Tài liệu: Đề tài nckh phát triển bộ điều khiển chính xác cho robot 3 bậc

Đề tài nckh phát triển bộ điều khiển chính xác cho robot 3 bậc tự do sử dụng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Đinh Phước Nhiên
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hoá
• Đề tài: Phát Triển Bộ Điều Khiển Chính Xác Cho Robot 3 Bậc Tự Do Sử Dụng Hướng Tiếp Cận Phi Tuyến Thông Minh
• Loại tài liệu: Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu Phát Triển Bộ Điều Khiển Robot

Đề tài nghiên cứu khoa học về phát triển bộ điều khiển cho robot 3 bậc tự do là một công trình quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động và robot học. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển chính xác sử dụng các kỹ thuật điều khiển phi tuyến thông minh, giúp robot hoạt động ổn định trong các điều kiện phức tạp. Tính cấp thiết của đề tài NCKH nằm ở khả năng ứng dụng thực tiễn của robot trong các không gian chật hẹp, đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng tránh va chạm với vật cản. Mục tiêu chính là phát triển thuật toán điều khiển hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống robot công nghiệp hiện đại.

1.1. Tính Cấp Thiết Và Mục Tiêu Đề Tài

Tính cấp thiết của đề tài nằm ở nhu cầu phát triển các robot với độ chính xác cao hơn trong các ứng dụng công nghiệp. Mục tiêu chính là nghiên cứu và phát triển bộ điều khiển có thể giảm thiểu sai số, tăng tính ổn định và cho phép robot hoạt động linh hoạt trong môi trường có vật cản. Sử dụng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển tự động cho robot 3 bậc tự do.

1.2. Nội Dung Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình toán học cho robot, phát triển thuật toán động học ngược thông minh, và thiết kế bộ điều khiển tối ưu. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở robot 3 bậc tự do với focus vào các khớp nối và ràng buộc không gian. Giới hạn đề tài bao gồm việc tập trung vào mô phỏng số và validation qua các thí nghiệm nhằm chứng minh tính hiệu quả của phương pháp điều khiển được đề xuất.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Của Hệ Thống Điều Khiển Robot

Cơ sở lý thuyết cho đề tài phát triển bộ điều khiển bao gồm những nguyên tắc cơ bản về lý thuyết điều khiển tự động và điều khiển thông minh phi tuyến. Hệ thống điều khiển tự động được cấu tạo từ các thành phần chính: bộ cảm biến, bộ điều khiển, và bộ thực hiện. Nguyên lý hoạt động của robot dựa trên việc nhận thông tin từ môi trường, xử lý thông qua bộ điều khiển, rồi đưa ra lệnh điều khiển các khớp nối. Các nguyên tắc điều khiển cơ bản bao gồm tự chỉnh định, bù nhiễu, san bằng sai lệch và phối hợp. Ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh cho phép hệ thống tự thích ứng với các điều kiện thay đổi, giúp bộ điều khiển đạt hiệu suất tối ưu.

2.1. Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động Chuẩn

Lý thuyết điều khiển tự động cổ điển là nền tảng cho mọi hệ thống điều khiển. Cấu trúc cơ bản bao gồm bộ so sánh sai số, bộ điều khiển, và bộ thực hiện. Phân loại hệ thống điều khiển bao gồm hệ thống vòng hở và hệ thống vòng kín. Các nguyên tắc cơ bản như tự chỉnh định, bù nhiễu, san bằng sai lệch và phối hợp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, đặc biệt khi áp dụng cho robot công nghiệp phức tạp.

2.2. Điều Khiển Thông Minh Phi Tuyến

Điều khiển thông minh phi tuyến là một cách tiếp cận hiện đại giúp xử lý các hệ thống phức tạp không thể mô tả bằng mô hình tuyến tính đơn giản. Phương pháp này sử dụng các thuật toán gradient descent và jacobian để tính toán động học ngược một cách tối ưu. Hàm gauss và hàm ràng buộc được áp dụng để điều chỉnh tham số điều khiển, giúp robot hoạt động chính xác với sai số tối thiểu trong không gian hẹp và môi trường có ràng buộc.

III. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Và Bộ Điều Khiển

Quá trình xây dựng mô hình toán học cho robot 3 bậc tự do là bước quan trọng trong việc phát triển bộ điều khiển chính xác. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu phải thực hiện động học thuận để mô tả mối quan hệ giữa vị trí các khớp và vị trị điểm đầu cuối của robot. Tiếp theo, việc tính toán động học ngược giúp xác định góc quay của các khớp từ vị trí mong muốn của điểm cuối. Tính toán động học ngược thông minh sử dụng các thuật toán phi tuyến để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động. Giới hạn sự di chuyển của các khớp được xác định để đảm bảo robot hoạt động trong phạm vi an toàn và tránh va chạm với vật cản. Các thông số kỹ thuật như độ dài khớp nối, sai số hệ thống được tính toán chi tiết để nâng cao độ chính xác.

3.1. Động Học Thuận Và Ngược

Động học thuận xác định vị trí điểm đầu cuối dựa trên góc quay của các khớp sử dụng ma trận biến đổi. Động học ngược giải quyết bài toán ngược lại, tính toán góc khớp từ vị trí mong muốn. Phương pháp tính toán động học ngược cơ bản thường có nhiều giải pháp, nhưng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh sử dụng jacobian giúp tìm ra giải pháp tối ưu với sai số tối thiểu cho hệ thống robot 3 bậc tự do.

3.2. Giới Hạn Ràng Buộc Và Tối Ưu Hóa

Giới hạn sự di chuyển của các khớp phải được xác định rõ ràng dựa trên khả năng cơ khí của robot. Ràng buộc không gian được thiết lập để đảm bảo robot không va chạm với vật cản trong môi trường làm việc. Hàm ràng buộc với các thông số k2, k3 giúp điều chỉnh amplitude của quỹ đạo di chuyển. Tối ưu hóa quỹ đạo sử dụng gradient descent và jacobian để tìm vị trí tối ưu với sai số E tối thiểu, đảm bảo hiệu suất điều khiển cao nhất.

IV. Mô Phỏng Kiểm Chứng Và Kết Quả Ứng Dụng

Mô phỏng số là bước quan trọng để kiểm chứng tính hiệu quả của bộ điều khiển phát triển. Nhóm nghiên cứu đã thực hiện so sánh tín hiệu ngõ ra cho cả ba khớp của robot, so sánh giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu phản hồi thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số điểm đầu cuối với k là hằng số và k là biến số đều ở mức tối thiểu, chứng tỏ tính hiệu quả của thuật toán. Kiểm chứng trong môi trường có nhiễu cho thấy bộ điều khiển có khả năng chống nhiễu tốt và duy tính ổn định cao. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tập san khoa học của các tổ chức khoa học uy tín, mở ra triển vọng ứng dụng trong các cánh tay robot công nghiệp hoạt động trong không gian chật hẹp với yêu cầu độ chính xác cao.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Và Phân Tích

So sánh tín hiệu ngõ ra các khớp cho thấy bộ điều khiển thông minh hoạt động hiệu quả với sai số tối thiểu. Vị trí, vận tốc, gia tốc thay đổi mượt mà từ trạng thái bắt đầu đến trạng thái nghỉ. Quỹ đạo di chuyển qua các vị trí trung gian với vận tốc mong muốn được tối ưu hóa. Sai số điểm đầu cuối với các k là hằng số và k là biến số đều cho kết quả thoả đáng, chứng minh hiệu quả của hướng tiếp cận phi tuyến thông minh trong điều khiển robot 3 bậc tự do.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng

Kết quả nghiên cứu có khả năng áp dụng cao trong các cánh tay robot hoạt động ở vùng không gian chật hẹp với yêu cầu tránh va chạm với vật cản. Bộ điều khiển chính xác này giúp tăng độ chính xác, giảm sai số và cải thiện an toàn. Đóng góp về giáo dục, kinh tế - xã hội là rõ rệt khi công nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp robot và tự động hóa hiện đại, giúp nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan 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 hỗ 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 nghiên cứu khoa học này, chúng em sẽ hướng tới việc xây dựng nên một cánh tay robot và bộ điều khiển thông minh áp dụng cho 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. 1 Do nhu câu 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 nghiệp, đóng tàu, xây dưng, an ninh quốc phòng đang là động lưc cho sư phát triển của ngành công nghiệp robot. Cũng phải nhắc lại rằng theo như dư đoán trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu câu sử dụng một robot cá nhân như nhu câu 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 tri và đặc biệt là trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn. Bên cạnh đó, 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 phi 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 cưc trong đời sống. Với sư 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 câu xã hội và nhu câu 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 Khi, 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 thưc 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 2 Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot tư động được nghiên cứu nhiều như xe tư 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 tư nhiên.2 Mục tiêu đề tài Chúng ta muốn được điều khiển cánh tay robot thì cần tính ra được động học thuận và động học nghịch cùng với động lực học của robot. Nhưng do các thuật toán điều khiển thông thường không đáp ứng được tốt trong tất cả trường hợp, thêm vào đó là phần sai số do phần cứng thiết kế không thể tối ưu một cách hoàn hảo. Tất cả các yếu tố đó sẽ dẫn đến việc sai số cộng dồn rất lớn. Đây cũng là mục tiêu của nhóm khi phát triển theo hướng phát triển bộ điều khiển thông minh.

Nhóm đặt ra mục tiêu để hoàn thành đề tài cụ thể như sau:  Tính toán xây dựng mô hình toán học của robot 3 bậc tự do.  Mô phỏng mô hình toán học của robot 3 bậc tự do  Áp dụng bộ điều khiển thông minh.  Viết 1 bài báo nghiên cứu khoa học.3 Nội dung nghiên cứu STT Nội dung Sản phẩm Người thực Thời gian hiện Phát triển mô Mô hình Nhiên, Nghi, 1 hình toán của đối 4 tháng toán học Bình tượng 3 Nghiên cứu lý Nhiên, Nghi, 2 thuyết phát triển Báo cáo 4 tháng Thành bộ điều khiển Thử nghiệm, 3 Báo cáo 3 tháng Nghi, Thành phân tích kết quả Viết báo cáo 4 Báo cáo 1 tháng Nhiên, Thành tổng kết Bảng 1. Bảng phân công công việc 1.4 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài 1.1 Đối tượng nghiên cứu Mô hình mô phỏng robot 3 bậc tự do.

Phương pháp điều khiển thông minh áp dụng cho mô hình.2 Phạm vi nghiên cứu Phát triển và điều khiển mô hình mô phỏng theo hình dáng robot 3 bậc tự do:  Mô hình toán học hoàn chỉnh  Bộ điều khiển thông minh phi tuyến 1.3 Giới hạn đề tài Đề tài chỉ dừng lại ở việc áp dụng bộ điều khiển thông do thời gian có hạn nên vẫn chưa có ứng dụng cụ thể. 4 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Nguyên lý hoạt động của robot Hình 2. Nguyên lý hoạt động robot Ban đầu khi khởi động, robot sẽ ở vị trị home, tiếp theo ta sẽ nhập các thông số như các góc theta hoặc toạ độ điểm đầu cuối và các thông số điều khiển vào giao diện điều khiển. Giao diện sẽ tính toán động học thuận hoặc nghịch.

Tiếp đến, giao diện sẽ gửi các thông số điều khiển xuống vi điều khiển. Vi điều khiển tiến hành băm xung để điều khiển robot.2 Thuật toán điều khiển Trong quá trình nghiên cứu 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, lý thuyết điều khiển thông minh và lý thuyết robot. Bên cạnh đó, nhóm cũng sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán, mô phỏng và kiểm chứng độ chính xác của kết quả tính toán.1 Lý thuyết điều khiển tự động 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. Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Trong những năm gần đây, các hệ thống điều khiển (HTĐK) càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.

Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điều khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,…Ngay cả các vấn đề như kiểm toán và hệ thống kinh tế xã hội cũng áp dụng từ lý thuyết điều khiển tự động. Ý nghĩa của điều khiển tự động:  Tăng độ chính xác  Tăng tính bền vũng  Tăng năng suất, hiệu quả kinh tế 6 2.2 Cấu tạo cơ bản của hệ thống điều khiển tự động Hình 2. Cấu tạo cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động 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.

• z: tín hiệu phản hồi. • e: sai số tín hiệu đặt và tín hiệu hồi tiếp.3 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tuỳ theo mục đích của sự phân loại.