Thiết Kế Mô Hình và Bộ Điều Khiển Đồng Bộ cho Robot 3 Bậc Tự Do

• Tác giả: Nguyễn Tấn Lực
• 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 mô hình và bộ điều khiển đồng bộ cho hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do dựa trên mạng CAN
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu và mục đích đề tài
• 1.2. Nội dung nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Các công cụ đánh giá
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Định nghĩa robot
• 2.2. Động học thuận tay máy
• 2.3. Động học nghịch tay máy
• 2.4. Lý thuyết quy hoạch quỹ đạo
• 2.5. Lý thuyết điều khiển phân tán
• 2.6. Lý thuyết mạng CAN BUS
• 2.6.1. Khái niệm CAN
• 2.6.2. Thông số kỹ thuật CAN
• 2.6.3. Cấu trúc tin nhắn CAN định dạng chuẩn
• 2.6.4. Chuẩn CAN high speed
• 2.7. Lý thuyết đồng bộ Cross-Coupling
• 2.8. Lý thuyết đồng bộ Master-Slave
• 2.9. Lý thuyết truyền thông UART
• 2.9.1. Định nghĩa UART
• 2.9.2. Nguyên lý hoạt động của UART
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG
• 3.1. Thiết kế phần cơ khí
• 3.2. Yêu cầu phần cứng
• 3.3. Thiết kế và tối ưu mô hình
• 3.4. Tính toán và lựa chọn dây đai
• 3.5. Lựa chọn thiết bị phần cơ khí
• 3.6. Tính toán và lựa chọn động cơ
• 3.7. Tính toán lựa chọn động cơ cho cánh tay robot 1
• 3.8. Tính toán lựa chọn động cơ cho cánh tay robot 2
• 3.9. Thiết kế phần điện
• 3.10. Yêu cầu điều khiển
• 3.11. Thiết kế mạch điện điều khiển cho tủ điện
• 3.12. Lựa chọn thiết bị phần điện
• 3.13. Thi công phần cứng
• 3.14. Thi công phần cơ khí
• 3.15. Thi công phần điện
• 3.16. Thiết kế giao diện điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT ĐỒNG BỘ
• 4.1. Sơ đồ khối hệ thống
• 4.2. Động học của robot
• 4.3. Động học thuận của 1 robot
• 4.4. Động học nghịch của 1 robot
• 4.5. Không gian tọa độ trong robot
• 4.6. Động học thuận của 2 robot
• 4.7. Động học nghịch của 2 robot
• 4.8. Không gian làm việc và quy hoạch quỹ đạo
• 4.9. Không gian làm việc
• 4.10. Thiết kế bộ điều khiển đồng bộ ràng buộc chéo
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 5.1. Chuyển đổi mô hình Simscape sang MATLAB Simulink
• 5.2. Mô phỏng động học
• 5.3. Thiết kế mô phỏng động học
• 5.4. Kết quả mô phỏng động học
• 5.5. Mô phỏng thuật toán điều khiển đồng bộ
• 5.6. Kết quả thuật toán đồng bộ chủ tớ
• 5.7. Kết quả thuật toán đồng bộ ràng buộc chéo
• 6. CHƯƠNG 6: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN ÁP DỤNG MẠNG CAN BUS
• 6.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển phân tán áp dụng mạng CAN
• 6.2. Thiết kế bộ điều khiển phân tán
• 6.3. Thiết lập đường truyền
• 6.4. Lưu đồ giải thuật qua các khối điều khiển
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 7.1. Kết quả phần cứng
• 7.2. Kết quả thực nghiệm
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.1. Phương hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Mô hình robot

Mô hình robot là nền tảng cơ bản để thiết kế và phát triển hệ thống robot. Trong đồ án này, mô hình robot được xây dựng dựa trên hệ thống hai cánh tay robot 3 bậc tự do. Mô hình này được thiết kế trên phần mềm SolidWorks, đảm bảo độ chính xác và tối ưu hóa về kích thước và khối lượng. Cánh tay robot được mô phỏng với các khớp và liên kết, tạo thành hệ thống động học phức tạp. Mô hình này không chỉ phục vụ mục đích nghiên cứu mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp tự động hóa.

1.1 Thiết kế mô hình

Thiết kế mô hình bao gồm việc xác định kích thước, khối lượng và các thông số kỹ thuật của cánh tay robot. Mô hình được thiết kế với kích thước 1500x500x400 mm và khối lượng tổng thể 60 kg. Các khớp và liên kết được tính toán để đảm bảo khả năng hoạt động trong không gian làm việc 30 cm². Mô hình robot tự động này được tối ưu hóa để giảm thiểu sai số và tăng hiệu suất hoạt động.

1.2 Mô phỏng động học

Mô phỏng động học là bước quan trọng để kiểm tra tính khả thi của mô hình robot. Quá trình này bao gồm việc tính toán động học thuận và nghịch, giúp xác định quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình có thể hoạt động ổn định trong không gian làm việc chung, đáp ứng yêu cầu của hệ thống điều khiển robot.

II. Bộ điều khiển robot

Bộ điều khiển robot là thành phần quan trọng giúp hệ thống hoạt động chính xác và đồng bộ. Trong đồ án này, bộ điều khiển robot được thiết kế dựa trên mạng CAN, đảm bảo khả năng điều khiển phân tán và đồng bộ cho hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do. Bộ điều khiển này sử dụng các giải thuật điều khiển robot như Master-Slave và Cross-Coupling để đảm bảo tính đồng bộ và ổn định của hệ thống.

2.1 Thiết kế bộ điều khiển

Thiết kế bộ điều khiển bao gồm việc lựa chọn các linh kiện điện tử và thiết kế mạch điều khiển. Bộ điều khiển được thiết kế để điều khiển đồng bộ hai cánh tay robot thông qua mạng CAN. Các module giao tiếp giữa các vi điều khiển được thiết kế để đảm bảo tính đồng bộ và ổn định của hệ thống. Công nghệ robot được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

2.2 Kiểm chứng giải thuật

Kiểm chứng giải thuật là bước quan trọng để đảm bảo tính chính xác của bộ điều khiển robot. Các giải thuật Master-Slave và Cross-Coupling được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy giải thuật Cross-Coupling có khả năng đồng bộ tốt hơn, giảm thiểu sai số và tăng tính ổn định của hệ thống. Ứng dụng robot trong thực tế sẽ được cải thiện đáng kể nhờ các giải thuật này.

III. Hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do

Hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do là hệ thống phức tạp với nhiều thách thức trong thiết kế và điều khiển. Hệ thống này được thiết kế để hoạt động đồng bộ trong không gian làm việc chung, đảm bảo tính linh hoạt và hiệu quả. Thiết kế robot bao gồm việc tính toán động học, quy hoạch quỹ đạo và thiết kế các giải thuật điều khiển. Hệ thống này có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như lắp ráp, vận chuyển và xử lý vật liệu.

3.1 Tính toán động học

Tính toán động học là bước quan trọng để xác định quỹ đạo chuyển động của hệ hai cánh tay robot. Quá trình này bao gồm việc tính toán động học thuận và nghịch, giúp xác định vị trí và hướng của các khớp trong không gian làm việc. Kết quả tính toán được sử dụng để thiết kế các giải thuật điều khiển, đảm bảo tính đồng bộ và ổn định của hệ thống.

3.2 Quy hoạch quỹ đạo

Quy hoạch quỹ đạo là quá trình xác định đường đi của cánh tay robot trong không gian làm việc. Quá trình này bao gồm việc thiết kế các quỹ đạo từ điểm đến điểm, quỹ đạo hình tam giác và quỹ đạo đường tròn. Kết quả quy hoạch quỹ đạo được sử dụng để kiểm tra tính khả thi của mô hình robot và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.