghiên cứu

Chương 1 đã trình bày tính cấp thiết, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, cùng với mục đích thực hiện của đề tài Tiếp theo, những cơ sở lý thuyết về robot song song và các kiến thức sử dụng để thực hiện đề tài được trình bày trong chương 2 Nội dung chương 3 sẽ trình bày công việc thiết kế các chi tiết của mô hình robot bằng phần mềm Solidworks 2021 Kế đến, mô hình động học và động lực học của robot được tính toán ở chương 4, sau đó công việc thiết kế các bộ điều khiển được trình bày chi tiết trong chương 5 Ở chương 6 sẽ kiểm chứng lại tính chính xác của động học trên mô hình Simscape sử dụng phần mềm MATLAB Simulink Tiếp theo, chương 7 trình bày công việc thi công mô hình và các kết quả thực nghiệm trên thực tế Cuối cùng, chương 8 sẽ đi đến kết luận và hướng phát triển của đề tài

1.4 Giới hạn đề tài

Mô hình robot thực tế do nhóm sinh viên tự thiết kế và thi công nên chưa có

cơ sở nào đánh giá mức độ bền vững và ổn định trong quá trình hoạt động của mô hình

Vị trí ban đầu của robot được đặt thủ công nên chưa đánh giá được tính chính xác tuyệt đối của mô hình

Vì phần cứng sử dụng các vi điều khiển không chuyên dụng, tốc độ xử lý chậm nên khả năng đáp ứng của mô hình còn nhiều hạn chế

Robot sẽ có khả năng mang tải tối đa 1 (kg)

1.5 Các công cụ đánh giá

Phân tích dữ liệu: Sử dụng các công cụ tìm kiếm như Google, Google Scholar,…

Phân tích toán học: Tính toán động học dựa vào cấu trúc hình học của robot

và tính toán động lực học dựa vào phương pháp Newton – Euler và Jacobian

Phân tích mô phỏng: Sử dụng phần mềm Solidworks để xây dựng chính xác

mô hình của tay máy robot song song 4 bậc tự do sát với thực tiễn; Sử dụng phần mềm MATLAB Simulink và Simscape để lập trình, mô phỏng kiểm nghiệm bài toán động học

Phân tích thí nghiệm: Thiết kế thuật toán điều khiển và áp dụng trên mô hình thực tế

Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của phương pháp: Kiểm tra độ chính xác của kết quả điều khiển bám quỹ đạo và đánh giá chất lượng điều khiển dựa trên việc phân tích các dữ liệu kết quả trên phần mềm MATLAB Simulink

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về robot song song

2.1.1 Khái niệm robot song song

Robot song song bao gồm một nền tảng di chuyển được kết nối đến một đế cố định bởi một tập hợp các chuỗi động học như nhau Cơ cấu cuối được cố định vào nền tảng di động Robot song song được cho là hoàn toàn song song khi số chân lớn hơn hoặc bằng số bậc tự do của bệ di động, mỗi chuỗi song song có một cơ cấu truyền động

2.1.2 Lịch sử ra đời của robot song song

Cấu trúc song song được cấp bằng sáng chế đầu tiên vào năm 1928 bởi Gwinnett, ông đã sử dụng làm nền cho rạp chiếu phim [27]

Hình 2.1 Rạp chiếu phim được đề xuất bởi J E Gwinnet

Năm 1947, Gough đã thiết lập các nguyên tắc cơ bản của cơ chế có cấu trúc động học vòng kín, cho phép định vị và định hướng bệ chuyển động để kiểm tra độ mòn và rách của lốp Gough đã chế tạo nguyên mẫu của một chiếc máy này vào năm

1955

Hình 2.2 Cơ cấu Gough Platform thử độ mòn lốp máy bay

Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm 1962 [28] và sự chú ý ứng dụng của nó được khởi động bởi Stewart vào năm

1965 [29] Ứng dụng của nó đã tạo nên nhiều sự chú ý đối với các nhà nghiên cứu khác Bởi vì Stewart là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên

cơ cấu song song

Hình 2.3 Steward Platform

Cho đến ngày nay, cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực trong đời sống

2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của robot song song so với robot nối tiếp

Với sự khác biệt về đặc điểm cấu trúc, cách thức hoạt động cũng như tính ứng dụng của robot song song và robot nối tiếp Nên một số ưu, nhược điểm của hai loại robot được nêu ra trong bảng dưới đây [18]

Bảng 2.1 Bảng so sánh robot song song và robot nối tiếp

7 Độ phức tạp thiết kế/điều khiển Phức tạp Đơn giản

8 Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) Nhiều hơn Ít hơn

10 Tính toán động học thuận Rất khó Dễ hơn

11 Tính toán động học nghịch Dễ hơn Khó hơn

14 Tính đồng nhất các thành phần Cao hơn Thấp hơn

2.1.4 Ứng dụng của robot song song

Mục tiêu của loài người khi phát minh ra robot là mong muốn chúng phục vụ cho chúng ta Để làm được điều đó, các nhà khoa học đã nỗ lực rất nhiều trong việc nghiên cứu làm sao để robot có thể cảm nhận môi trường và làm việc giống con người

Từ đó, robot mới có thể thay thế con người trong những khâu sản xuất

Chính vì lí do đó, robot có nhiều sự cải tiến và robot song song cũng không ngoại lệ Cho tới ngày này, robot song song đã được ứng dụng rộng rãi, đa lĩnh vực trong cuộc sống Một số ứng dụng cụ thể bao gồm:

2.1.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Với ưu điểm độ chính xác cao, độ cứng vững của robot song song, vì vậy chúng sẽ trở thành công cụ hữu ích cho đa lĩnh vực công nghiệp khác nhau Ví dụ như lắp ráp, hàn điểm, ứng dụng sử dụng lực lượng phản hồi… là một số ứng dụng

ưa thích của robot song song Hình 2.4

Hình 2.4 Robot song song gắp thả vật

Một số robot song song có cấu trúc đặc biệt, chẳng hạn như Delta, được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay [30] Cho tới ngày nay, Delta vẫn còn được sử dụng nhiều cho các nhiệm vụ in 3D, gắp và đặt nhanh sản phẩm, … được thể hiện ở Hình 2.5

Hình 2.5 Robot song song ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

2.1.4.2 Ứng dụng trong y học

Robot ngày nay có thể thực hiện một số hoạt động chuyên biệt như kiểm tra các dấu hiệu quan trọng (nhịp tim, thở, huyết áp ), chụp ảnh và thậm chí đọc hồ sơ bệnh án của bệnh nhân Thông tin này sẽ chuyển cho bác sĩ để được điều trị thích hợp Bên cạnh đó, cũng có robot có thể can thiệp sâu hơn vào quá trình chữa bệnh

Surgiscope là một cấu trúc hỗn hợp có vị trí cơ chế dựa trên Delta giống như

cơ cấu song song và một cơ chế định hướng tách rời Cấu trúc này được sử dụng trong phẫu thuật thần kinh để di chuyển và đặt chính xác kính hiển vi, hệ thống hướng dẫn laser hay một số công cụ khác trong phẫu thuật [31] (Hình 2.6)

Hình 2.6 Surgiscope dùng để nâng giữ kính hiển vi

2.2 Lý thuyết động cơ AC Servo

2.2.1 Khái niệm động cơ AC Servo

AC Servo Motor là một loại động cơ 3 pha Chúng hoạt động dựa trên nguyên

lý nam châm vĩnh cửu, tương tự như các loại động cơ trong máy bơm hay máy quạt Tuy nhiên, điểm khác biệt của thiết bị này so với động cơ thông thường là khả năng tích hợp nhiều công cụ điện tử và cảm biến Nhờ vậy, khả năng truyền thông tin và điều khiển mang lại hiệu quả cao hơn Thiết bị này được xem là giải pháp tiên tiến cho nền công nghiệp 4.0 hiện nay khi khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng và tính chính xác cao

2.2.2 Cấu tạo của động cơ AC Servo

Về mặt cấu tạo, cấu tạo của động cơ AC servo bao gồm 3 phần: stator, rotor (thường là loại nam châm vĩnh cửu) và encoder (Hình 2.7)

Stator bao gồm một cuộn dây được quấn quanh lõi, được cấp nguồn để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor

Rotor được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh

Encoder là một thiết bị cơ điện Bên trong là một hệ thống gồm nhiều linh kiện như đĩa quay, cảm biến, nguồn phát sáng được liên kết với nhau, thực hiện chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu quay của trục động cơ thành các dạng tín hiệu tương tự hoặc số Tín hiệu này được sử dụng để giám sát và điều khiển động cơ servo

2.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ AC Servo

Nguyên lý hoạt động của động cơ AC Servo dựa trên cấu tạo của hai loại động

cơ AC Servo khác nhau là: đồng bộ và không đồng bộ

Servo xoay chiều đồng bộ bao gồm 2 bộ phận là stator và rotor Cấu tạo stator gồm khung hình trụ và lõi stator.Bộ phận cung cấp dòng điện cho động cơ là cuộn dây phần ứng quấn quanh lõi stator và cuộn dây được nối với dây dẫn qua đó Khi trường stator được kích thích với điện áp thì rotor sẽ chạy theo từ trường quay của stator và sẽ cùng tốc độ hoặc đồng bộ với trường kích thích của stator Với rotor nam châm vĩnh cửu do không cần dòng điện rotor nên khi trường stator giảm dần và dừng thì rotor cũng vì thế mà dừng lại

2.2.4 Các chế độ điều khiển động cơ AC Servo

Có 3 chế độ điều khiển động cơ AC Servo: tốc độ, vị trí và mô-men xoắn Khi

sử dụng, người dùng cần cài đặt tùy theo mục đích sử dụng của động cơ

Chế độ điều khiển vị trí: Trong chế độ điều khiển vị trí, tốc độ quay được xác định bởi tần số của ngõ vào xung ngoại và góc quay được xác định bởi số xung Một

số servo có thể gán giá trị tốc độ và khoảng dịch chuyển thông qua sự giao tiếp một cách trực tiếp Bởi vì chế độ vị trí có thể điều khiển chính xác tốc độ và vị trí của động cơ nên nó thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao

Chế độ điều khiển tốc độ: Ở chế độ này, tốc độ động cơ được sử dụng để điều khiển hành vi động cơ Bộ điều khiển servo sẽ thu thập tốc độ thực của động cơ từ encoder và so sánh liên tục với tín hiệu tốc độ đặt của nó để duy trì tốc độ mong muốn Tốc độ của động cơ được thay đổi bằng cách thay đổi điện áp cung cấp cho động cơ

Chế độ điều khiển mô-men: Ở chế độ này, mô-men xoắn động cơ được sử dụng để điều khiển hành vi động cơ Vì mô-men xoắn tỉ lệ thuận với dòng điện nên

bộ truyền động servo nhận được dòng điện động cơ thực tế và sử dụng đại lượng này

để xác định mô-men xoắn thực tế của động cơ

2.3 Lý thuyết giao tiếp CAN Bus

2.3.1 Khái niệm mạng CAN

CAN - Controller Area Network là một giao thức truyền thông bus nối tiếp chỉ thông qua 2 dây (CAN-High và CAN-Low), phát triển bởi Bosch (Đức) vào đầu những năm 1980 [3233] Ban đầu, CAN được thiết kế dành cho ngành công nghiệp

ô tô, tuy nhiên hiện nay CAN đã trở thành một tiêu chuẩn phổ biến trong tự động hóa công nghiệp và các ngành khác

Chuẩn giao thức CAN tiêu chuẩn phổ biến hiện nay là CAN 2.0 Ngoài ra, CAN còn có chuẩn giao thức mới nhất là CAN FD Sự khác biệt giữa các loại giao thức CAN nằm trong cấu trúc của các loại khung (Frame) Trong nội dung đồ án này, nhóm áp dụng chuẩn giao thức CAN 2.0 để giao tiếp giữa hai vi điều khiển STM32 nhằm tăng tốc độ truyền dữ liệu và đáp ứng của hệ thống

2.3.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0

Chuẩn giao thức CAN 2.0 được Bosch công bố lần đầu vào năm 1991 với các thông số kỹ thuật được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật CAN 2.0

Kích thước dữ liệu Tối đa 8 byte/Frame

Tốc độ truyền Tối đa 1Mbps trong phạm vi 40m

Phương pháp tránh xung đột trong việc

truyền dữ liệu giữa các Node

Dựa trên thứ tự ưu tiên trong ID của gói tin

Phương pháp đọc tín hiệu trên bus Dựa trên sự chênh lệch điện áp 2 dây

CAN_H và CAN_L

2.3.3 Cấu trúc tin nhắn CAN định dạng chuẩn

2.3.3.1 Các loại khung truyền

Dữ liệu CAN được truyền dưới dạng các khung (Frame) [34] Có 4 loại khung khác nhau, đó là:

- Data frame (khung dữ liệu): là khung mang dữ liệu từ một bộ truyền dữ liệu đến các bộ nhận dữ liệu

- Remote frame (khung yêu cầu hay khung điều khiển): là khung được truyền

từ một Node bất kỳ để yêu cầu Node khác truyền khung dữ liệu có ID trùng với khung yêu cầu

- Error frame (khung báo lỗi) là khung được truyền bởi bất kỳ Node nào khi Node đó phát hiện lỗi bus

- Overload frame (khung báo quá tải) được sử dụng để tạo thêm độ trễ giữa các khung dữ liệu hoặc khung yêu cầu Mỗi Node trong bus CAN có thể truyền bất

kỳ khi nào nếu phát hiện bus rảnh, nếu một Node nhận quá nhiều dữ liệu, nó có thể dùng khung này để ngăn sự truyền tiếp theo

Chỉ có khung dữ liệu và khung yêu cầu là có ID, cơ chế phân xử sẽ áp dụng cho hai loại khung này khi chúng được truyền trên bus Khung dữ liệu và khung yêu cầu có hai định dạng khác nhau là định dạng chuẩn (Standard) và định dạng mở rộng (Extended) Định dạng khung chuẩn sử dụng ID có độ dài 11 bit Định dạng khung

mở rộng sử dụng ID có độ dài 29 bit Chuẩn CAN 2.0A chỉ quy định sử dụng loại khung chuẩn Chuẩn CAN 2.0B sử dụng cả loại khung chuẩn và khung mở rộng

2.3.3.2 Data frame dạng chuẩn

Một Data frame bao gồm 7 vùng bit khác nhau theo thứ tự là:

SOF Field Arbirtration Field Control Field Data Field CRC Field ACK Field

EOF Field

RTR=1 SOF

Hình 2.8 Data frame tiêu chuẩn

- Trường bắt đầu khung (Start of Frame Field - SOF) là vị trí của bit đầu tiên trong khung Trường này chiếm 1 bit dữ liệu Bit đầu tiên này là một bit trội hay còn gọi là bit dominant (mức logic 0) đánh dấu sự bắt đầu của một Data Frame

- Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field) có độ dài 12 bit, bao gồm

11 bit ID và 1 bit RTR (Remote Transmission Request) Trong đó, Bit RTR là bit dùng để phân biệt khung là Data Frame hay Remote Frame Nếu là Data Frame, bit này luôn bằng 0 (bit Dominant) và nếu là Remote Frame, bit này luôn bằng 1 (bit Recessive) Vị trí bit này luôn nằm sau bit ID

- Trường điều khiển (Control Field) có độ dài 6 bit gồm IDE, r0, DLC Trong

đó IDE (Identifier Extension) là bit phân biệt giữa loại khung chuẩn (IDE=1) và

khung mở rộng (IDE=0), r0 là bit dự trữ chiếm 1 bit dữ liệu, DLC (Data Length Code)

có độ dài 4 bit quy định số byte của trường dữ liệu

- Trường dữ liệu (Data Field) có độ dài từ 0 đến 8 byte tùy vào giá trị của DLC của trường điều khiển

- Trường kiểm tra (Cyclic Redundancy Check - CRC Field) gồm 16 bit và được chia làm hai phần:

• CRC Sequence gồm 15 bit CRC tuần tự

• CRC Delimiter là một bit Recessive làm nhiệm vụ phân cách trường CRC với trường ACK

- Trường báo nhận (Acknowledge - ACK Field) có độ dài 2 bit và bao gồm 2 phần là ACK Slot và ACK Delimiter

• ACK Slot: có độ dài 1 bit, một Node truyền dữ liệu sẽ thuyết lập bit này bit Recessive Khi một hoặc nhiều Node nhận chính xác giá trị thông điệp thì nó sẽ báo lại cho bộ truyền bằng cách truyền ra một bit Dominant ngay vị trí ACK Slot để ghi đè lên bit Recessive của bộ truyền

• ACK Delimiter: có độ dài 1 bit, nó luôn là một bit Recessive

- Trường kết thúc (End of Frame - EOF) trường thông báo kết thúc một Data Frame hay Remote Frame Trường này gồm 7 bit Recessive

2.3.3.3 Remote frame dạng chuẩn

Một Remote Frame bao gồm 6 vùng bit tương tự như Data Frame với 2 đặc điểm quan trọng:

- Xác định Romote frame bằng mức logic bit RTR = 1 (bit Recessive)

- Không có trường dữ liệu

RTR=1

Hình 2.9 Remote frame dạng chuẩn

2.3.4 Chuẩn CAN high speed

CAN high speed tốc độ giao tiếp có thể lên đến 1 Mbps, cho tốc độ cao hơn nhiều so với CAN low speed (tối đa 125kbps), phù hợp với hệ hống điều khiển truyền động yêu cầu trao đổi dữ liệu tốc độ cao Vì vậy, CAN high speed rất phù hợp với nhu cầu ứng dụng trong hệ thống robot và tự động hóa hiện đại Tín hiệu CAN được truyền trên cặp dây xoắn (differential pair), do đó nó ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên ngoài Thiết kế và cấu tạo phần cứng CAN được thể hiện như Hình 2.12