Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật động học nghịch thông minh

Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Đề tài này hướng tới phát triển một dạng robot 6 bậc tự do có cấu hình mới sử dụng thuật toán điều khiển động học thông minh, do đó nội dung c

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG HỌC NGHỊCH THÔNG MINH

GVHD: TS ĐẶNG XUÂN BA SVTH: ĐẶNG SỸ BÌNH

MSSV: 16151002

SKL 0 0 7 1 7 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Đặng Sỹ Bình MSSV: 16151002

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Lớp: 16151CL2

Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Xuân Ba ĐT: 0945 853 990

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

Tính toán và thiết kế phần cứng của mô hình UR3

Tìm hiểu giải thuật và mô phỏng cân bằng cho mô hình trên phần mềm Matlab

Áp dụng giải thuật điều khiển cho mô hình thực, quy hoạch quỹ đạo để robot hoạt động

ổn định và tối ưu

4 Sản phẩm:

Mô hình thực nghiệm robot 6 bậc

Chương trình điều khiển và giám sát

Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp

Đĩa CD

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên : Đặng Sỹ Bình MSSV: 16151002

Ngành: CNKT Điều khiển và tự động hóa

Tên đề tài: Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật động học nghịch thông minh

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS Đặng Xuân Ba

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

Đề tài này hướng tới phát triển một dạng robot 6 bậc tự do có cấu hình mới sử dụng thuật toán điều khiển động học thông minh, do đó nội dung công việc khá lớn bao gồm tính toán, mô phỏng, thiết kế, thi công và điều khiển giám sát cả hệ thống………

2 Ưu điểm:

Để thực hiện thành công đồ án, đòi hỏi một lượng công việc rất lớn ở đó đòi hỏi các kỹ năng chuyên sâu về kỹ thuật robot, nhưng nhóm đã hoàn thành tốt các mục tiêu đề ra bằng sự làm việc chăm chỉ và bền bỉ cùng sự đam mê và sáng tạo trong công việc………

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2020

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên :…Đặng Sỹ Bình

Tên đề tài : Thiết Kế Và Điều Khiển Robot 6 Bậc Tự Do Không Ràng Buộc Sử Dụng

Kỹ Thuật Động Học Nghịch Thông Minh

Giảng viên Hướng dẫn : TS ĐẶNG XUÂN BA

Giảng viên Phản biện : PGS.TS LÊ MỸ HÀ

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét chung về nội dung đề tài

Nội dung đủ hàm lượng của Đồ Án Tốt Nghiệp Đại học

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

Chỉnh sửa lỗi chính tả, lỗi đánh máy

Bổ sung kết quả thực nghiệm

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

3 Câu hỏi phản biện (Giảng viên không cho SV biết trước)

1/ Phân tích cơ sở toán học của việc thêm thông số γ trong phương trình 3.14 ?

2/ Đánh giá độ chính xác của kết quả thực nghiệm như thế nào ?

3/ Điều kiện dừng khi tìm thông số góc Ɵ trong công thức 3.14 là gì ?

4 Điểm đánh giá đề tài: 8 /10 (Bằng chữ: tám )

TP HCM, ngày 3 tháng 8 năm 2020

Người nhận xét

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên nhóm chúng em xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến Thầy – Tiến sĩ Đặng Xuân Ba, người trực tiếp hướng dẫn đồ án tốt nghiệp, đã tận tình chỉ bảo, động viên, khích lệ chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm – Kỹ thuật đã nhiệt tình giảng dạy cho chúng em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt bốn năm học tập tại đây

Xin cảm ơn gia đình đã luôn ở bên và động viên cho em Bên cạnh đó, em xin chân thành cảm ơn người bạn Lê Công Long, người đã góp công sức rất nhiều trong

đồ án của em và cùng với đó là lời cảm ơn tới toàn bộ tập thể thành viên của phòng thí nghiệm Dynamics Robotics and Control Nếu không có sự giúp sức của tất cả mọi người, em đã có thể hoàn thành đồ án của mình đúng như mong đợi

Cuối cùng chúng em xin kính chúc các thầy cô dồi dào sức khỏe và gặt hái được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy cao quý Đồng kính chúc những người thân và bạn bè có nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 Năm 2019

Sinh viên thực hiện

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Dựa vào các kiến thức đã học về điều khiển tự động và những sự tìm hiểu về ngành công nghiệp robot hiện nay trong suốt những năm đại học, chúng em nhận thấy nghiên cứu robot là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất ngày nay Cho đến nay, các loại robot tự động, bán tự động hay cao cấp hơn là robot với trí tuệ nhân tạo ngày càng phổ biến và phát triển rộng rãi mọi nơi Nắm bắt được xu hướng nghiên cứu của ngành điều khiển tự động, chúng em đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp liên quan đến robot

Tuy nhiên, do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế mà lĩnh vực robot rất phức tạp

và tân tiến, nên chúng em cho rằng thật là thú vị nếu chúng em có thể thiết kế, chế tạo và điều khiển được một con robot làm việc một cách toàn diện trong không gian Với đề tài đồ án tốt nghiệp “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG HỌC NGHỊCH THÔNG MINH”, chúng em đã thực hiện các nội dung sau:

 Giải quyết bài toán động học thuận và động học nghịch

 Mô phỏng robot trên phần mềm Matlab

 Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm robot 6 bậc tự do

 Tiến hành điều khiển robot thực tế với kỹ thuật điều khiển thông minh

Nhóm chúng em tiến hành mô phỏng phương trình động học, đồng thời nghiên cứu và chế tạo mô hình Sau khi mô hình và nhiệm vụ mô phỏng được hoàn thành, chúng em tiến hành áp dụng các tính toán đã nghiên cứu lên mô hình thực

ABSTRACT

Based on the knowledge learned about automatic control and our understanding of the robotics industry today during the university years, we have found robot research to be one of the most relevant fields today Until now, types of robots that are automatic, semi-automatic, or more advanced than robots with artificial intelligence are increasingly popular and widely developed everywhere Understanding the research trend of the automation industry, we decided to choose a graduate project related to robots

However, due to limited specialized knowledge and the field of robotics is very complex and advanced, we think it will be interesting if we can design, manufacture, and control a robot Comprehensively working in space With the theme of graduation project "DESIGN AND CONTROL 6 DOF ROBOT WITH INTELLECTUAL DYNAMIC ENGINEERING TECHNOLOGY", we have implemented the following contents:

 Solving forward and inverse kinematic problems

 Simulating robots on Matlab software

 Design and manufacture of a experimental model of the 6 DOF robot chosen

 Conduct realistic robot control with intelligent control techniques

I conduct kinetic equation simulations, and researches and creates models After the model and simulation task completed, we proceed to apply the researched calculations to the real model

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN v

ABSTRACT vii

MỤC LỤC viiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Tổng quan về robot và UR3 robot 3

1.2.1 Sơ lược về lịch sử robot 3

1.2.2 Tổng quan về Robot DRC3 10

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài 11

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 11

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 11

1.4.3 Giới hạn đề tài 11

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 11

1.5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài 11

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 11

1.6 Phương pháp nghiên cứu 11

1.7 Kết cấu luận văn 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Nguyên lí hoạt động 13

2.2 Phần mô hình 13

2.2.1 Cơ sở ý tưởng mô hình 14

2.2.2 Thiết kế mô hình dùng SOLIDWORKS 14

2.2.2.1 Sơ lược về SOLIDWORKS 14

2.2.2.2 Xuất file để in 3D cho các chi tiết 15

2.3 Thuật toán điều khiển 17

2.3.1 Sơ lược lý thuyết điều khiển tự động 17

2.3.1.1 Các khái niệm cơ bản 17

2.3.1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống ĐKTĐ 17

2.3.1.3 Phân loại hệ thống ĐKTĐ 18

2.3.1.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản 18

2.3.2 Phần mềm MATLAB 18

2.3.2.1 Giới thiệu về MATLAB 18

2.3.2.2 Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB 19

2.3.2.3 Hệ thống MATLAB 19

2.3.3 Quy hoạch quỹ đạo cho Robot 20

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT BẰNG MATLAB 23

3.1 Tính toán, mô phỏng và kiểm chứng động học thuận 23

3.1.1 Động học thuận 23

3.1.2 Mô phỏng, kiểm chứng kết quả tính toán 25

3.2 Tính toán và kiểm chứng động học nghịch 25

3.2.1 Tính toán động học nghịch bằng phương pháp đại số 25

3.2.2 Mô Phỏng, kiểm chứng kết quả tính toán phương pháp đại số 26

3.2.3 Tính toán động học nghịch bằng phương pháp thông minh 27

3.2.4 Mô phỏng, kiểm chứng kết quả tính toán phương pháp thông minh 29

3.2.4.1 So sánh thử nghiệm của các giải pháp tĩnh 30

3.3 Nhận xét 36

3.4 Kết luận 36

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH DRC3 ROBOT 37

4.1 Lựa chọn mô hình robot UR3 37

4.2 Chế tạo mô hình cho robot DRC3 38

4.2.1 Khớp thứ 1 38

4.2.2 Khớp thứ 2 39

4.2.3 Khớp thứ 3 39

4.2.4 Khớp thứ 4 41

4.2.5 Khớp thứ 5 42

4.2.6 Khớp thứ 6 43

4.2.7 Driver MR-J2S-10A 43

4.2.8 Động cơ HC-KFS053 47

4.2.9 Động cơ HC-KFS13 49

4.3 Thiết kế phần mềm 50

4.3.1 Giới thiệu ARDUINO 50

4.3.2 Giới thiệu phần mềm C# 52

4.3.3 Các thiết bị hỗ trợ xử lý : Opto quang 55

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN ROBOT DRC3 - 6DOF 57

5.1 Thiết bị sử dụng 57

5.2 Kết nối phần cứng 59

5.3 Giao diện điều khiển 59

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

6.1 Kết quả đạt được 61

6.2 Hướng phát triển 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ĐKTĐ: Điều khiển tự động

IFR: International Federation of Robotics

AUV: Autonomoues Underwater Vehicles

UAV: Unmanned Arial Vehicles

ISO: International Standards Organization

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các Thông Số Kỹ Thuật Của Robot ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED

Bảng 3.1 Bảng D-H 24

Bảng 3.2 Các Bộ Nghiệm Có Thể Có Của Robot 6 Bậc DRC3 26

Bảng 4.1 Thông Số Cơ Bản Của Driver MR-J2S-10A 47

Bảng 4.2 Thông Số Cơ Bản Của Động Cơ HC-KFS053 48

Bảng 4.3 Thông Số Cơ Bản Của Động Cơ HC-KFS13 50

Biểu Đồ 2.1 Sơ Đồ Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống 13

Biểu Đồ 2.2 Sơ Đồ Tổng Quát Của Một Hệ Thống Đktđ 17

Biểu Đồ 2.3 Quỹ Đạo Bậc 3 22

Biểu Đồ 3.1 Hệ Trục Tọa Độ Cho Robot 6 Bậc 23

Biểu Đồ 3.2 Quá Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Toán CLM 30

Biểu Đồ 3.3 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Toán CLM 31

Biểu Đồ 3.4 Quá Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Toán SLM 31

Biểu Đồ 3.5 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Toán SLM 32

Biểu Đồ 3.6 Biến Đổi Thông Minh Của Các Thông Số Học Với Thuật Toán SLM 32 Biểu Đồ 3.7 Kết Quả Động Học Nghịch Theo Quỹ Đạo Mong Muốn 33

Biểu Đồ 3.8 Kết Quả Động Học Nghịch Theo Quỹ Đạo Mong Thực Tế 33

Biểu Đồ 3.9 Quá Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Toán CLM Trong Thử Nghiệm Vẽ Theo Quỹ Đạo 34

Biểu Đồ 3.10 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Toán SLM Trong Thử Nghiệm Vẽ Theo Quỹ Đạo 34

Biểu Đồ 3.11 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Với Thuật Toán Tự Học 35

Biểu Đồ 3.12 Biến Đổi Thông Minh Của Thông Số Học Của Thuật Toán 35

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ba Chú Robot Trong Vở Kịch Của Karel Capek, 1921 4

Hình 1.2 Các Bộ Phận Cấu Thành Robot Công Nghiệp [6] 6

Hình 1.3 Hình Dáng Của Robot Ur3 10

Hình 2.1 Cấp Độ Của Phần Mềm Solidworks 15

Hình 2.2 Thiết Kế 3d Chi Tiết Cần In 15

Hình 2.3 Lưu Chi Tiết Với Định Dạng Stl 16

Hình 2.4 Xác Nhận Lưu File 16

Hình 2.5 Icon Phần Mềm Matlab 18

Hình 2.6 Giao Diện Matlab 20

Hình 3.1 Hình Dáng Của Robot Ở Vị Trí Mẫu 27

Hình 3.2 Giá Trị Tọa Độ Điểm Đầu Cuối Pee Với 8 Trường Hợp 27

Hình 4.1 Robot Ur3 6 Dof 37

Hình 4.2 Khớp 1 Của Robot DRC3 38

Hình 4.3 Khớp 2 Của Robot DRC3 39

Hình 4.4 Khớp 3 Của Robot DRC3 40

Hình 4.5 Khớp 4 Của Robot DRC3 41

Hình 4.6 Khớp 5 Của Robot DRC3 42

Hình 4.7 Khớp 6 Của Robot DRC3 43

Hình 4.8 Driver Mr-J2s-10a 44

Hình 4.9 Driver Mr-J2s-10a 45

Hình 4.10 Nguyên Lí Kết Nối Driver Mr-J2s-10a 46

Hình 4.11 Động Cơ Hc-Kfs053 47

Hình 4.12 Bản Vẽ Kích Thước Động Cơ Hc-Kfs053 48

Hình 4.13 Động Cơ Hc-Kfs13 49

Hình 4.14 Bản Vẽ Kích Thước Động Cơ Hc-Kfs13 49

Hình 4.15 Những Thành Viên Khởi Sướng Arduino 50

Hình 4.16 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình Arduino Ide 1.8.9 51

Hình 4.17 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình C# Visual Studio 52

Hình 4.18 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình C# Visual Studio 53

Hình 4.19 Tạo Project Ứng Dụng 54

Hình 4.20 Màn Hình Soạn Thảo Bộ Visual Studio 2017 54

Hình 4.21 Cửa Số Output Khi Chạy Chương Trình 55

Hình 4.22 Sơ Đồ Nguyên Lí Bên Trong Opto 55

Hình 4.23 Hình Ảnh Thực Tế Opto 55

Hình 5.1 Arduino Due ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED Hình 5.2 Sơ Đồ Chân Của Arduino Due 57

Hình 5.3 Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng 59

Hình 5.4 Giao Diện Điều Khiển C3 Của Hệ Thống Robot 59

Hình 6.1 Tủ Điện Điều Khiển Robot 61

Hình 6.2 Mô Hình Thực Tế Robot Drc3 62

Hình 6.3 Mô Hình Thực Tế Robot Drc3 63

Hình 6.4 Mô Hình Thực Tế Robot Drc3 63

Hình 6.5 Quỹ Đạo Hình Tròn 65

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo ra những bước trưởng thành đáng kể cho máy móc nói chung và robot nói riêng Trong từng giai đoạn phát triển, robot ngày càng trở nên đa dạng và thông minh hơn nhờ khả năng xử lý rất nhanh của

bộ điều khiển dùng máy tính Tuy nhiên khả năng thực hiện hóa của các robot này không chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “ cơ cấu chấp hành” Theo dự đoán, trong tương lai robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau internet Con người khi ấy sẽ có nhu cầu sở hữu một robot cá nhân như nhu cầu sở hữu một máy tính để bàn hiện nay Với xu hướng này cùng các ứng dụng truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong quốc phòng an ninh thì thị trường dành riêng cho robot sẽ vô cùng to lớn

Trong cuộc cách mạng về robot, thế giới sẽ bước vào kỉ nguyên khám phá sâu hơn

về môi trường tự nhiên ở Trái Đất, thậm chí vượt ra khỏi quy mô Trái Đất để tiến ra ngoài vũ trụ Do đó, các robot sẽ thay thế hoặc hổ trợ con người thực hiện những công việc rất nhàm chán, những công việc nguy hiểm đòi hỏi tốc độ hoặc những công việc đòi hỏi độ chính xác cao vượt quá khả năng của con người

Với đề tài đồ án này, chúng em sẽ hướng tới việc xây dựng nên một cánh tay robot.Ý tưởng này vốn đã và đang được vận dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng và nhẹ, tuy nhiên vẫn còn khá mới mẻ đối với các đối tượng học sinh, sinh viên Chúng em lựa chọn đề tài này với mong muốn được tìm hiểu, nghiên cứu sâu hơn về robot nói chung và cánh tay robot nói riêng

 Tình hình ngoài nước

Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua Robot đầu tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại Dữ liệu của Liên đoàn robot quốc tế (IFR) cho thấy, trong năm 2015, ngành công nghiệp sản xuất

có 66 robot trên mỗi 10000 người lao động Năm 2017, dữ liệu tăng lên 77 trên 10000 người lao động Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệpm đóng tàu, xây dựng,

an ninh quốc phòng đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot

Theo như dự đoán trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một robot cá nhân như nhu cầu sử dụng một máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau internet Với xu hướng này, cùng các ứng dụng truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc

một số ứng dụng liên quan đến Robot cũng được sử dụng nhiều hơn, ví dụ như mang robot lên điện toán đám mây hay mạng xã hội Chi phí để sở hữu Robot cũng đang giảm xuống rất nhanh, càng giúp cho quá trình hiện đại hóa diễn ra một cách thuận lợi Quan trọng hơn, nhận thức chung của cộng đồng về Robot cũng đã có nhiều thay đổi Đó chính là các dấu hiệu rõ ràng cho thấy ngành công nghiệp này đang ở thời điểm quan trọng, có nhiều tác động tích cực trong đời sống Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người

 Tình hình trong nước

Cùng với Thế Giới, Việt Nam đang được coi là thị trường tiềm năng cho robot công nghiệp Đã có những nhà máy sử dụng hàng ngàn người máy trong sản xuất xe ôtô, làm trong những dây chuyền chế biến độc hại Phó Giáo Sư, Tiến sĩ Bùi Văn Hạnh, Phó Viện trưởng Viện Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhận định:

Xu hướng nghiên cứu, ứng dụng robot trong công nghiệp, gia tăng mô hình “nhà máy thông minh” tại các khu công nghiệp đang là xu hướng phát triển mạnh tại Việt Nam hiện nay Hiện đã có nhiều doanh nghiệp thực hiện thành công một số sản phẩm robot

và được thị trường đón nhận

Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy ( Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots) Robot tự động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành dưới nước AUV (Autonomoues Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles) Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung 2 dạng chính là Robot đi ( Walking Robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots) Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển Mặc dù về cấu trúc của các loại robot

có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên

1.2 Tổng quan về robot và UR3 robot

1.2.1 Sơ lược về lịch sử robot

Lịch sử hình thành và phát triển robot công nghiệp

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong khi thị trường luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 trong tác

phẩm viễn tưởng “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek[1][2][3] Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống con người để hầu hạ con người

Hình 1.1 Ba chú robot trong vở kịch của Karel Capek, 1921

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện các loại tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Sự phát triển của công nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện

tử đầu tiên, được tạo ra bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như các công cụ máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940 bởi John T Parsons

và Frank L Stulen Robot đầu tiên, kỹ thuật số và lập trình được xây dựng bởi George Devol năm 1954 và được đặt tên là Unimate [4]

Vào những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí , đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C Devol đã thiết kế một thiết

bị có tên là “ Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm

1965 Devol cùng với Joseph F Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở Công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 Công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ

năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Công ty Hitachi và Công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường Đại học Tổng hợp Standford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này, Công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các loại robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nghiệp Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến

bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại

Trước khi bước vào nghiên cứu các nội dung tiếp theo, chúng ta cũng cần thống nhất về thuật ngữ “ robot công nghiệp” ( Industrial robot) Trong nhiều tài liệu khác nhau, định nghĩa về robot công nghiệp cũng khác nhau Khi “ robot công nghiệp” đầu tiên ra đời, Công ty AMF đã quảng cáo nó là loại máy tự động vạn năng Trong từ điển Webster định nghĩa robot là những máy tự động có thể thực hiện được một số chức năng của con người Nhưng nếu vậy thì có nhiều loại máy khác nhau cũng có thể gọi là robot Viện Kỹ thuật robot của Hoa Kỳ định nghĩa robot là loại tay máy nhiều chức năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất Có nhiều tài liệu khi định nghĩa robot rất lưu ý đến tiêu chí điều khiển bằng máy tính nhưng trong phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIS B 0134- 1979) có cả nhóm tay máy điều khiển bằng tay

Theo ISO ( International Standards Organization) thì: “ robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng” Tuy nhiên, robot công nghiệp được định nghĩa như thế chưa hoàn toàn thỏa đáng.[5]

Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người Nói đến thiết bị tự động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ động và lập trình thay đổi được Còn nói đến sự bắt chước các chức

năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tùy theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không Đồng thời cũng nói đến mức

độ cần thiết bắt chước được như con người hay không

Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Trên hình 1.2 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp thông thường Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động

2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, tay kẹp 6

Hình 1.2 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp [6]

Bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn đặt nhiều bộ phận khác nữa:

 Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động

 Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc

 Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường- đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu)

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay

máy Tiếp xúc trực tiếp môi trường và đối tượng làm việc là các dụng cụ (tools) được giữ bằng các tay kẹp

Phân loại robot công nghiệp

Ngày nay robot công nghiệp đã phát triển rất đa dạng Có thể phân loại robot công nghiệp theo nhiều cách khác nhau:

 Theo vị trí “ công tác” phân ra các loại robot cấp thoát phôi, robot vận chuyển, robot vạn năng

 Theo dạng công nghệ chuyên dụng phân ra các loại robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp

 Theo cách thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động, robot

điều khiển bằng dạy học, robot điều khiển bằng tay, robot nhìn được ( vision)

 Theo các hệ tọa độ được dùng khi thực hiện các chuyển động cơ bản phân ra các robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ, cầu hoặc phỏng sinh

Các chỉ tiêu đánh giá và thông số kỹ thuật

Để các cơ cấu tay máy hoạt động linh hoạt tức là có thể thực hiện được dễ dàng các chuyển dịch muôn màu muôn vẻ, chúng cần phải có một số bậc tự do chuyển động cần thiết Như đã biết, với các cơ cấu tay máy dùng các cơ cấu hở không gian

có các khớp động loại 5 thì số bậc tự do bằng số khâu động Khi tăng số bậc tự do tức

là tăng số khâu động và tăng số thiết bị động lực cho các khâu động đó nên sẽ tăng

độ phức tạp về kết cấu và chế tạo Vấn đề đặt ra là khi cùng số bậc tự do có thể chọn lựa cơ cấu tay máy nào đảm bảo tính linh hoạt cao hơn Tính linh hoạt của cơ cấu tay máy là một chỉ tiêu tổng hợp được thể hiện qua các yếu tố sau đây:

Độ động của cơ cấu

Khâu thao tác robot được xác định bằng 6 thông số xE, yE, zE, , , , trong đó

3 thông số đầu là vị trí của gốc hệ tọa độ gắn với khâu thao tác, còn 3 thông số sau xác định hướng của khâu thao tác Trong lúc mỗi cấu hình của cơ cấu tay máy được xác định bằng n giá trị biến khớp q1 qn Số bậc tự do n của cơ cấu tay máy có thể bằng hoặc khác 6 Có thể xảy ra 3 trường hợp sau:

 Nếu n=6, khi điểm E thực hiện di chuyển nhỏ xE, yE, zE, ,  sang một

vị trí mới nào đó, thì có thể xác định q1…qn một cách đơn trị

 Nếu n  6 thì không phải lúc nào điểm E cũng đạt tới vị trí với định hướng như yêu cầu được

 Nếu n  6 thì có nhiểu lời giải để điểm E đạt tới vị trí với định hướng đã yêu cầu

Hiệu số n-6=m được gọi là độ cơ động của tay máy Có thể xác định độ cơ động m bằng số bậc tự do còn lại của cơ cấu nếu giữ cố định bàn kẹp lại

Sự tồn tại độ cơ động (m 1) là có lợi vì khi đó cơ cấu tay máy có thể đạt tới đích với nhiều phương án khác nhau Điều đó càng quan trọng nhất là khi môi trường làm việc có các chướng ngại Tuy nhiên dễ có độ cơ động cao, tức là cần

số bậc tự do cao thì độ phức tạp kết cấu tay máy cũng tăng theo và sẽ không tránh khỏi việc tăng giá thành và giảm độ chính xác chuyển động

Hệ số phục vụ

Trong vùng làm việc, tức là trong khoảng không gian mà bàn kẹp tay máy

có thể thao tác được, không phải ở bất cứ điểm nào trong vùng này bàn kẹp tay máy cũng thao tác dễ dàng như nhau Để đánh giá mức độ dễ dàng thao tác đó người ta dùng khái niệm hệ số phục vụ

Hệ số phục vụ  là tỷ số giữa góc phục vụ  so với 4 Góc phục vụ  là góc nón quét một vùng không gian mà chỉ ở phía trong đó bàn kẹp mới có thể hướng tới tọa độ cần thiết:

= 

Giá trị của  và  không những phụ thuộc vào vị trí điểm thao tác trong vùng làm việc, mà còn phụ thuộc vào kết cấu của tay máy

Độ dễ điểu khiển của cơ cấu robot

Trong thực tế điều khiển hoạt động của tay máy, từ khi nhận được tín hiệu

về định vị và định hướng của” điểm đầu cuối” EE tại một điểm của quỹ đạo, cho tới khi điều khiển để đạt được mục tiêu đó, robot phải thực hiện hoạt động đó trong một khoảng thời gian nhất định Thời gian đó bao gồm thời gian tính toán

để xác định các thông số điều khiển và thời gian thực hiện di chuyển

Tổng các thời gian đó có thể gọi là thời gian điều khiển Trong đó thời gian tính toán giá trị các biến khớp qi theo các thông số định vị và định hướng tại điểm

E, phụ thuộc vào loại cơ cấu tay máy Qua thông số thời gian điều khiển nói trên

có thể xác định mức độ khó dễ điều khiển, như một chỉ tiêu đánh giá cơ cấu tay máy

Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp

Robot công nghiệp thường được đặc trưng bằng bảng các thông số kỹ thuật

cơ bản xem Bảng 1.1 Hệ truyền dẫn động được ghi rõ là thủy lực, khí nén, động

cơ điện một chiều, động cơ bước

Sai số định vị của tay kẹp (mm) là độ sai lệch giữa vị trí thực so với vị trí yêu cầu Mức chính xác thấp  >  1(mm) áp dụng cho các loại robot vận chuyển, phun phủ Mức chính xác trung bình 0,1    1,0(mm) thích hợp với các việc

như lắp ráp có khe hở, vặn vít, hàn hồ quang Mức chính xác cao   0,1(mm) dùng khi đo lường, lắp ráp khít

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật của Robot [6]

mm rad/s

Vận tốc tịnh tiến lớn nhất Tầm với (max/min) Tầm cao (max/min) Sai số định vị

Các bài toán thường gặp đối với robot công nghiệp

Trong thực tế, để chế tạo ra một robot công nghiệp hoàn chỉnh và có thể thương mại hóa nó phải trải qua rất nhiều bước Tuy nhiên, ở đây ta chỉ giới hạn

ở các vấn đề tính toán lý thuyết cơ bản thì các bài toán liên quan đến robot công nghiệp bao gồm:

+ Phân tích động học: Tìm mối quan hệ giữa chuyển động của khâu thao tác (tay kẹp, đầu hàn, sơn, phun phủ…) và chuyển động của các khớp (góc quay của các động cơ hoặc chuyển động tịnh tiến đặt ở mỗi khớp) Sau đó, chúng ta cần phải giải mối quan hệ này theo cả hai chiều: cho trước chuyển động của khâu thao tác, cần tìm chuyển động của các khớp hoặc ngược lại Bên cạnh đó, vấn đề tính toán vận tốc dài, vận tốc góc cũng là 1 vấn đề quan trọng, làm đầu vào cho bài toán động lực học Các yếu tố đầu vào của bài toán động học bao gồm cấu trúc động học và kích thước các khâu của robot

+ Phân tích động lực học: Ở bài toán động lực học, chúng ta cần quan tâm đề nguyên nhân gây ra chuyển động tức là mối quan hệ giữa momen ( hoặc lực) đặt vào các khớp quay (hoặc tịnh tiến) và chuyển động tương ứng của các khớp đó Các yếu tố đầu vào của bài toán động lực học bao gồm kết quả của bài toán động học và các yếu tố về khối lượng, momen quán tính khối của các khâu của robot + Thiết kế quỹ đạo và điều khiển: Đây là bài toán sau cùng cũng là bài toán phức tạp nhất của tính toán robot Chúng ta cần thiết kế đường di chuyển cho khâu thao tác và chuyển động của các khớp cùng với các yếu tố về vận tốc, gia tốc để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất Bài toán điều khiển nhằm đảm bảo robot sẽ

hoạt động bám theo đúng những thông số ta đã thiết kế trước, chất lượng của điều khiển quan hệ mật thiết với chất lượng của một robot

1.2.2 Tổng quan về Robot DRC3

Robot DRC3 được mô phỏng theo nguyên lí của robot UR3 - là một robot có

6 bậc tự do có thể di chuyển trong không gian 3d và không bị ràng buộc (trục xoay của 3 khớp cuối không giao nhau) như Hình 1.3

Universal Robots UR3 là loại robot cộng tác công nghiệp siêu nhỏ gọn, là lựa chọn lý tưởng khi cần gắn cobot lên bàn Khối thể tích nhỏ giúp dễ dàng lắp dựng robot ngay bên trong máy hoặc ở các không gian làm việc chật chội khác Cobot này chỉ nặng có 24,3 lbs (11 kg) nhưng có tải trọng là 6,6 lbs (3 kg) Góc quay ±360 độ trên tất cả các khớp khuỷu cùng góc quay vô cực tại khớp cuối khiến cobot này hết sức phù hợp để ứng dụng lắp ráp nhẹ và bắt vít

Các thông số như chiều dài, khối lượng của các thanh nối (link) sẽ được nêu

cụ thể ở phần 3.1 Vấn đề đặt ra là tìm ra hệ trục tọa độ tối ưu cho robot và tính toán

ra được động học nghịch nếu như muốn điều khiển cơ bản, còn nhiều yếu tố tác động tới việc điều khiển robot như quy hoạch quỹ đạo,…

Hình 1.3 Hình dáng của robot UR3 1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Để điều khiển tay robot, ta cần tính ra được động học nghịch của robot nhưng với các phương pháp thông thường thì khá tốn thời gian và nếu thay đổi một số thông số của robot thì có thể chúng ta phải tính lại từ đầu Đây cũng là mục tiêu của nhóm khi phát triển theo hướng giải động học nghịch bằng phương pháp thông minh Bên cạnh

đó, việc thiết kế còn phải tính toán kỹ lưỡng khả năng chịu lực của robot khi mô phỏng lại robot UR3 với vật liệu rẻ hơn, chịu lực yếu hơn như nhựa in 3D… Để hoàn thành đề tài, nhóm đặt ra các mục tiêu cụ thể sau:

Chế tạo mô hình thực nghiệm robot UR3: thiết kế và thử từng khớp một

Nghiên cứu và áp dụng phương pháp động học nghịch thông minh cho robot

Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát robot

1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình mô phỏng robot UR3

Phương pháp giải động học nghịch thông minh áp dụng cho mô hình

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phát triển và điều khiển mô hình mô phỏng theo hình dáng của DRC3 :

 Mô hình hoàn chỉnh

 Bộ điều khiển robot

 Giao diện giám sát và điều khiển robot

1.4.3 Giới hạn đề tài

Đề tài chỉ dừng lại ở việc mô phỏng hình dáng của robot UR3 và dùng phương pháp động học nghịch thông minh để giải và điều khiển robot theo ý muốn Do dùng vật liệu là nhựa in 3d nên nhóm đã cân chỉnh lại hình dáng của robot để tăng khả năng chịu lực cho các khớp dưới cũng như giảm khối lượng của các khớp ở phía trên Độ chính xác sẽ không được như phiên bản thực và còn bị hạn chế nhiều về phương thức hoạt động

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Mô phỏng theo Robot UR3 là một đề tài tương đối khó đối với sinh viên vì số bậc của robot là 6 nên quá trình thiết kế phần cứng và tính toán các công thức sẽ gặp khá nhiều khó khăn Tuy nhiên đây cũng là cơ hội để sinh viên thử sức mình cũng như thể hiện sự chuẩn xác và đa dạng của phương pháp động học nghịch thông minh khi

áp dụng cho các robot bậc cao - ở đây là 6 bậc

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Robot 6 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt là robot UR3 đang phát triển mạnh trong y tế, những công việc đòi hỏi độ cơ động và chính xác cao như khâu vết thương, phẫu thuât là những tính năng vượt trội mà robot UR3 có được nhờ vào cấu hình của mình

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lí thuyết về các phương pháp tính toán cho robot 6 bậc tự do

Nghiên cứu về lí thuyết phương pháp tính động học nghịch thông minh Mô phỏng, kiểm chứng tính đúng sai và độ chính xác của phương pháp

Áp dụng phương pháp động học nghịch thông minh để điều khiển mô hình robot thực tế và đánh giá chất lượng và lựa chọn mạch điều khiển phù hợp với mô hình

1.7 Kết cấu luận văn

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cở sở lý thuyết

Chương 3: Khảo sát mô hình toán và mô phỏng kiểm chứng

Chương 4: Thiết kế và thi công mô hình DRC3

Chương 5: Điều khiển mô hình DRC3

Chương 6: Kết quả đạt được và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Băm xung và điều khiển động cơ

Biểu đồ 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống

Ban đầu khi khởi động, robot sẽ ở vị trí thẳng đứng, sau khi nhập vị trí điểm đầu cuối vào giao điện C#, giao diện sẽ tính toán động học nghịch và cho ra thông số góc theta cho từng khớp Tiếp đến, C# sẽ gửi thông số các góc xuống Arduino Arduino tiến hành quy hoạch quỹ đạo cho robot dựa trên các góc được nhận và tiếp hành băm xung để điều khiển robot

2.2 Phần mô hình

Như đã trình bày ở Chương 1, mô hình thực nghiệm DRC3 của nhóm mô phỏng theo hình dáng thực của robot UR3 bằng các vật liệu rẻ hơn, kém chất lượng hơn và có thay đổi một số chi tiết cơ cấu chuyển động so với bản gốc vì giới hạn điều kiện kinh phí của nhóm Tuy nhiên mô hình nhóm thực hiện vẫn mang đầy đủ các tính chất cần thiết của robot 6 bậc tự do UR3

Để thiết kế các chi tiết riêng phù hợp với mô hình, nhóm em đã vận dụng các kiến thức đã học và thực hành trong suốt những năm qua, đó là dùng phần mềm SOLIDWORKS

Ngoài ra đồ án còn giúp nhóm có thể vận dụng những kiến thức đã học ở một

số bộ môn khác như:

 Lý thuyết kỹ thuật robot: Tính toán robot

 Thực tập kỹ thuật robot: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình, điều khiển robot dựa trên động học

 Thực tập kỹ thuật điện: Kết nối dây dẫn, dây tín hiệu, kết nối nguồn,…

 Kĩ thuật lập trình và giao tiếp: Lập trình giao điện C# giao tiếp với robot

 Vi xử lý: lập trình MCU để điều khiển robot

 Hệ thống điều khiển tự động: Thiết kế bộ điều khiển cho robot

 Các mô đại cương: Vật lý, toán ,…

2.2.1 Cơ sở ý tưởng mô hình

Đề tài đồ án tốt nghiệp của nhóm về robot 6 bậc tự do, là một hệ thống các vật liệu cơ và điện kết hợp với nhau thành một khối thống nhất và được điều khiển thông qua giải thuật và board mạch điều khiển thích hợp Do đó, mô hình phải thể hiện được tính linh động nhưng vẫn đảm bảo các quy tắc của một mô hình thực nghiệm điển hình:

 Robot gồm có 6 khớp tương ứng với 6 khớp xoay của robot 6 bậc

 Phần thanh để nối các khớp lại với nhau

 Phần giá đỡ robot bằng gỗ để giữ robot không lung lay khi chuyển động

 Phần tủ điện để chứa các board mạch

2.2.2 Thiết kế mô hình dùng SOLIDWORKS

2.2.2.1 Sơ lược về SOLIDWORKS

SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows và

có mặt từ năm 1997, được tạo bởi công ty Dassault Systemes SOLIDWORK Corp SOLIDWORK hiện được dùng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế với hơn 165,000 công ty trên toàn thế giới

Phần mềm SOLIDWORK được biết đến từ phiên bản SOLIDWORK 1995 ViHoth phân phối phần mềm này từ phiên bản 2011 cho đến nay SOLIDWORK đã

có nhiều bước phát triển vượt bậc về tính năng, hiệu suất và khả năng đáp ứng các nhu cầu thiết kế 3D trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp SOLIDWORK còn được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành như: đường ống, kiến trúc, nội thất, xây dựng… nhờ tính năng thiết kế 3D mạnh mẽ và danh mục các giải pháp hỗ trợ đa dạng

Hình 2.1 Cấp độ của phần mềm SOLIDWORKS 2.2.2.2 Xuất file để in 3D cho các chi tiết

Phần cứng bao gồm các vật liệu nhựa in 3d, sắt, nhôm, đai curoa… Một số chi tiết phức tạp để đáp ứng các đặc điểm riêng của mô hình nên nhóm sử dụng SOLIDWORKS để thiết kế chi tiết đó Sau đó xuất file để thi công theo các bước sau: Bước 1: Thiết kế 3D cho chi tiết với số liệu thật cần cho hệ thống

Hình 2.2 Thiết kế 3D chi tiết cần in

Bước 2: Lưu chi tiết lại thành file với tên mong muốn và dưới định dạng STL

Hình 2.3 Lưu chi tiết với định dạng STL

Bước 3: Xác nhận lại một số thông tin và địa chỉ file STL của chi tiết

2.3 Thuật toán điều khiển

Trong quá trình nghiên cứu đồ án về thuật toán điều khiển cho mô hình, nhóm chúng em đã vận dụng những kiến thức nền tảng của lí thuyết điều khiển tự động và

lý thuyết robot Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng phầm mềm MATLAB để tính toán,

mô phỏng và kiểm chứng độ chính xác của kết quả tính toán

2.3.1 Sơ lược lý thuyết điều khiển tự động

2.3.1.1 Các khái niệm cơ bản

Lý thuyết điều khiển tự động là một nhánh liên ngành của kỹ thuật và toán học, liên quan đến hành vi của các hệ thống động lực Đầu ra mong muốn của một hệ thống được gọi là giá trị đặt trước Khi một hoặc nhiều biến đầu ra của hệ thống cần tuân theo một giá trị đặt trước theo thời gian, một bộ điều khiển điều khiển các đầu vào cho hệ thống để đạt được hiệu quả mong muốn trên đầu ra hệ thống.[9]

Ý nghĩa của điều khiển tự động:

 Tăng độ chính xác

 Tăng năng suất

 Tăng hiệu quả kinh tế

2.3.1.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống ĐKTĐ

Biểu đồ 2.2 Sơ đồ tổng quát của một hệ thống ĐKTĐ

Trong đó:

 System: đối tượng điều khiển

 Controller: bộ điều khiển, hiệu chỉnh

 Sensor: cơ câu đo lường và hồi tiếp

 Các loại tín hiệu có trong hệ thống trên:

 u: tín hiệu vào, điều khiển

 y: tín hiệu ra

 z: tín hiệu phản hồi

 e: sai số tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp

2.3.1.3 Phân loại hệ thống ĐKTĐ

Phân loại theo đặc điểm của tín hiệu ra:

 Tín hiệu ra ổn định

 Tín hiệu ra theo chương trình

Phân loại theo số vòng kín:

 Hệ hở: là hệ không có vòng kín nào

 Hệ kín: có nhiều loại như hệ 1 vòng kín, hệ nhiều vòng kín,…

Phân loại theo khả năng quan sát tín hiệu:

 Hệ thống liên tục: quan sát được tất cả các trạng thái của hệ thống theo thời gian

 Hệ thống rời rạc: quan sát được trạng thái của hệ thống tại các thời điểm

2.3.1.4 Các nguyên tắc điều khiển cơ bản

 Nguyên tắc thông tin phản hồi

 Nguyên tắc đa dạng tương xứng

 Nguyên tắc bổ sung ngoài

 Nguyên tắc dự trữ

 Nguyên tắc phân cấp

 Nguyên tắc cân bằng nội

2.3.2 Phần mềm MATLAB

2.3.2.1 Giới thiệu về MATLAB

MATLAB là viết tắt của Matrix Laboratory, được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970, và sau đó là chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại Học Mexico

Hình 2.5 Icon phần mềm MATLAB

MATLAB nguyên sơ được viết bởi ngôn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó vẫn chỉ là một bộ phận được dùng nội bộ trong trường đại học Stanford

Năm 1983, Jack Littl, một người đã học ở MIT và Stanford, đã viết lại MATLAB bằng ngôn ngữ C và nó được xây dựng thêm các thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển tự động, hệ thống hộp công cụ, mô phỏng… Jack xây dựng MATLAB trở thành mô hình ngôn ngữ lập trình trên cơ sở ma trận

2.3.2.2 Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB

MathLab có đầy đủ các kiểu dữ liệu đơn giản như: số nguyên, số thực, ký tự, logic (boolean)

Chuỗi ký tự được đặt trong dấu nháy đơn hoặc nháy kép, chẳng hạn “Viet Nam” Kiểu ma trận đóng vai trò trung tâm trong Matlab, ngoài ra còn có các kiểu dữ liệu cao cấp hơn như: kiểu cell, kiểu struct

Matlab còn hỗ trợ người dùng vẽ biểu đồ, đồ thị để quan sát các thông số một cách trực quan

Ứng dụng của MATLAB tạo điều kiện thuận lợi cho:

 Các khoá học về toán học

 Các kỹ sư, các nhà nghiên cứu khoa học

 Dùng MATLAB để tính toán, nghiên cứu tạo ra các sản phẩm tốt nhất trong sản xuất

2.3.2.3 Hệ thống MATLAB

Hệ thống giao diện của MATLAB được chia thành 5 phần:

Môi trường phát triển Đây là nơi đặt các thanh công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh và các file, ta có thể liệt kê một số như sau:

Hình 2.6 Giao diện MATLAB

Thư viện, các hàm toán học bao gồm các cấu trúc như tính tổng, sin cosin atan, atan2 các phép tính đơn giản đến các phép tính phức tạp như tính ma trận nghịch đảo, trị riêng, chuyển đổi fourier, laplace, symbolic library

Ngôn ngữ MATLAB Đó là các ngôn ngữ cao về ma trận và mảng, với các dòng lệnh, các hàm, cấu trúc dữ liệu vào, có thể lập trình hướng đối tượng

Đồ hoạ trong MATLAB Bao gồm các câu lệnh thể hiện đồ họa trong môi trường 2D và 3D, tạo các hình ảnh chuyển động, cung cấp các giao diện tương tác giữa người sử dụng và máy tính

Giao tiếp với các ngôn ngữ khác MATLAB cho phép tương tác với các ngôn ngữ khác như C, Fortran …

2.3.3 Quy hoạch quỹ đạo cho Robot

Qui hoạch quỹ đạo là tạo các tín hiệu vào tham chiều cho bộ điều khiên robot

để robot di chuyền theo quỹ đạo mong muốn Quỹ đạo điểm-điểm là quỹ đạo đi qua hai điêm định trước trong thời gian xác định, quỹ đạo đường là quỹ đạo đi qua nhiều điềm theo một đường liên tục xác định trước Ta có thể qui hoạch trong không gian biến khớp nghĩa là tín hiệu tham chiềếu là giá trị đặt cho các biến khớp qd(t) hoặc qui hoạch trong không gian làm việc với tín hiệu tham chiều Xd(t) là vị trí và hướng trong không gian

Ta muốn đầu công tác đi qua hai điểm xác định trong không gian, từ vị trí đầu

chuyển đầu công tác đến vị trí đã định và đọc các biến khớp tương ứng, xác định các giá trị đầu và cuối cho các biến khớp q0= q(t0), qf= q(tf) Xét cho một biến khớp, ta tìm biêu thức cho q(t) thỏa mãn điều kiện về vị trí và vận tốc ở thời điểm đầu và cuối, đôi khi xét thêm điều kiện về gia tốc

Nếu chọn vận tốc đầu và cuối là 0 ta được

Biểu đồ 2.3 Quỹ đạo bậc 3

Quỹ đạo đa thức bậc ba (Biểu đồ 2.3) có gia tốc đầu và cuối khác 0 Để cho chuyển động mượt hơn ta thêm hai điều kiện là gia tốc đầu và cuối bằng 0, như vậy q(t) có bậc là 5 (2.5)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT BẰNG MATLAB

3.1 Tính toán, mô phỏng và kiểm chứng động học thuận

Tiếp theo để tính động học thuận chúng ta phải áp dụng công thức (Hình 3.2)

để tìm giá trị của các ma trận xoay (ma trận 𝑖+1𝑖𝑇) từ đó tìm ra giá trị điểm đầu cuối của robot Pee (End-Effector Position)

Để tìm được tọa độ điểm Pee ta lấy ma trận 𝑇60 nhân với ma trận vị trí của tọa

độ điểm cuối so với hệ trục tọa độ theo công thức:

3.2.1 Tính toán động học nghịch bằng phương pháp đại số

Áp dụng các kết quả tính toán động học ngược bằng phương pháp đại số [Tài liệu tham khảo, bài giảng của thầy Ts Đặng Xuân Ba và quyển sách Introduction to Robotics], ta thu được các giá trị biến khớp mong muốn: