Đồ án: Thiết kế Robot 6 bậc tự do dùng động học nghịch thông minh - Đặng Sỹ Bình

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do. Áp dụng động học nghịch thông minh để giải quyết bài toán, mô phỏng và chế tạo.

• Tác giả: Đặng Sỹ Bình
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
• 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 và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật động học nghịch thông minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về Robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do là một hệ thống cơ-điện tử phức tạp có khả năng hoạt động trong không gian ba chiều với sáu trục quay độc lập. Mỗi bậc tự do tương ứng với một khớp cơ học, cho phép robot thực hiện các chuyển động linh hoạt và chính xác. Các robot này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất, lắp ráp, hàn, vận chuyển và các ngành công nghiệp hiện đại khác. Điều khiển robot 6 bậc tự do đòi hỏi phải giải quyết các bài toán động học phức tạp để xác định vị trí và hướng của tay máy trong không gian làm việc. Sự phát triển của công nghệ điều khiển tự động đã tạo ra những giải pháp tiên tiến cho việc điều khiển các robot này một cách hiệu quả.

1.1. Cấu trúc và thành phần của robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do bao gồm các khớp xoay được nối tiếp nhau, tạo thành chuỗi động học. Mỗi khớp được điều khiển bởi một động cơ servo hoặc động cơ điện với hệ thống phản hồi. Cánh tay robot gồm có phần gốc, các đoạn nối và tay máy (end-effector). Hệ thống điều khiển bao gồm bộ điều khiển chính, cảm biến vị trí, và các mạch điều khiển cục bộ cho từng khớp.

1.2. Ứng dụng và tầm quan trọng của robot 6 bậc tự do

Các robot 6 bậc tự do được sử dụng trong sản xuất ô tô, điện tử, dược phẩm và các ngành công nghiệp khác. Chúng có khả năng thực hiện các tác vụ phức tạp như lắp ráp chính xác, hàn bằng laser, và xử lý vật liệu. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển giúp nâng cao độ chính xác và hiệu suất làm việc.

II. Động học nghịch và bài toán điều khiển robot

Động học nghịch (Inverse Kinematics) là quá trình tính toán các góc của mỗi khớp dựa trên vị trí và hướng mong muốn của tay máy. Đây là một bài toán ngược phức tạp so với động học thuận (Forward Kinematics) vì một vị trí tay máy có thể tương ứng với nhiều cách cấu hình khớp khác nhau. Kỹ thuật động học nghịch được sử dụng để xác định các tham số điều khiển phù hợp. Việc giải quyết hiệu quả bài toán này là nền tảng cho điều khiển robot 6 bậc tự do chính xác. Các phương pháp hiện đại như mô phỏng trên Matlab giúp tối ưu hóa quá trình tính toán và kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán.

2.1. Phương trình động học thuận và nghịch

Động học thuận sử dụng ma trận biến đổi Denavit-Hartenberg để tính vị trí của tay máy từ các góc khớp. Động học nghịch là quá trình ngược lại, giải các phương trình phi tuyến để tìm các góc khớp. Đối với robot 6 bậc tự do không ràng buộc, bài toán này thường có nhiều nghiệm. Phương pháp số học và tối ưu hóa được sử dụng để chọn nghiệm tốt nhất.

2.2. Các phương pháp giải bài toán động học nghịch

Có nhiều phương pháp giải quyết bài toán động học nghịch như phương pháp hình học, phương pháp đại số, và phương pháp số lặp. Kỹ thuật điều khiển thông minh kết hợp các phương pháp này để đạt hiệu quả cao. Mô phỏng bằng Matlab cho phép kiểm tra độ chính xác của các giải pháp trước khi áp dụng thực tế.

III. Kỹ thuật điều khiển thông minh cho robot

Kỹ thuật điều khiển thông minh áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, và mạng nơ-ron nhân tạo. Những kỹ thuật này cho phép điều khiển robot 6 bậc tự do một cách linh hoạt và hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Mô phỏng robot trên Matlab giúp phát triển và kiểm chứng các thuật toán điều khiển trước khi triển khai trên các mô hình thực. Hệ thống điều khiển thông minh có thể tự học từ các tác vụ lặp đi lặp lại, cải thiện độ chính xác theo thời gian. Sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển cổ điển và các kỹ thuật hiện đại tạo ra những giải pháp toàn diện cho thiết kế và điều khiển robot.

3.1. Điều khiển PID và điều khiển thích nghi

Điều khiển PID là nền tảng của hệ thống điều khiển cổ điển, được tối ưu hóa thông qua các giá trị Proportional, Integral, và Derivative. Điều khiển thích nghi tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên sự thay đổi của hệ thống và môi trường. Kết hợp hai phương pháp này tạo nên một hệ thống điều khiển ổn định và đáp ứng nhanh chóng.

3.2. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển robot

Mạng nơ-ron nhân tạo và các kỹ thuật học máy được sử dụng để tối ưu hóa kỹ thuật động học nghịch thông minh. Các thuật toán này có thể dự đoán và bù đắp các sai lệch trong quá trình điều khiển. Mô phỏng các hệ thống này trên Matlab cho phép phát triển nhanh chóng và an toàn.

IV. Mô phỏng và triển khai thực tế robot

Quá trình mô phỏng robot trên Matlab là bước quan trọng trong phát triển hệ thống điều khiển. Matlab cung cấp các công cụ mạnh mẽ để xây dựng mô hình toán học, mô phỏng động lực học, và kiểm chứng các thuật toán. Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do trong môi trường mô phỏng ảo giúp giảm chi phí phát triển và rủi ro. Sau khi hoàn thành mô phỏng, các kết quả được chuyển sang mô hình thực nghiệm robot để kiểm chứng tính đúng đắn. Quá trình này bao gồm hiệu chỉnh các tham số, kiểm tra an toàn, và tối ưu hóa hiệu suất. Kỹ thuật động học nghịch thông minh được áp dụng trực tiếp lên mô hình để đảm bảo robot hoạt động chính xác và đáng tin cậy trong các ứng dụng thực tế.

4.1. Các bước mô phỏng trong Matlab

Bước đầu tiên là xây dựng mô hình Kinematic dựa trên các tham số DH (Denavit-Hartenberg). Tiếp theo, thiết lập các phương trình động học và các hàm điều khiển. Mô phỏng robot được thực hiện với các tín hiệu đầu vào khác nhau để kiểm tra độ ổn định. Cuối cùng, tối ưu hóa các tham số điều khiển để đạt hiệu suất tối ưu.

4.2. Chuyển từ mô phỏng sang ứng dụng thực tế

Sau khi mô phỏng robot thành công, mô hình thực nghiệp được chế tạo với các linh kiện cơ điện tử chất lượng cao. Điều khiển robot thực tế yêu cầu phải xử lý các sai số cơ học và nhiễu môi trường. Các thuật toán được hiệu chỉnh dần dần để phù hợp với hệ thống thực. Kết quả cuối cùng là một robot 6 bậc tự do hoạt động ổn định với độ chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 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 biệt là trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn. Bên cạnh đó, 2 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 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. Tổng quan về robot và UR3 robot 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 3 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 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.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.

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. 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 Công ty AMF của Hoa Kỳ ( American Machine and Foundry Company).

Đến 4 Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 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.