I. Tổng quan
Nghiên cứu về robot công nghiệp đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong thời đại công nghiệp 4.0. Đặc biệt, việc điều khiển robot thông qua các hệ thống điều khiển phân tán đang được chú trọng. Luận văn này tập trung vào việc phát triển hệ thống điều khiển cho robot SHEPHENT, một loại robot SCARA, nhằm thực hiện các nhiệm vụ tự động hóa trong sản xuất. Hệ thống điều khiển phân tán cho phép các bộ điều khiển động cơ hoạt động độc lập, giảm thiểu chi phí và tăng tính linh hoạt trong việc điều chỉnh các tham số hoạt động. Theo đó, việc xây dựng một hệ thống điều khiển hiệu quả không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.
1.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là robot SHEPHENT, một loại robot SCARA với cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp. Robot SHEPHENT được thiết kế với ba khớp quay và một khớp tịnh tiến, cho phép thực hiện các nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Việc nghiên cứu động học của robot này là cần thiết để phát triển các thuật toán điều khiển phù hợp, đảm bảo robot hoạt động chính xác và hiệu quả. Đặc biệt, việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa quá trình vận hành của robot, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc trong các dây chuyền sản xuất.
II. Đối tượng ứng dụng Robot SHEPHENT
Robot SHEPHENT là một trong những đại diện tiêu biểu cho robot công nghiệp hiện đại. Với cấu trúc động học đơn giản, robot này có khả năng thực hiện các nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm một cách hiệu quả. Động học của robot SHEPHENT được mô tả thông qua các tham số DH, cho phép xác định vị trí và hướng của tay robot trong không gian. Việc nghiên cứu động học thuận và ngược của robot là rất quan trọng để phát triển các thuật toán điều khiển. Đặc biệt, việc xây dựng hệ thống điều khiển phân tán cho robot SHEPHENT sẽ giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, đảm bảo robot hoạt động chính xác và linh hoạt trong các ứng dụng thực tế.
2.1. Động học vị trí của robot SHEPHENT
Động học vị trí của robot SHEPHENT được xác định thông qua các khớp quay và khớp tịnh tiến. Mỗi khớp được gán một hệ trục tọa độ, cho phép xác định vị trí của tay robot trong không gian. Việc sử dụng phương pháp ma trận DH giúp mô tả chính xác động học thuận của robot, từ đó xác định được vị trí và hướng của tay robot. Đặc biệt, việc nghiên cứu động học ngược cho phép xác định các biến khớp khi biết vị trí tay robot, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các thuật toán điều khiển. Các thuật toán này không chỉ đảm bảo robot di chuyển theo quỹ đạo định trước mà còn phải thỏa mãn các giới hạn của các bộ vi xử lý và khả năng truyền thông trên mạng.
III. Xây dựng module tính quỹ đạo
Module tính quỹ đạo là một phần quan trọng trong hệ thống điều khiển robot SHEPHENT. Việc xây dựng các thuật toán nội suy quỹ đạo giúp robot di chuyển một cách mượt mà và chính xác. Các phương pháp tạo quỹ đạo như PTP (Point to Point) và CP (Continuous Path) được áp dụng để đảm bảo robot thực hiện các chuyển động theo quỹ đạo định trước. Đặc biệt, việc triển khai các module nội suy quỹ đạo trên ngôn ngữ lập trình C++ giúp tối ưu hóa hiệu suất tính toán, từ đó nâng cao khả năng điều khiển của robot. Các ví dụ ứng dụng thuật giải cho thấy tính khả thi và hiệu quả của các thuật toán này trong thực tế.
3.1. Các phương pháp tạo quỹ đạo
Các phương pháp tạo quỹ đạo cho robot SHEPHENT bao gồm việc sử dụng thuật toán nội suy bậc 3 và các phương pháp nội suy khác. Việc tạo quỹ đạo cho các chuyển động PTP và CP giúp robot thực hiện các nhiệm vụ một cách chính xác và hiệu quả. Đặc biệt, việc xây dựng module nội suy quỹ đạo cho phép robot di chuyển theo các quỹ đạo phức tạp mà vẫn đảm bảo tính chính xác và mượt mà. Các yêu cầu cho hệ thống truyền dữ liệu quỹ đạo đến các bộ điều khiển phân tán cũng được đề cập, nhằm đảm bảo rằng các lệnh điều khiển được truyền tải một cách nhanh chóng và chính xác.
IV. Xây dựng cơ sở truyền thông trong hệ điều khiển phân tán
Cơ sở truyền thông là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển robot phân tán. Việc nghiên cứu các chuẩn truyền thông công nghiệp như CAN và các kiến trúc giao thức giúp xây dựng một nền tảng truyền thông hiệu quả cho hệ thống. Các cấu trúc mạng và kỹ thuật truyền dẫn được áp dụng để đảm bảo rằng các bộ điều khiển có thể giao tiếp với nhau một cách hiệu quả. Đặc biệt, việc sử dụng vi xử lý Atmel AT89C51CC02 và dsPic30F4011 giúp tối ưu hóa khả năng truyền thông trong hệ thống. Các tính năng chính của các vi xử lý này được phân tích để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động một cách ổn định và hiệu quả.
4.1. Mạng truyền thông công nghiệp CAN
Mạng truyền thông công nghiệp CAN là một trong những chuẩn truyền thông phổ biến trong lĩnh vực điều khiển chuyển động. Việc tìm hiểu về kiến trúc giao thức và các cấu trúc mạng giúp xây dựng một hệ thống truyền thông hiệu quả cho robot SHEPHENT. Các cơ chế giao tiếp và phân loại thiết bị trong VCCAN được nghiên cứu để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động một cách ổn định và hiệu quả. Đặc biệt, việc triển khai lớp vật lý và lớp ứng dụng giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải dữ liệu trong hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của robot.
V. Triển khai phần cứng và các kết quả đã đạt được
Việc triển khai phần cứng cho robot SHEPHENT là một bước quan trọng trong quá trình nghiên cứu. Các bộ chuyển đổi USB-CAN và bộ điều khiển động cơ servo được thiết kế và chế tạo để đảm bảo rằng robot có thể hoạt động một cách hiệu quả. Kết quả chạy thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra. Các kết quả đạt được không chỉ chứng minh tính khả thi của hệ thống mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển robot trong tương lai. Việc hoàn thiện hệ thống và nâng cấp các thiết bị chấp hành cũng được đề xuất nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của robot trong các ứng dụng thực tế.
5.1. Kết quả chạy thử nghiệm
Kết quả chạy thử nghiệm cho thấy rằng robot SHEPHENT hoạt động ổn định và chính xác trong các nhiệm vụ được giao. Việc thiết kế và chế tạo phần cơ khí và mạch điện tử đã được thực hiện thành công, đảm bảo rằng robot có thể thực hiện các chuyển động theo quỹ đạo định trước. Các việc đang được tiến hành để hoàn thiện hệ thống cũng được đề cập, nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của robot trong các ứng dụng thực tế. Kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của hệ thống mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển robot trong tương lai.
