Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho mô

Đề tài nckh thiết kế bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do phục vụ nghiên cứu học thuật hiệu quả

• Tác giả: Nguyễn Thiện Quang Nam
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Và Bộ Giám Sát Lỗi Cho Mô Hình Cánh Tay Robot 4 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: Báo Cáo Tổng Kết Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Của Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển robot

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do là một hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Đề tài này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, nhằm phát triển các công nghệ điều khiển tiên tiến cho hệ thống robot hiện đại. Mục tiêu chính của đề tài NCKH là thiết kế và xây dựng một bộ điều khiển hiệu quả, có khả năng giám sát và phát hiện lỗi trong quá trình hoạt động. Nghiên cứu này kết hợp các phương pháp điều khiển PID, Computed Torque Control (CTC), và Sliding Mode Control (SMC) để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống robot. Ngoài ra, thiết kế bộ điều khiển còn tập trung vào việc phát triển thuật toán giám sát lỗi để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao trong các ứng dụng thực tế.

1.1. Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

Thiết kế bộ điều khiển robot là nền tảng cho sự phát triển công nghệ tự động hóa hiện đại. Đề tài này có ý nghĩa lớn trong việc cải thiện hiệu suất hoạt động, giảm chi phí sản xuất và tăng cường an toàn lao động. Các phương pháp điều khiển được nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lắp ráp ô tô, chế tạo điện tử và y học. Bộ giám sát lỗi giúp phát hiện sớm các hỏng hóc, từ đó bảo vệ thiết bị và con người.

1.2. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do (4-DOF) với cấu trúc giàn. Nghiên cứu bao gồm phân tích động học robot, quy hoạch quỹ đạo, động lực học, và thiết kế các bộ điều khiển. Phạm vi nghiên cứu mở rộng từ mô phỏng trên Matlab-Simulink đến xây dựng phần cứng thực tế. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển được kiểm chứng qua cả mô phỏng lẫn thực nghiệm.

II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển

Lý thuyết cơ bản cho thiết kế bộ điều khiển bao gồm nhiều khía cạnh quan trọng của hệ thống robot. Đầu tiên là động học robot, bao gồm động học thuận (Forward Kinematics) xác định vị trí đầu thực hiện dựa trên các góc khớp, và động học nghịch (Inverse Kinematics) xác định các góc khớp từ vị trí mong muốn. Quy hoạch quỹ đạo (Trajectory Planning) giúp xác định đường đi tối ưu từ điểm xuất phát đến điểm đích. Động lực học robot mô tả mối quan hệ giữa các lực tác dụng và chuyển động của robot. Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, Computed Torque Control, và Sliding Mode Control đều được áp dụng để điều khiển vị trí các khớp robot. Ngoài ra, bộ giám sát lỗi sử dụng các thuật toán phát hiện để theo dõi trạng thái hệ thống và cảnh báo khi có sự cố.

2.1. Phương pháp điều khiển PID và Computed Torque Control

Bộ điều khiển PID là phương pháp điều khiển cổ điển, đơn giản và hiệu quả, gồm ba thành phần: Proportional (P), Integral (I), và Derivative (D). Phương pháp này điều chỉnh tín hiệu điều khiển dựa trên sai số vị trí hiện tại. Computed Torque Control (CTC) hay tuyến tính hóa phản hồi là phương pháp nâng cao hơn, sử dụng mô hình động lực học robot để bù lực phi tuyến, giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống.

2.2. Sliding Mode Control và bộ giám sát lỗi

Sliding Mode Control (SMC) là phương pháp điều khiển phi tuyến, có khả năng chống nhiễu cao và đảm bảo sự hội tụ nhanh của sai số. Phương pháp này tạo ra một bề mặt trượt (sliding surface) trong không gian pha và buộc hệ thống chuyển động trên bề mặt này. Bộ giám sát lỗi sử dụng các thuật toán phát hiện dịch chuyển nhân vật (CUSUM hoặc các phương pháp thích ứng) để theo dõi hiệu suất hệ thống và cảnh báo các trạng thái bất thường.

III. Thiết kế phần cứng và phần mềm

Thiết kế bộ điều khiển thực tế bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng gồm các thành phần chính: khung robot 4 bậc tự do được thiết kế từ SolidWorks, động cơ servo để điều khiển các khớp, các cảm biến đo lường góc khớp, và vi điều khiển để xử lý tín hiệu điều khiển. Thiết kế mạch điện bao gồm mạch điều khiển động cơ, mạch xử lý cảm biến, và các mạch bảo vệ. Phần mềm điều khiển được lập trình trên vi điều khiển với các thuật toán điều khiển đã được mô phỏng trên Matlab-Simulink. Quá trình thi công phần cứng yêu cầu lắp ráp chính xác các bộ phận cơ khí, đấu nối điện các thiết bị, và hiệu chỉnh các tham số điều khiển. Quy trình này đảm bảo mô hình thực tế hoạt động đúng theo thiết kế và mô phỏng.

3.1. Thiết kế phần cơ khí và lựa chọn thiết bị

Thiết kế phần cơ khí của mô hình robot 4 bậc tự do được thực hiện trong SolidWorks với các yêu cầu về kích thước, trọng lượng, và phạm vi chuyển động. Sau khi thiết kế, các phiên bản được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tốt nhất. Lựa chọn thiết bị bao gồm các động cơ servo có điều khiển vị trí tốt, các khớp nối cần độ cứng cao, và các vật liệu nhẹ nhưng bền. Mục tiêu là xây dựng mô hình vừa có khả năng chứa tải tốt vừa dễ điều khiển.

3.2. Thiết kế phần điện và mạch điều khiển

Thiết kế phần điện sơ đồ khối thể hiện các thành phần chính: vi điều khiển, trình điều khiển động cơ (motor drivers), cảm biến phản hồi, và các mạch bảo vệ. Sơ đồ mạch chi tiết được vẽ trên Proteus, bao gồm mạch nguồn, mạch điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển động cơ như L298N hoặc mô-đun tương đương, và các nút nhấn điều khiển. Bộ điều khiển thực tế được thi công trên bảng mạch in (PCB) để đảm bảo độ tin cậy và dễ bảo trì.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của đề tài NCKH cho thấy hiệu quả của các phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu. Mô phỏng trên Matlab-Simulink sử dụng Simscape để mô hình hóa động lực học robot cho kết quả chính xác, cho phép kiểm tra các thuật toán điều khiển trước khi triển khai trên phần cứng thực tế. Quỹ đạo robot (tròn, điểm-điểm, hoặc đa giác) được mô phỏng và so sánh với quỹ đạo mong muốn. Sai số vị trí các khớp được giám sát để đánh giá hiệu suất điều khiển. Bộ giám sát lỗi được kiểm chứng bằng cách đưa vào các loại lỗi mô phỏng và kiểm tra khả năng phát hiện của nó. Thực nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy các kết quả gần với mô phỏng, xác nhận tính khả thi của thiết kế bộ điều khiển và độ chính xác của quá trình thiết kế.

4.1. Kết quả mô phỏng chưa có bộ điều khiển

Mô phỏng chưa có bộ điều khiển được thực hiện để kiểm chứng mô hình động lực học và quy hoạch quỹ đạo. Kết quả cho thấy hệ thống không có bộ điều khiển sẽ không theo được quỹ đạo mong muốn, sai số vị trí lớn. Dữ liệu này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển có tác dụng giảm sai số và cải thiện chất lượng đáp ứng.

4.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có bộ điều khiển

Kết quả mô phỏng có bộ điều khiển PD, PD-CTC, và SMC cho thấy rằng các phương pháp điều khiển có khả năng làm giảm sai số vị trí đáng kể. Phương pháp SMC có hiệu suất tốt nhất với sai số nhỏ nhất. Thực nghiệm trên mô hình thực tế xác nhận kết quả mô phỏng, cho phép đưa ra kết luận về hiệu quả của các phương pháp thiết kế bộ điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU ❖ Tình hình nghiên cứu và lý do chọn đề tài Cánh tay robot đã phát triển từ những năm 1960 và được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp như hàn, sơn, lắp ráp, vận chuyển,. Trong những năm vừa qua, sự phát triển của khoa học công nghệ, kĩ thuật liên quan đến cánh tay robot không ngừng phát triển hơn nữa. Robot còn được ứng dụng khá rộng rãi trong các ngành y tế, sản xuất, khám phá dưới nước và không gian [1]. Theo ước tính của HBS (Tổ chức nghiên cứu trường Harvard), năm 2019, số lượng robot tại Việt Nam sẽ tăng lên 414.

Nhiều thương hiệu tự động hóa trên thế giới đã đến Việt Nam để chia lại thị phần. Tổng Giám đốc ABB Việt Nam, ông Brian Hull cho biết, sản lượng của ABB (một trong những thương hiệu lớn trong ngành robot thế giới) tại Việt Nam trong ba năm gần đây đã tăng trưởng hai con số mỗi năm. Tập đoàn này đã dành 50% sản lượng tại Việt Nam để xuất khẩu, phần còn lại phục vụ tại thị trường nội địa. Chiến lược phát triển Khoa học và Công nghệ giai đoạn 2011 - 2020 nhằm nâng cao khả năng cạnh tranh kinh tế và đẩy nhanh tốc độ công nghiệp hóa cũng như ưu tiên vào tầm quan trọng của robot công nghiệp và tự động hóa công nghệ cao.

Robot không chỉ là đối tượng nghiên cứu ở các trường đại học, các viện nghiên cứu mà còn được triển khai nghiên cứu ứng dụng ở các công ty, tập đoàn trên thế giới đặc biệt những ai có mong muốn làm việc tại các phòng nghiên cứu và phát triền chuyên về thiết kế thì việc xây dựng, điều khiển một mô hình robot để xâm nhập vào ngành công nghiệp robot là một điều vô cùng quan trọng. Hiện tại, khoảng cách về khoa học công nghệ, trình độ về lĩnh vực robot ở Việt Nam so với thế giới còn khá xa. Họ có nền tảng vững chắc, lịch sử lâu đời về robot [2]. Cánh tay robot ở Việt Nam chỉ mới quan tâm đến những vấn đề căn bản nhất: động học, động lực học, quy hoạch quỹ đạo, xử lí thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, phương pháp điều khiển tuyến tính.

Những vấn đề như điều khiển phi tuyến, quan sát, dự đoán lỗi cho cánh tay robot thì chưa được quan tâm. Điều này dẫn đến nhiều rủi ro, nguy hiểm cho nhà máy 1 cũng như con người khi đang vận hành thực tế. Đó là những hạn chế trong việc nghiên cứu hiện tại của nước ta. Dựa trên tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước đó, nhóm quyết định chọn hướng nghiên cứu về robot, cụ thể hơn là nghiên cứu sâu về các bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do, cụ thể như sau: Đề tài hướng đến nghiên cứu các bộ điều khiển PD, computed torque (CTC), sliding mode (SMC) và bộ giám sát lỗi (FE) trên mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do.

Các đề tài môn học thường sử dụng phương pháp điều khiển vòng hở với độ chính xác thấp nên trong đề tài này sẽ sử dụng động cơ DC Servo có gắn cảm biến encoder để điều khiển vòng kín bằng vi điều khiển STM32F4 và phần mềm Matlab Simulink, phương pháp này sẽ tăng độ chính xác bằng cách giám sát đầu ra và cung cấp dữ liệu từ cảm biến về máy tính để điều chỉnh một cách liên tục tín hiệu điều khiển đầu vào khi cần thiết để giữ cho sai số điều khiển trong mức độ tối thiểu. Tín hiệu phản hồi về hệ thống cho phép bộ điều khiển bù một cách linh động cho những thay đổi trong hệ thống. ❖ Mục tiêu đề tài Đề tài nhằm hướng đến thiết kế, mô phỏng, thi công, xây dựng bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi cho cánh tay robot 4 bậc tự do phục vụ cho nhu cầu nghiên cứu hơn nữa là ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Đề tài có các mục tiêu như sau: - Thiết kế mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do trên phần mềm Solidworks.

- Tính toán động học thuận, nghịch từ mô hình đã thiết kế trên Solidworks. - Quy hoạch quỹ đạo cho cánh tay robot. - Xây dựng phương trình động lực học cho cánh tay robot. - Lập trình động học thuận, nghịch, quỹ đạo và đánh giá kết quả mô phỏng.

- Thiết kế bộ điều khiển PD cho cánh tay robot. - Thiết kế bộ điều khiển CTC cho cánh tay robot. 2 - Thiết kế bộ điều khiển SMC cho cánh tay robot. - Thi công phần cứng dựa trên mô hình đã thiết kế trên Solidworks.

- Thiết kế phần điện cho cánh tay robot. - Áp dụng bộ điều khiển PD, CTC, SMC cho mô hình thực. - Xây dựng và mô phỏng bộ giám sát lỗi (FE) cho cánh tay robot. - Thu thập dữ liệu và đánh giá kết quả.

- Viết báo cáo và các tài liệu liên quan về đề tài. ❖ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài Đề tài tập trung vào đối tượng thiết kế bộ điều khiển và bộ giám sát lỗi mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do với giới hạn như sau: - Board STM32F4, phần mềm Matlab-Simulink. - Robot hoạt động trong vùng không gian tọa độ cầu. - Mô hình sử dụng động cơ DC servo có encoder tương đối, chưa được chính xác tối đa, giới hạn góc quay và vị trí ‘Home’ của robot sẽ được xác định trong phần code điều khiển nhưng do sai số mô hình nên vị trí ’Home’ sẽ không chính xác sau một khoảng thời gian.

- Chỉ thiết kế và mô phỏng bộ giám sát lỗi, không đi sâu vào bộ điều khiển giám sát lỗi. ❖ Phương pháp nghiên cứu Sau khi tham khảo các tài liệu về đối tượng mô hình cánh tay robot công nghiệp trên intenet và nhiều phương pháp truyền động cho cánh tay robot 4 bậc tự do dựa trên những yêu cầu thực tế cùng với sự góp ý và giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn, nhóm đã quyết định được cho mình hướng thực hiện đề tài. Tiến trình thực hiện như sau: - Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do. Tham khảo ý kiến với giáo viên hướng dẫn rồi tối ưu hóa mô hình để đáp ứng được mục tiêu ban đầu dựa trên các vật liệu sẵn có.

3 - Sử dụng Simscape Mutilbody để chuyển đổi mô hình từ Solidworks sang Matlab- Simulink và sử dụng phương trình vi phân để mô phỏng. - Tính toán động học thuận, nghịch và quy hoạch quỹ đạo. - Tìm hiểu board mạch STM32F4 và thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống. - Sử dụng Matlab-Simulink lập trình và mô phỏng quỹ đạo robot.

- Áp dụng bộ điều khiển PD để mô phỏng và đánh giá. - Áp dụng bộ điều khiển CTC để mô phỏng và đánh giá. - Áp dụng bộ điều khiển SMC để mô phỏng và đánh giá. - Thi công, lắp ráp mô hình cánh tay robot.

- Vẽ sơ đồ nguyên lý và kết nối phần điện cho hệ thống. - Nghiên cứu, điều khiển vị trí, chiều quay của 1 động cơ tích hợp encoder. - Áp dụng bộ điều khiển PD điều khiển vị trí từng động cơ riêng lẻ có tích hợp encoder. - Áp dụng bộ điều khiển PD điều khiển vị trí cho cánh tay robot.

- Sử dụng bộ điều khiển PID-CTC điều khiển vị trí cánh tay robot. - Sử dụng bộ điều khiển SMC điều khiển vị trí cánh tay robot. - Thiết kế và mô phỏng bộ giám sát lỗi (FE) cho cánh tay robot. - Điều khiển robot hoạt động theo quỹ đạo, thu thập dữ liệu và đánh giá kết quả.

- Thi công và lắp ráp tủ điện và viết chương trình kiểm tra nút nhấn và đèn báo. - Hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống. Kết luận và rút ra kinh nghiệm cũng như hướng phát triển tương lai. 4 ❖ Giới thiệu nội dung Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 1.

Cơ sở lý thuyết Chương 1 trình bày tổng quan các loại robot trong công nghiệp, phân loại robot, phương pháp truyền động, từ đó làm cơ sở để lựa chọn thiết kế mô hình và thuật toán điều khiển ở các chương sau. Thiết kế phần cứng Chương 2 dựa vào các mô hình đã thiết kế, những phương pháp truyền động ở chương 1 và đúc kết ra thiết kế mô hình phù hợp yêu cầu đề ra. Lựa chọn thiết bị phần cơ khí và phần điện cho mô hình cũng như quy trình thi công phần cứng. Thuật toán và phương pháp điều khiển trong robot Chương 3 trình bày phương pháp tính động học thuận, nghịch, không gian làm việc cùng với quy hoạch quỹ đạo cho cánh tay robot, động lực học, lập trình Matlab-Simulinks, thiết kế bộ điều khiển PD, bộ điều khiển CTC, bộ điều khiển SMC, bộ giám sát lỗi (FE).

Kết quả mô phỏng Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng của hệ thống. Các kết quả được thực hiện để kiểm tra các thuật toán, khảo sát chất lượng điều khiển trên ba bộ điều khiển khác nhau, đó là bộ điều khiển PD, bộ điều khiển computed torque (CTC), bộ điều khiển sliding mode (SMC). Bên cạnh đó là kết quả mô phỏng bộ giám sát lỗi. Kết quả thực nghiệm Chương này sẽ trình bày các kết quả phần cứng cho tới kết quả hoạt động trên mô hình thực được thực hiện trên ba bộ điều khiển khác nhau, đó là bộ điều khiển PD, bộ điều khiển CTC, bộ điều khiển sliding mode.

Kết luận và hướng phát triển Chương 6 trình bày kết luận về đề tài đã thực hiện và các hướng có thể phát triển của đề tài. 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT Chương này sẽ trình bày định nghĩa, thuộc tính, ứng dụng của các loại cánh tay robot trong công nghiệp, cách phân loại robot theo kết cấu và theo phương pháp điều khiển từ đó lựa chọn kết cấu robot phù hợp với yêu cầu đặt ra. Ngoài ra, tìm hiểu quy tắc Denavit- Hartenberg (D-H), lý thuyết quy hoạch quỹ đạo để xây dựng thuật toán cho mô hình, tổng quan về bộ điều khiển PD, bộ điều khiển computed torque (CTC), bộ điều khiển sliding mode (SMC) và bộ giám sát lỗi (FE) cho mô hình.1 Định nghĩa robot: Robot, "Người máy" là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo thường là một hệ thống cơ khí-điện tử [1].

Cánh tay robot là một cỗ máy được lập trình sẵn nhằm thực hiện một công việc nào đó lặp đi lặp lại, tỉ mỉ, tốc độ làm việc cao và độ chính xác của cánh tay robot lớn gấp nhiều lần so với con người [1].