Điều khiển Robot SCARA: Nhận Dạng và Quỹ Đạo - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

I. Tổng quan về Đồ án HCMUTE Nhận dạng Robot SCARA

Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) ngày càng chứng tỏ vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động. Với ưu điểm về độ chính xác và khả năng hoạt động ổn định, robot SCARA thường được ứng dụng trong lắp ráp linh kiện điện tử, đóng gói sản phẩm, và nhiều tác vụ khác. Tuy nhiên, để khai thác tối đa tiềm năng của robot SCARA, việc điều khiển quỹ đạo và nhận dạng chính xác các thông số là vô cùng quan trọng. Đồ án HCMUTE tập trung vào việc xây dựng hệ thống điều khiển quỹ đạo chuyển động robot SCARA theo các quỹ đạo định trước, đồng thời đề xuất phương pháp nhận dạng thông số cho robot. Dự án này nghiên cứu robot SCARA với bốn bậc tự do, xây dựng các phương trình động học và động lực học theo phương pháp Lagrange-Euler, thiết kế quỹ đạo đường thẳng và đường cung tròn ứng dụng điều khiển robot chạy theo quỹ đạo được tạo thành từ hai quỹ đạo cơ bản này. Đồng thời tiến hành tính toán quỹ đạo khớp tối ưu sử dụng chuỗi Fourier và Optimization Toolbox trong Matlab và sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để nhận dạng thông số robot. Theo đồ án, hệ thống điều khiển được thiết kế và thi công sử dụng bộ điều khiển PLC dòng Q với các module hỗ trợ tương ứng để điều khiển động cơ AC servo kết hợp với driver Mitsubishi MR-J3 -10B. Thiết kế giao diện người dùng trên PC, giao tiếp với PLC thông qua phần mềm MX Component. Đề tài hoàn thiện phần cơ khí cho robot, thiết kế chế tạo đồ gá động cơ, đầu công tác và bàn vẽ robot. Hoàn thiện hệ thống điều khiển vị trí đảm bảo được độ chính xác, điều khiển robot chạy bám đúng theo quỹ đạo đường thẳng, đường cung tròn và các đường tạo từ hai thành phần này. Đồng thời chứng minh được phương pháp bình phương cực tiểu phù hợp để nhận dạng thông số. Đồ án này không chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết mà còn mang tính ứng dụng cao trong thực tế sản xuất.

1.1. Robot SCARA Ưu điểm và ứng dụng thực tế

Robot SCARA nổi bật với độ chính xác cao, khả năng hoạt động ổn định và tốc độ nhanh, phù hợp cho các công việc lặp đi lặp lại trong môi trường công nghiệp. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện tử, thực phẩm, và sản xuất hàng tiêu dùng. "SCARA là robot phổ biến trong công nghiệp, được ứng dụng chủ đạo trong các hệ thống dây chuyền tự động thực hiện các tác vụ như lắp ráp linh kiện điện tử, đóng gói sản phẩm…" Theo một nghiên cứu, việc sử dụng robot SCARA có thể giúp tăng năng suất lên đến 30% trong một số quy trình sản xuất nhất định.

1.2. Mục tiêu của đồ án HCMUTE Nhận dạng và điều khiển quỹ đạo

Đồ án HCMUTE đặt ra mục tiêu xây dựng hệ thống điều khiển cho robot SCARA có khả năng di chuyển theo các quỹ đạo định trước một cách chính xác. Đồng thời, đồ án tập trung vào việc nhận dạng các thông số quan trọng của robot để nâng cao hiệu quả điều khiển. Công việc này đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về động học robot, động lực học, điều khiển tự động và lập trình. Nhóm thực hiện đồ án mong muốn áp dụng những kiến thức, kỹ thuật đã được học để xây dựng một mô hình điều khiển cho robot có thể ứng dụng làm mô hình để thực hành trong các môn học liên quan đến robot, điều khiển tự động trong tương lai.

1.3. Phương pháp tiếp cận Mô phỏng và thực nghiệm

Đồ án sử dụng kết hợp phương pháp mô phỏng và thực nghiệm để đạt được mục tiêu đề ra. Quá trình mô phỏng trên Matlab giúp kiểm tra và tối ưu hóa các thuật toán điều khiển trước khi triển khai trên robot thực tế. Việc sử dụng bộ điều khiển PLC và các module hỗ trợ cho phép điều khiển robot một cách chính xác và linh hoạt. Đồng thời, phương pháp bình phương cực tiểu được áp dụng để nhận dạng thông số của robot, đảm bảo tính chính xác của mô hình điều khiển. Mô phỏng thử nghiệm robot trên Matlab giúp tiết kiệm thời gian hơn trong quá trình tính toán, hoàn thiện mô hình.

II. Phân tích Bài toán Động học và Động lực học Robot SCARA

Để điều khiển quỹ đạo chuyển động robot SCARA một cách hiệu quả, việc xây dựng mô hình động học và động lực học chính xác là vô cùng quan trọng. Động học nghiên cứu về chuyển động của robot mà không xét đến lực, trong khi động lực học xem xét cả lực và mô-men tác động lên robot. Đồ án HCMUTE tập trung vào việc xây dựng các phương trình động học thuận và nghịch cho robot SCARA bốn bậc tự do. Động học thuận cho phép xác định vị trí và hướng của khâu cuối dựa trên giá trị các biến khớp, trong khi động học nghịch giải quyết bài toán ngược lại: tìm giá trị các biến khớp để đạt được vị trí và hướng mong muốn cho khâu cuối. Ngoài ra, đồ án cũng xây dựng phương trình động lực học theo phương pháp Lagrange-Euler, cho phép xác định lực và mô-men cần thiết tại các khớp để điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Mô hình động học và động lực học này là cơ sở để thiết kế các thuật toán điều khiển và nhận dạng thông số cho robot SCARA.

2.1. Xây dựng Phương trình Động học Thuận và Nghịch

Động học thuận cho phép xác định vị trí và hướng của khâu cuối dựa trên giá trị các biến khớp. Động học nghịch giải quyết bài toán ngược lại: tìm giá trị các biến khớp để đạt được vị trí và hướng mong muốn cho khâu cuối. Để xây dựng phương trình động học, đồ án sử dụng quy tắc Denavit-Hartenberg (DH) để gắn hệ tọa độ vào các khâu và khớp của robot. Từ đó, các ma trận chuyển đổi được tính toán để mô tả mối quan hệ giữa các hệ tọa độ. Phương trình động học thuận được suy ra từ việc nhân các ma trận chuyển đổi này lại với nhau. Bài toán động học nghịch thường phức tạp hơn và có thể có nhiều nghiệm hoặc không có nghiệm. Đồ án sử dụng các phương pháp giải tích hoặc số để tìm ra các nghiệm của bài toán động học nghịch.

2.2. Phương pháp Lagrange Euler Phân tích Động lực học SCARA

Phương pháp Lagrange-Euler là một công cụ mạnh mẽ để xây dựng phương trình động lực học cho robot. Phương pháp này dựa trên việc tính toán động năng và thế năng của hệ thống, sau đó sử dụng phương trình Lagrange để suy ra phương trình chuyển động. Phương trình Lagrange-Euler có dạng tổng quát: M(θ)θ̈ + C(θ, θ̇)θ̇ + G(θ) = τ, trong đó M là ma trận quán tính, C là ma trận Coriolis và lực ly tâm, G là vector trọng lực, θ là vector biến khớp, và τ là vector mô-men lực tại các khớp. Đồ án sử dụng phương trình Lagrange-Euler để xác định lực và mô-men cần thiết tại các khớp để điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo mong muốn.

2.3. Xác định Jacobian và Vận tốc Đầu Công tác

Ma trận Jacobian là một công cụ quan trọng để phân tích mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc đầu công tác. Ma trận Jacobian cho phép tính toán vận tốc đầu công tác dựa trên vận tốc khớp, và ngược lại. Điều này rất hữu ích trong việc thiết kế các thuật toán điều khiển vận tốc và vị trí cho robot. Đồ án xác định ma trận Jacobian cho robot SCARA bằng cách lấy đạo hàm của phương trình động học thuận theo các biến khớp. Vận tốc đầu công tác được tính toán dựa trên ma trận Jacobian và vận tốc khớp.

III. Cách Nhận dạng Thông số và Quy hoạch Quỹ đạo Robot SCARA

Trong quá trình xây dựng hệ thống điều khiển, việc nhận dạng chính xác các thông số của robot SCARA là vô cùng quan trọng. Các thông số này bao gồm khối lượng, mô-men quán tính, kích thước hình học của các khâu, và các thông số ma sát tại các khớp. Việc nhận dạng thông số giúp nâng cao độ chính xác của mô hình động lực học và cải thiện hiệu quả điều khiển. Đồ án HCMUTE đề xuất phương pháp bình phương cực tiểu (Least Squares) để nhận dạng các thông số của robot SCARA. Phương pháp này dựa trên việc thu thập dữ liệu về mô-men lực và vị trí khớp trong quá trình robot hoạt động, sau đó sử dụng thuật toán tối ưu hóa để tìm ra các thông số sao cho sai số giữa mô hình và dữ liệu thực tế là nhỏ nhất. Bên cạnh đó, đồ án cũng tập trung vào việc quy hoạch quỹ đạo chuyển động cho robot, đảm bảo robot có thể di chuyển theo các quỹ đạo định trước một cách mượt mà và chính xác.

3.1. Phương pháp Least Squares Nhận dạng Thông số Robot

Phương pháp bình phương cực tiểu là một kỹ thuật phổ biến để ước lượng các thông số của mô hình toán học dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Trong đồ án, phương pháp này được sử dụng để nhận dạng các thông số động lực học của robot SCARA. Quá trình nhận dạng bao gồm các bước sau: thu thập dữ liệu về mô-men lực và vị trí khớp, xây dựng phương trình động lực học dưới dạng tuyến tính, thiết lập hàm mục tiêu là tổng bình phương sai số giữa mô hình và dữ liệu, và sử dụng thuật toán tối ưu hóa để tìm ra các thông số sao cho hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất. Theo tài liệu gốc, "Đề tài hoàn thiện phần cơ khí cho robot thiết kế chế tạo đồ gá động cơ, đầu công tác và bàn vẽ robot. Hoàn thiện hệ thống điều khiển vị trí đảm bảo được độ chính xác, điều khiển robot chạy bám đúng theo quỹ đạo đường thẳng, đường cung tròn và các đường tạo từ hai thành phần này. Đồng thời chứng minh được phương pháp bình phương cực tiểu phù hợp để nhận dạng thông số."

3.2. Quy hoạch Quỹ đạo Chuyển động Đường thẳng và Cung tròn

Để điều khiển robot SCARA di chuyển theo các quỹ đạo phức tạp, đồ án sử dụng phương pháp chia nhỏ quỹ đạo thành các đoạn đường thẳng và cung tròn. Việc điều khiển robot di chuyển theo đường thẳng và cung tròn tương đối đơn giản, và các quỹ đạo phức tạp có thể được xấp xỉ bằng cách kết hợp các đoạn đường thẳng và cung tròn lại với nhau. Đồ án sử dụng hàm bậc ba để mô tả quỹ đạo chuyển động của các khớp, đảm bảo robot di chuyển một cách mượt mà và không bị giật. Đồng thời, các ràng buộc về vận tốc và gia tốc của các khớp cũng được xem xét để đảm bảo robot hoạt động trong phạm vi an toàn.

3.3. Tối ưu Quỹ đạo Khớp Sử dụng Chuỗi Fourier

Chuỗi Fourier được sử dụng để biểu diễn quỹ đạo khớp dưới dạng tổng của các hàm sin và cos. Điều này cho phép điều chỉnh quỹ đạo một cách linh hoạt bằng cách thay đổi các hệ số của chuỗi Fourier. Đồ án sử dụng Optimization Toolbox trong Matlab để tối ưu hóa các hệ số của chuỗi Fourier, sao cho quỹ đạo khớp đáp ứng các tiêu chí mong muốn, chẳng hạn như giảm thiểu thời gian di chuyển, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, hoặc giảm thiểu sai số theo dõi. Quỹ đạo của từng khớp được biểu diễn dưới dạng tổng hữu hạn của hàm sine và cosine.

IV. Thiết kế Hệ thống Điều khiển Robot SCARA bằng PLC

Hệ thống điều khiển đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo robot SCARA hoạt động chính xác và hiệu quả. Đồ án HCMUTE lựa chọn bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) dòng Q của Mitsubishi kết hợp với các module hỗ trợ để xây dựng hệ thống điều khiển cho robot. PLC có ưu điểm về độ tin cậy cao, khả năng điều khiển thời gian thực, và khả năng kết nối với nhiều loại cảm biến và thiết bị khác. Hệ thống điều khiển được thiết kế để điều khiển vị trí, vận tốc, và gia tốc của các khớp robot, đồng thời giám sát trạng thái hoạt động của robot và phát hiện các lỗi. Giao diện người dùng được xây dựng trên PC và giao tiếp với PLC thông qua phần mềm MX Component, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát robot.

4.1. Lựa chọn PLC Mitsubishi Q Series và các Module Hỗ trợ

Bộ điều khiển PLC dòng Q của Mitsubishi được lựa chọn vì có hiệu năng cao, khả năng mở rộng linh hoạt, và được hỗ trợ bởi nhiều module chức năng. Các module hỗ trợ bao gồm module điều khiển vị trí QD75MH4, module Digital Input QX42, module Digital Output QY42P, và module giao tiếp Ethernet QJ71E71-100. Module điều khiển vị trí QD75MH4 cho phép điều khiển chính xác vị trí của các động cơ servo. Module Digital Input và Digital Output được sử dụng để kết nối với các cảm biến và thiết bị ngoại vi. Module giao tiếp Ethernet cho phép PLC giao tiếp với PC và các thiết bị khác qua mạng.

4.2. Thiết kế Giao diện Người dùng trên PC MX Component

Giao diện người dùng được xây dựng trên PC bằng phần mềm MX Component, cho phép người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát robot. Giao diện bao gồm các chức năng như điều khiển vị trí, vận tốc, gia tốc của các khớp, hiển thị trạng thái hoạt động của robot, và hiển thị các thông báo lỗi. Giao diện cũng cho phép người dùng tạo và lưu trữ các chương trình điều khiển cho robot. Nhờ có giao diện này, việc vận hành và bảo trì robot trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Thiết kế giao diện người dùng trên PC, giao tiếp với PLC thông qua phần mềm MX Component.

4.3. Kết nối và Cấu hình Hệ thống Điều khiển PLC

Việc kết nối và cấu hình hệ thống điều khiển PLC đòi hỏi sự hiểu biết về phần cứng và phần mềm của PLC. Đồ án mô tả chi tiết các bước kết nối các module PLC với nhau, cài đặt các tham số cho module điều khiển vị trí QD75MH4, cài đặt tham số cho bộ truyền động điện tử, và thiết lập giao thức kết nối giữa PLC và PC. Đồng thời, đồ án cũng trình bày lưu đồ điều khiển chương trình PLC, giúp người đọc hiểu rõ cách hệ thống điều khiển hoạt động.

V. Thực nghiệm và Đánh giá Kết quả Nhận dạng Điều khiển

Sau khi xây dựng xong hệ thống điều khiển và thực hiện nhận dạng thông số cho robot SCARA, đồ án tiến hành các thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Các thử nghiệm bao gồm điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo đường thẳng, quỹ đạo cung tròn, và các quỹ đạo kết hợp. Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình động lực học và hiệu quả của thuật toán điều khiển. Đồng thời, đồ án cũng đánh giá độ chính xác của phương pháp bình phương cực tiểu trong việc nhận dạng thông số robot.

5.1. Chạy Thực nghiệm Quỹ đạo Đường thẳng Cung tròn Kết hợp

Các thử nghiệm quỹ đạo được thực hiện bằng cách lập trình PLC để điều khiển robot di chuyển theo các quỹ đạo định trước. Quỹ đạo đường thẳng được tạo ra bằng cách điều khiển các khớp di chuyển đồng thời để tạo ra chuyển động thẳng của đầu công tác. Quỹ đạo cung tròn được tạo ra bằng cách điều khiển các khớp di chuyển theo các hàm sin và cos. Các quỹ đạo kết hợp được tạo ra bằng cách kết hợp các đoạn đường thẳng và cung tròn lại với nhau. Đề tài hoàn thiện phần cơ khí cho robot, thiết kế chế tạo đồ gá động cơ, đầu công tác và bàn vẽ robot. Hoàn thiện hệ thống điều khiển vị trí đảm bảo được độ chính xác, điều khiển robot chạy bám đúng theo quỹ đạo đường thẳng, đường cung tròn và các đường tạo từ hai thành phần này.

5.2. Nhận xét và Đánh giá Kết quả Độ Chính xác và Hiệu quả

Kết quả thử nghiệm được phân tích để đánh giá độ chính xác của mô hình động lực học và hiệu quả của thuật toán điều khiển. Sai số giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng được tính toán để đánh giá độ chính xác của mô hình. Hiệu quả của thuật toán điều khiển được đánh giá dựa trên thời gian di chuyển, năng lượng tiêu thụ, và độ mượt của quỹ đạo.

VI. Kết luận và Hướng phát triển Đề tài Robot SCARA

Đồ án HCMUTE đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong việc xây dựng hệ thống điều khiển và nhận dạng thông số cho robot SCARA. Hệ thống điều khiển được thiết kế có độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định. Phương pháp bình phương cực tiểu đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc nhận dạng các thông số của robot. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng cho đề tài này. Trong tương lai, có thể nghiên cứu các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, chẳng hạn như điều khiển thích nghi, điều khiển học máy, hoặc điều khiển dựa trên thị giác. Đồng thời, có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của robot SCARA trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như y tế, nông nghiệp, hoặc giáo dục.

6.1. Tổng kết Kết quả đạt được Hệ thống Điều khiển Nhận dạng

Đồ án đã hoàn thiện hệ thống điều khiển vị trí đảm bảo được độ chính xác, điều khiển robot chạy bám đúng theo quỹ đạo đường thẳng, đường cung tròn và các đường tạo từ hai thành phần này. Đồng thời chứng minh được phương pháp bình phương cực tiểu phù hợp để nhận dạng thông số.

6.2. Hướng Nghiên cứu Mở rộng Điều khiển nâng cao Ứng dụng mới

Các hướng nghiên cứu mở rộng có thể bao gồm: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển nâng cao (ví dụ: điều khiển thích nghi, điều khiển dựa trên học máy) để cải thiện hiệu suất và độ bền vững của hệ thống. Tích hợp hệ thống thị giác máy tính để cho phép robot nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh. Phát triển các ứng dụng mới cho robot SCARA trong các lĩnh vực như y tế, nông nghiệp, hoặc giáo dục.

Đồ án HCMUTE: Nhận dạng và Điều khiển Quỹ đạo Robot SCARA

LỜI CAM KẾT

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1. Đối tượng nghiên cứu

1.4.2. Phạm vi nghiên cứu

1.5. Phương pháp nghiên cứu

1.5.1. Cơ sở phương pháp luận

1.5.2. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1. Robot công nghiệp

2.2. Robot SCARA và ứng dụng

2.3. Đặc tính của hệ thống

2.4. Kết cấu hệ thống

2.4.1. Cơ cấu truyền động

2.4.2. Thông số hệ dẫn động

2.4.3. Các thiết bị khác

2.5. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước

2.5.2. Các nghiên cứu trong nước

2.5.3. Các tồn tại của hệ thống

2.6. Các kiến thức liên quan về robot

2.6.1. Bậc tự do của robot

2.6.2. Không gian công tác

2.6.3. Động lực học

2.6.4. Phương trình Lagrange -Euler

2.6.5. Phương pháp Least Squares

3. CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

3.1. Động học robot

3.1.1. Động học thuận

3.1.2. Động học nghịch

3.2. Động lực học robot

3.2.1. Xác định thông số động học

3.2.2. Jacobian và vận tốc đầu công tác

3.2.3. Phương trình Lagrange - Euler

4. CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG VÀ QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT

4.1. Yêu cầu của đề tài

4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.3. Lựa chọn phương án

4.4. Trình tự công việc tiến hành

4.5. Nhận dạng thông số robot

4.5.2. Quỹ đạo khớp tối ưu

4.5.3. Mô hình nhận dạng thông số

4.5.4. Bộ dự báo hồi quy tuyến tính

4.5.5. Phương pháp Least Squares

4.6. Quy hoạch quỹ đạo chuyển động robot

4.6.1. Quy hoạch quỹ đạo theo đường thẳng

4.6.2. Thiết kế quỹ đạo theo đường cung tròn

5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

5.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển

5.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống

5.2.1. Động cơ AC Servo

5.2.2. Driver Servo và hệ thống mạng SSCNET III

5.2.3. Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi Q series

5.2.4. Các module hỗ trợ

5.3. Hệ thống trạm PLC

5.3.1. Các thiết bị liên quan

5.4. Cài đặt thông số cho module QD75MH4

5.4.1. Cài đặt tham số cho bộ điều khiển Servo

5.4.2. Cài đặt tham số của bộ truyền động điện tử (Electronic gear)

5.4.3. Giới hạn tốc độ (Speed limit value)

5.4.4. Các tham số khác

5.6. Thiết kế giao diện người dùng

5.6.1. Cấu hình giao thức kết nối PLC và Visual Studio

5.6.2. Kết nối SQL Server với Visual Studio

5.6.3. Giao diện ứng dụng điều khiển robot SCARA

5.6.4. Màn hình chính

5.6.5. Màn hình chế độ JOG

5.6.6. Màn hình chế độ tự động