Đồ án tốt nghiệp thiết kế và điều khiển thực tế ảo robot 6 bậc tự do

Tải đồ án tốt nghiệp thiết kế, điều khiển robot 6 bậc tự do bằng thực tế ảo. Tài liệu chi tiết về động học, cảm biến IMU và lập trình Arduino.

• Tác giả: Trần Lưu Phúc Hoà
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Điều Khiển Thực Tế Ảo Robot 6 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Robot 6 Bậc Tự Do

Đồ án: Thiết kế & điều khiển Robot 6 bậc tự do bằng VR là một công trình nghiên cứu độc đáo được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Đây là sự kết hợp giữa công nghệ thực tế ảo (VR) và robot công nghiệp hiện đại. Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một mô hình cánh tay robot sáu bậc tự do có khả năng hoạt động ổn định, chính xác và được điều khiển một cách linh hoạt thông qua công nghệ VR. Đồ án này không chỉ đơn thuần là một bài tập lý thuyết mà còn là ứng dụng thực tiễn của các kiến thức về động học robot, điều khiển tự động và cảm biến quán tính. Thông qua công trình này, các kỹ sư trẻ đã chứng minh được khả năng ứng dụng công nghệ tiên tiến vào giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp.

1.1. Mục Tiêu Chính Của Đồ Án

Mục tiêu của đồ án là tạo ra một cánh tay robot 6 bậc tự do có thể mô phỏng chính xác các chuyển động của cánh tay người. Hệ thống được điều khiển bằng cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) và truyền thông qua Bluetooth. Ngoài ra, đồ án còn tập trung vào việc phát triển bộ điều khiển Arduino mạnh mẽ, xây dựng giải thuật động học chính xác, và tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động của robot. Các mục tiêu này giúp tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh, có ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như công nghiệp, y học và giáo dục.

1.2. Ý Nghĩa Của Công Trình Nghiên Cứu

Công trình này mang ý nghĩa khoa học và ứng dụng cao. Nó chứng minh rằng công nghệ VR có thể được tích hợp với robot tự động để tạo ra các hệ thống điều khiển mới, tiết kiệm tài nguyên hơn so với các phương pháp truyền thống. So với các phương pháp xử lý ảnh phức tạp, giải pháp sử dụng cảm biến IMU tiêu thụ ít tài nguyên hơn nhưng vẫn đạt độ chính xác tương đối. Đây là bước đột phá trong lĩnh vực robot học tại Việt Nam.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Của Robot 6 Bậc Tự Do

Robot 6 bậc tự do (6-DOF Robotic Arm) là một hệ thống cơ-điện tử phức tạp được thiết kế để mô phỏng chuyển động của cánh tay con người. Khái niệm bậc tự do (Degrees of Freedom) là số lượng các chuyển động độc lập mà một robot có thể thực hiện. Đối với cánh tay robot công nghiệp, mỗi khớp (joint) thường đại diện cho một bậc tự do. Cơ sở lý thuyết của dự án này dựa trên các nguyên lý động học robot (Kinematics), bao gồm động học thuận (Forward Kinematics) và động học nghịch (Inverse Kinematics). Bảng Denavit-Hartenberg được sử dụng để xác định vị trí và hướng của từng khớp, trong khi ma trận biến đổi đồng nhất giúp tính toán vị trí của điểm đầu cuối. Góc Euler được áp dụng để xác định hướng xoay trong không gian ba chiều.

2.1. Động Học Thuận Và Động Học Nghịch

Động học thuận (Forward Kinematics) là quá trình xác định vị trí và hướng của điểm cuối (end-effector) dựa trên các góc khớp đã biết. Quá trình này được thực hiện bằng cách thiết lập bảng Denavit-Hartenberg và tính toán ma trận biến đổi đồng nhất cho mỗi khớp. Ngược lại, động học nghịch (Inverse Kinematics) xác định các góc khớp cần thiết để đạt được vị trí mục tiêu. Cả hai phương pháp đều quan trọng để điều khiển cánh tay robot hoạt động chính xác và ổn định.

2.2. Ứng Dụng Của Thực Tế Ảo Trong Điều Khiển Robot

Thực tế ảo (VR) cho phép người dùng tương tác với robot trong một môi trường mô phỏng trước khi thực hiện các tác vụ thực tế. Trong đồ án này, cảm biến IMU được gắn trên cánh tay người để cấp dữ liệu chuyển động cho hệ thống VR, từ đó điều khiển cánh tay robot theo các chuyển động của cánh tay thực. Phương pháp này giảm thiểu lỗi và tăng độ chính xác trong các tác vụ phức tạp.

III. Thiết Kế Và Cấu Trúc Hệ Thống Robot

Hệ thống Robot 6 bậc tự do được thiết kế theo cấu trúc cánh tay robot công nghiệp kiểu mô phỏng cánh tay con người. Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: (1) Cánh tay robot với sáu khớp quay được kích động bởi servo motor, (2) Bộ điều khiển Arduino (Mega và Uno R3) xử lý các thuật toán điều khiển, và (3) Hệ thống cảm biến IMU để phát hiện chuyển động. Bộ điều khiển Arduino Mega là "bộ não" của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu từ cảm biến, tính toán giải thuật động học, và gửi lệnh điều khiển tới các động cơ servo. Giao thức Bluetooth được sử dụng để truyền thông không dây giữa cảm biến cánh tay người và bộ điều khiển robot. Quy hoạch quỹ đạo (Trajectory Planning) đảm bảo rằng robot di chuyển một cách mượt mà và ổn định nhất.

3.1. Cấu Trúc Cánh Tay Robot Và Các Khớp Quay

Cánh tay robot 6 bậc tự do được cấu tạo từ sáu khớp quay, mỗi khớp đại diện cho một bậc tự do. Các khớp được sắp xếp sao cho tạo ra các chuyển động giống như cánh tay con người: khớp vai (shoulder), khớp khuỷu tay (elbow), khớp cổ tay (wrist). Mỗi khớp được kích động bởi một servo motor có độ chính xác cao, cho phép robot thực hiện các chuyển động phức tạp với độ chính xác cao. Vùng làm việc của robot được xác định dựa trên chiều dài các cánh tay và phạm vi góc của mỗi khớp.

3.2. Hệ Thống Cảm Biến IMU Và Truyền Thông Bluetooth

Cảm biến IMU (Inertial Measurement Unit) được gắn trên ngực, cẳng tay, tay và ngón tay của người dùng. Các cảm biến này đo lường gia tốc, vận tốc góc và từ trường để xác định hướng và vị trí của cánh tay. Dữ liệu được xử lý bằng phương pháp Euler để tính toán các góc xoay trong không gian ba chiều. Thông qua giao thức Bluetooth, các góc này được truyền không dây tới bộ điều khiển robot, cho phép điều khiển thời gian thực.

IV. Kết Quả Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đồ án "Thiết kế & điều khiển Robot 6 bậc tự do bằng VR" đã đạt được những kết quả đáng kể. Cánh tay robot được xây dựng hoạt động ổn định với độ chính xác cao trong việc mô phỏng các chuyển động của cánh tay con người. Giải thuật động học được lập trình vào Arduino Mega cho phép điều khiển linh hoạt và chính xác của sáu khớp quay. Hệ thống cảm biến IMU đã chứng minh hiệu quả trong việc ước tính các góc khớp mà không cần sử dụng xử lý ảnh phức tạp. Phương pháp tiết kiệm tài nguyên này có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực như phẫu thuật robot trong y học, sản xuất công nghiệp, công việc trong môi trường nguy hiểm, và giáo dục kỹ thuật. Công trình này mở ra những khả năng mới cho việc tích hợp công nghệ VR với robot tự động tại Việt Nam.

4.1. Các Kết Quả Đạt Được Từ Đồ Án

Đồ án đã thành công trong việc xây dựng một mô hình robot 6 bậc tự do hoạt động ổn định và chính xác. Thuật toán động học được phát triển cho phép tính toán nhanh chóng vị trí và hướng của điểm cuối. Hệ thống cảm biến IMU đã đạt độ chính xác tương đối cao trong việc phát hiện chuyển động. Truyền thông Bluetooth hoạt động ổn định, cho phép điều khiển robot thời gian thực từ cánh tay con người. Những kết quả này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp tiếp cận mới.

4.2. Ứng Dụng Trong Các Lĩnh Vực Thực Tiễn

Công trình này có tiềm năng ứng dụng cao trong y tế (phẫu thuật robot tele-operated), công nghiệp sản xuất (tự động hóa quy trình), khai thác mỏ và xây dựng (robot thực hiện công việc nguy hiểm), và đào tạo kỹ thuật (huấn luyện toán tử). Công nghệ VR kết hợp với robot tự động tạo ra một nền tảng mạnh mẽ cho những ứng dụng tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Về Đề Tài Chương này trình bày về tính cấp thiết của đề tài trong thực tế, đưa ra mục tiêu, giới hạn và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài. • Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Giới thiệu về cơ sở lý thuyết cơ bản của đề tài:  Lý thuyết về robot và phương pháp tính động học  Cảm biến đo lường quán tính IMU  Các giao thức truyền thông • Chương 3: Thiết Kế Và Tính Toán  Giới thiệu tổng quan, nguyên lý hoạt động của hệ thống  Tính toán thiết kế khung robot  Tính toán thiết kế giải thuật động học  Tính toán thiết kế giải thuật tính cho hệ cảm biến IMU • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trang | 2 Giới thiệu sơ lược về quá trình thi công, mô hình mô phỏng robot và hệ IMU Giới thiệu phần cứng và giải thuật điều khiển Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong quá trình thi công • Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét Và Đánh Giá Chương này trình bày các kết quả đã đạt được và nhận xét, đánh giá các kết quả so với yêu cầu đặt ra • Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tổng kết những kết luận đạt được từ đề tài và đưa ra những đề xuất, hướng phát triển cho đề tài trong tương lai. Trang | 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng Quan Về Thực Tế Ảo 2.

Khái Niệm Thực tế ảo nói đến những mô phỏng do máy tính tạo ra, trong đó một người có thể tương tác trong môi trường 3 chiều bằng các thiết bị điện tử đặc biệt, chẳng hạn như kính mắt đặc biệt có màn hình hoặc găng tay có gắn cảm biến. Trong môi trường nhân tạo mô phỏng, người dùng có thể trải nghiệm các tạo tác và các hành động khác nhau như trong thế giới thực. Chúng ta cảm nhận thế giới xung quanh thông qua các giác quan và cơ chế nhận thức của cơ thể. Các giác quan bao gồm vị giác, xúc giác, khứu giác, thị giác và thính giác, các yếu tố đầu vào được thu thập bởi các giác quan đó, rồi được xử lí bởi bộ não để đưa ra những diễn giải.

Thực tế ảo cố gắng tạo ra một môi trường ảo tưởng có thể biểu thị cho các giác quan của chúng ta bằng thông tin nhân tạo, khiến cho chúng ta tin tằng nó (gần như) là thực. Ứng Dụng Của Thực Tế Ảo Một ví dụ đơn giản về thực tế ảo là phim 3D. Bằng cách sử dụng kính 3D đặc biệt, người ta sẽ có được trải nghiệm tuyệt vời khi cảm nhận chính mình trở thành một phần của bộ phim. Chiếc lá rơi từ trên cây dường như lơ lửng ngay trước mắt người xem, hoặc tiếng một chiếc ô tô chạy quá tốc độ vượt qua một vách đá khiến người xem cảm nhận được độ sâu của vực thẳm hay mang lại trải nghiệm thời gian thực về mùa thu.

Về cơ bản, hiệu ứng ánh sáng và âm thanh của một bộ phim 3D khiến cho thị giác và thính giác của chúng ta tin rằng tất cả đều diễn ra ngay trước mắt chúng ta, mặc dù không có gì tồn tại trong thực tế vật chất. Những tiến bộ công nghệ đã giúp cải tiến hơn nữa so với kính 3D tiêu chuẩn. Giờ đây, người ta có thể biết đến tai nghe VR, một thiết bị nhìn như mũ bảo hiểm, giúp con người khám phá nhiều hơn. Trong luận văn này, ý tưởng của nhóm là sử dụng một màn hình bao gồm loa có chức năng tương tự như kính VR giúp người dùng có thể cảm nhận đơn giản về vị trí, không gian làm việc của robot mà không cần nhìn trực tiếp vào robot.

Từ đó cho con người có cảm giác như có thể điều khiển robot hoạt động tương tự như cánh tay thực của con người. Tổng Quan Về Robot 2. Lịch Sử Phát Triển Robot Ngược dòng thời gian nhìn về quá khứ, ta có thể thấy con người luôn khao khát tạo ra những nhân bản giống con người để phục tùng cho bản thân mình. Mãi đến năm 1921, cụm từ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện trong vở kịch có tựa đề “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Séc, Karel Capek.

Vở kịch nói về sự bùng nổ nổi loạn của những cỗ máy phục dịch. Cụm từ “Robot” ở đây có thể hiểu là những cỗ máy kim loại nhưng biết làm việc và hoạt động như một con người. Đó cũng là một trong những tia lửa nhen nhóm đầu tiên về một giấc mơ chế tạo những cỗ máy có thể mô phỏng được những thao tác lao động của con người. Đến những năm 40, Robot được Issac Asimov, nhà văn viễn tưởng người Nga, mô tả là một cỗ máy tự động mang hình dáng của một con người, mọi cử chỉ hoạt động do chính con người lập trình.

Chính ông là người đã đặt cái tên Robotics cho ngành khoa học nghiên cứu này. Chuỗi sách về robot của Issac Asimov Đến cuối những năm 50, trong giới kỹ thuật bắt đầu xuất hiện những cánh tay máy ghép ứng dụng thủy lực và điện tử, điển hình như tay máy Minitaur 1 và Handyman của General Electric. Năm 1954, một thiết bị mang tên “Cơ cấu bản lề” dùng để vận chuyển hàng hóa theo chương trình do George C.Devol thiết kế được ra đời. Đến năm 1959, con Robot công nghiệp đầu tiên được tạo ra ở công ty Unimation bởi Devol cùng với Goseph F.Engebler, một kỹ sư trẻ của nền công nghiệp hàng không.

Năm 1961, con Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên tại một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jeysey Hoa Kỳ. Cánh tay robot được chế tạo bởi George Devol và Joseph Engelberger 1956 Từ sau những năm 70, con người đã chú trọng hơn vào việc nghiên cứu nâng cao tính năng của Robot bằng cách cho Robot nhận diện môi trường làm việc xung quanh thông qua hàng loạt cảm biến ngoại tín hiệu. Trong giai đoạn này, hàng loạt các công trình nghiên cứu về Robot nổ ra ở nhiều nước, tạo ra các sản phẩm Robot điều khiển thông qua máy tính, các bộ thiết bị giao tiếp giữa người và máy. Robot tự hành là một trong những lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu và chế tạo.

Các công trình nghiên cứu chế tạo ra Robot tự hành theo hướng mô phỏng lại hoạt động cử chỉ của con người và súc vật. Thời điểm đó, các loại Robot này còn chưa được ứng dụng nhiều trong công nghiệp tuy nhiên các loại Robocar (xe robot) lại được nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các dây chuyền hệ thống sản xuất tự động. Ngày nay, ngành khoa học “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực lớn trong nền khoa học, bao hàm nhiều vấn đề nghiên cứu phát triển như cấu trúc động học, lập trình thuật toán quy hoạch quỹ đạo, điều khiển chuyển động, thu thập tín hiệu cảm biến,…Robot được đưa vào làm việc hỗ trợ con người trong nhiều lĩnh vực như công-nông nghiệp, giáo dục, y tế,. Các Khái Niệm Về Robot 2.

Khái Niệm Theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais: Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động, có khả năng định vị , định hướng, được dùng để vận chuyển nguyên vật liệu hoặc hỗ trợ con người trong các công việc đặc biệt, thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau thông qua các chương trình được lập trình sẵn. Theo chuẩn VDI 2806/BRD: Robot là một thiết bị nhiều trục, hoạt động một cách tự động có thể lập trình. Robot được điều khiển bởi các bộ điều khiển ghép nối với nhau, có khả năng học và ghi nhớ các chương trình. Chúng được trang bị đa công nghệ để có thể thực hiện các nhiệm vụ sản xuất gián tiếp và trực tiếp.

Trang | 6 Theo IOTC-1980: Robot là một cỗ máy tự động được liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình, chúng thực hiện chu trình công nghệ một cách chủ động thông qua bộ điều khiển và có thể mô phỏng theo các chức năng tương tự con người. Bậc tự do của Robot Bậc tự do là số khả năng chuyển động quay hoặc tịnh tiến của một cơ cấu. Để Robot chuyển động được trong không gian, cơ cấu chấp hành của Robot phải có một số bậc tự do. Số bậc tự do của Robot được xác định bằng công thức: Trong không gian (3D) 𝑀𝑀 = 6(𝑛𝑛 − 1) − ∑𝑚𝑚 𝑗𝑗=1(6 − 𝑓𝑓𝑗𝑗 ) (2.1) Trong mặt phẳng (2D) 𝑀𝑀 = 3(𝑛𝑛 − 1) − ∑𝑚𝑚 𝑗𝑗=1(3 − 𝑓𝑓𝑗𝑗 ) (2.2) Trong đó: M là số bậc tự do của Robot n là số thanh liên kết (bao gồm mặt đất) m là số lượng khớp nối f là số bậc tự do của khớp nối Để có thể định vị và định hướng phần công tác trong không gian ba chiều theo ý muốn thì Robot cần có 6 bậc tự do (3 bậc định vị và 3 bậc định hướng).

Càng nhiều bậc tự do Robot càng linh hoạt, khéo léo và quỹ đạo di chuyển càng được tối ưu. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) được liên kết qua các khớp nối (joints) tạo thành một chuỗi mắt xích động học xuất phát từ khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ trục tọa độ gắn với khâu cơ bản được gọi là hệ trục tọa độ chuẩn. Các hệ trục ở các khâu còn lại gọi là hệ trục suy rộng.

Trong khi hoạt động cấu hình của robot được xác định bằng các dịch chuyển theo đường hoặc góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.3 Các tọa độ suy rộng của Robot Trang | 7 Các hệ trục tọa độ gắn trên các biến khớp được tuân theo quy tắc bàn tay phải: nắm hai ngón áp út và ngón út của tay phải vào lòng bàn tay, ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa duỗi ra theo phương vuông góc với nhau. Ngón cái sẽ chỉ phương và chiều của trục Z, ngón trỏ chỉ phương và chiều của trục x, và ngón giữa sẽ chỉ phương và chiều của trục y.4 Quy tắc bàn tay phải 2. Vùng Làm Việc Của Robot Vùng làm việc của Robot là toàn bộ thể tích được quét bởi phần công tác khi Robot thức hiện tất cả chuyển động có thể.

Vùng làm việc của Robot bị ràng buộc bởi các thống số hình học của Robot hoặc cơ cấu cơ khí của Robot. Vùng làm việc của Robot thường được biểu thị trực quan qua hai hình chiều bằng và hình chiếu đứng.5 Vùng công tác của robot Trang | 8 2. Cấu tạo của Robot 2. Cấu tạo chung Hình 2.6 Sơ đồ khối các thành phần của robot Một Robot được xây dựng bởi 4 hệ thống chính: Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu và khớp.