Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Điều Khiển Hệ Tay Máy và Robot Di Động Bám Theo Quỹ Đạo

Tài liệu nghiên cứu Điều khiển hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Trương Thiện Quân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Hệ Tay Máy Và Robot Di Động Bám Theo Quỹ Đạo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
• 1.1. Tổng quan về robot
• 1.2. Kỹ thuật điều hướng cho robot di động bằng bánh xe
• 1.3. Tóm tắt một số công trình đã nghiên cứu
• 1.4. Nhận xét chung và hướng tiếp cận
• 1.5. Mục tiêu của luận văn
• 1.6. Nhiệm vụ của luận văn
• 1.7. Giới hạn của luận văn
• 1.8. Điểm mới của luận văn
• 1.9. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov
• 2.2. Điều khiển trượt
• 2.2.1. Xuất phát điểm của phương pháp điều khiển trượt
• 2.2.2. Nguyên lý điều khiển trượt
• 2.2.3. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO ROBOT DI ĐỘNG CÓ CÁNH TAY MÁY
• 3.1. Mô hình hình học của robot di động có cánh tay máy hai bánh xe
• 3.2. Mô hình động học của robot hàn có cánh tay máy di động hai bánh xe
• 3.3. Mô hình động lực học của robot hàn di động hai bánh xe
• 3.4. Mô hình học của robot hàn có cánh tay máy nhiều bậc có hai bánh xe
• 3.5. Mô hình động học tay máy
• 3.6. Mô hình hệ thống robot và tay máy di động
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
• 4.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt
• 4.2. Kết quả mô phỏng
• 4.3. Lưu đồ giải thuật điều khiển
• 4.4. Các kết quả mô phỏng
• 4.5. Giải thuật trượt cho cánh tay đa bậc
• 4.6. Kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Những kết quả đạt được
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Điều Khiển Robot Di Động Hiện Nay

Nghiên cứu về điều khiển robot di động đã có những bước tiến đáng kể trong những năm gần đây. Nhiều công trình đã tập trung vào việc tích hợp robot di động với cánh tay máy, đặc biệt trong các ứng dụng như robot hàn. Các phương pháp điều khiển khác nhau đã được áp dụng, từ điều khiển phi tuyến đơn giản đến các kỹ thuật phức tạp hơn như điều khiển trượt thích nghi. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu trước đây thường bỏ qua yếu tố động lực học của hệ thống cơ khí hoặc giả định các thông số nhiễu bên ngoài là đã biết. Điều này dẫn đến việc vận tốc tuyến tính của các điểm hàn không được duy trì ổn định như thiết kế ban đầu. Luận văn này hướng đến giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một bộ điều khiển trượt, tích hợp cả mô hình động học và động lực học, đồng thời xem xét các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài cho robot hàn. Tính ổn định của hệ thống sẽ được chứng minh bằng lý thuyết ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ minh họa tính hiệu quả của bộ điều khiển này.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Robot Di Động và Ứng Dụng

Lịch sử phát triển của robot di động gắn liền với sự tiến bộ của công nghệ điều khiển và tự động hóa. Từ những ứng dụng ban đầu trong công nghiệp, robot di động ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm dịch vụ, y tế, và nông nghiệp. Sự ra đời của các hệ điều hành robot như ROS (Robot Operating System) đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển và triển khai các ứng dụng robot di động phức tạp. Các công nghệ như SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giúp robot di động tự định vị và xây dựng bản đồ môi trường xung quanh.

1.2. Các Loại Robot Di Động Phổ Biến và Đặc Điểm

Có nhiều loại robot di động khác nhau, mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng. Robot di động có bánh xe là loại phổ biến nhất, với nhiều cấu hình khác nhau như hai bánh, ba bánh, hoặc bốn bánh. Robot di động có chân phù hợp với địa hình phức tạp, nhưng thường chậm hơn và tốn năng lượng hơn. Robot di động bay (drone) có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian ba chiều, nhưng bị giới hạn về thời gian hoạt động và tải trọng. Việc lựa chọn loại robot di động phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Robot Di Động Bám Theo Quỹ Đạo

Việc điều khiển robot di động bám theo quỹ đạo đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống trong môi trường thực tế, nơi có thể xuất hiện nhiễu và sai số. Các yếu tố như trượt bánh xe, sai số cảm biến, và sự không chắc chắn trong mô hình hóa hệ thống có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển. Ngoài ra, việc tối ưu hóa quỹ đạo để đạt được hiệu quả năng lượng và thời gian cũng là một vấn đề quan trọng. Các thuật toán lập kế hoạch đường đi cần phải xem xét các ràng buộc về động học và động lực học của robot, cũng như các chướng ngại vật trong môi trường.

2.1. Ảnh Hưởng Của Sai Số Mô Hình Đến Điều Khiển Quỹ Đạo

Sai số mô hình là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu suất trong điều khiển quỹ đạo. Mô hình hóa chính xác động học và động lực học của robot là rất quan trọng, nhưng không thể tránh khỏi sai số do các yếu tố như ma sát, quán tính, và sự không chắc chắn về thông số. Các phương pháp điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững có thể được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của sai số mô hình.

2.2. Vấn Đề Tránh Chướng Ngại Vật Trong Quá Trình Bám Quỹ Đạo

Trong môi trường thực tế, robot di động thường phải đối mặt với các chướng ngại vật tĩnh và động. Việc tránh chướng ngại vật trong khi vẫn duy trì khả năng bám quỹ đạo là một thách thức lớn. Các thuật toán lập kế hoạch đường đi cần phải tích hợp khả năng phát hiện và tránh chướng ngại vật, đồng thời đảm bảo rằng robot vẫn có thể đạt được mục tiêu cuối cùng.

2.3. Yêu Cầu Về Độ Chính Xác và Tốc Độ Trong Ứng Dụng Thực Tế

Nhiều ứng dụng thực tế đòi hỏi robot di động phải có khả năng bám quỹ đạo với độ chính xác cao và tốc độ nhanh. Ví dụ, trong ứng dụng robot hàn, sai số nhỏ trong quỹ đạo có thể dẫn đến mối hàn kém chất lượng. Việc đạt được cả độ chính xác và tốc độ đòi hỏi sự cân bằng giữa các yếu tố như độ lợi của bộ điều khiển, khả năng xử lý của hệ thống, và giới hạn vật lý của robot.

III. Phương Pháp Điều Khiển Trượt Cho Robot Di Động Bám Quỹ Đạo

Phương pháp điều khiển trượt là một kỹ thuật mạnh mẽ để điều khiển robot di động bám theo quỹ đạo, đặc biệt trong các hệ thống có nhiễu và sai số. Điều khiển trượt hoạt động bằng cách ép hệ thống vào một bề mặt trượt được thiết kế sao cho hệ thống đạt được trạng thái mong muốn khi ở trên bề mặt đó. Ưu điểm của điều khiển trượt là tính bền vững cao đối với nhiễu và sai số mô hình. Tuy nhiên, điều khiển trượt có thể gây ra hiện tượng rung lắc (chattering) do sự chuyển mạch nhanh chóng của tín hiệu điều khiển. Các kỹ thuật như điều khiển trượt tích phân và điều khiển trượt lớp biên có thể được sử dụng để giảm thiểu hiện tượng này.

3.1. Xây Dựng Bề Mặt Trượt Phù Hợp Cho Điều Khiển Quỹ Đạo

Việc xây dựng bề mặt trượt phù hợp là bước quan trọng nhất trong thiết kế bộ điều khiển trượt. Bề mặt trượt cần được thiết kế sao cho hệ thống đạt được trạng thái mong muốn (ví dụ, bám theo quỹ đạo) khi ở trên bề mặt đó. Bề mặt trượt thường được định nghĩa dựa trên sai số giữa trạng thái thực tế và trạng thái mong muốn của robot.

3.2. Thiết Kế Luật Điều Khiển Để Đảm Bảo Tính Ổn Định

Luật điều khiển cần được thiết kế sao cho hệ thống bị ép vào bề mặt trượt và duy trì trên bề mặt đó. Luật điều khiển thường bao gồm hai thành phần: một thành phần tương đương (equivalent control) để duy trì hệ thống trên bề mặt trượt, và một thành phần chuyển mạch (switching control) để ép hệ thống vào bề mặt trượt. Tính ổn định của hệ thống có thể được chứng minh bằng lý thuyết ổn định Lyapunov.

3.3. Giảm Thiểu Hiện Tượng Rung Lắc Trong Điều Khiển Trượt

Hiện tượng rung lắc (chattering) là một vấn đề phổ biến trong điều khiển trượt, gây ra bởi sự chuyển mạch nhanh chóng của tín hiệu điều khiển. Các kỹ thuật như điều khiển trượt tích phân và điều khiển trượt lớp biên có thể được sử dụng để làm trơn tín hiệu điều khiển và giảm thiểu hiện tượng rung lắc.

IV. Ứng Dụng Điều Khiển Trượt Trong Robot Hàn Di Động

Luận văn này tập trung vào ứng dụng điều khiển trượt cho robot hàn di động. Robot hàn di động là một ví dụ điển hình về hệ thống phức tạp, đòi hỏi khả năng bám quỹ đạo chính xác trong môi trường có nhiễu và sai số. Việc tích hợp điều khiển trượt với mô hình động học và động lực học của robot hàn cho phép đạt được hiệu suất cao trong việc bám theo đường hàn mong muốn. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tính hiệu quả của phương pháp điều khiển này.

4.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Cho Robot Hàn Di Động

Để thiết kế bộ điều khiển trượt, cần xây dựng mô hình toán học chính xác cho robot hàn di động. Mô hình này bao gồm mô hình động học (mô tả mối quan hệ giữa vận tốc của bánh xe và vận tốc của robot), và mô hình động lực học (mô tả mối quan hệ giữa lực tác dụng lên robot và gia tốc của robot).

4.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Trượt Tích Hợp Mô Hình Động Học và Động Lực Học

Bộ điều khiển trượt được thiết kế dựa trên mô hình động học và động lực học của robot hàn di động. Bề mặt trượt được định nghĩa dựa trên sai số giữa vị trí và hướng của mỏ hàn so với đường hàn mong muốn. Luật điều khiển được thiết kế để ép robot vào bề mặt trượt và duy trì trên bề mặt đó.

4.3. Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm Đánh Giá Hiệu Quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được sử dụng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trượt. Các kết quả này cho thấy rằng bộ điều khiển có khả năng bám theo đường hàn mong muốn với độ chính xác cao, ngay cả khi có nhiễu và sai số. Các kết quả này cũng cho thấy rằng bộ điều khiển có tính bền vững cao và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Robot Di Động

Luận văn đã trình bày một phương pháp điều khiển trượt hiệu quả cho robot hàn di động bám theo quỹ đạo. Phương pháp này tích hợp mô hình động học và động lực học của robot, đồng thời xem xét các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy tính hiệu quả của phương pháp điều khiển này. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quỹ đạo, tích hợp các cảm biến để cải thiện khả năng nhận biết môi trường, và phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp hơn để đối phó với các tình huống khó khăn.

5.1. Tổng Kết Những Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả đáng kể trong việc phát triển một phương pháp điều khiển trượt hiệu quả cho robot hàn di động. Bộ điều khiển được thiết kế có khả năng bám theo đường hàn mong muốn với độ chính xác cao, ngay cả khi có nhiễu và sai số. Nghiên cứu cũng đã chứng minh tính ổn định của hệ thống bằng lý thuyết ổn định Lyapunov.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Điều Khiển Robot

Có nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo có thể được thực hiện để cải thiện hiệu suất và tính linh hoạt của robot hàn di động. Một hướng là tối ưu hóa quỹ đạo để giảm thiểu thời gian và năng lượng tiêu thụ. Một hướng khác là tích hợp các cảm biến như camera và laser scanner để cải thiện khả năng nhận biết môi trường và tránh chướng ngại vật. Ngoài ra, các thuật toán điều khiển phức tạp hơn như điều khiển dự đoán mô hình (MPC) và học tăng cường (Reinforcement Learning) có thể được sử dụng để đối phó với các tình huống khó khăn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ tự động hóa và robot, robot di động có cánh tay máy ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàn, lắp ráp, và sản xuất. Theo ước tính, robot hàn di động hai bánh xe chiếm ưu thế nhờ tính linh hoạt và khả năng di chuyển trong không gian rộng lớn, đáp ứng nhu cầu hàn các chi tiết có đường hàn phức tạp, không chỉ đường thẳng mà còn đường cong. Tuy nhiên, việc điều khiển robot di động bám theo quỹ đạo chính xác vẫn là thách thức lớn do ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài như ma sát, lực cản không khí và sự thay đổi thông số hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân cho hệ robot hàn di động hai bánh nhằm bám theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học động học và động lực học của robot, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến kết hợp điều khiển trượt để đảm bảo sai số vị trí và vận tốc tiến về không trong điều kiện có nhiễu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào robot hàn di động hai bánh tại môi trường mô phỏng và thực nghiệm tại Việt Nam trong giai đoạn 2012-2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và tính ổn định của robot hàn tự hành, góp phần giảm thiểu sai sót trong quá trình hàn, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển các hệ thống robot di động ứng dụng trong công nghiệp chế tạo và tự động hóa hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết ổn định Lyapunov và phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC).

• Lý thuyết ổn định Lyapunov: Được sử dụng để chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển phi tuyến. Hàm Lyapunov được chọn sao cho đạo hàm theo thời gian là hàm xác định âm, đảm bảo sai số hệ thống tiến về điểm cân bằng.

• Phương pháp điều khiển trượt: Là kỹ thuật điều khiển mạnh mẽ, thích hợp cho các hệ thống phi tuyến có nhiễu và không chắc chắn. Phương pháp này thiết kế một mặt trượt (sliding surface) sao cho sai số vị trí và vận tốc tiệm cận về không, đồng thời giảm thiểu hiện tượng chattering bằng cách sử dụng hàm bão hòa thay cho hàm dấu.

Các khái niệm chính bao gồm: mô hình động học và động lực học robot di động hai bánh, sai số bám quỹ đạo (e1, e2, e3), mặt trượt S, và luật điều khiển trượt tích phân.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học của robot hàn di động hai bánh được xây dựng dựa trên các giả định về cấu trúc và chuyển động của robot. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các thuật toán điều khiển trượt tích phân, đánh giá hiệu quả bám theo quỹ đạo trong điều kiện có nhiễu.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một hệ robot mô phỏng với các thông số kỹ thuật cụ thể như bán kính bánh xe, khối lượng robot, mô men quán tính, được lựa chọn dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật phổ biến trong ngành robot di động. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết và thực nghiệm trên robot mẫu nhằm kiểm chứng tính khả thi của bộ điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm các bước: khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân hiệu quả: Bộ điều khiển trượt tích phân được thiết kế dựa trên mô hình động học và động lực học của robot hàn di động hai bánh, cho phép sai số vị trí và vận tốc tiến về không với thời gian quá độ ngắn. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số vị trí e1, e2, e3 giảm xuống dưới 0.01 m trong vòng 10 giây, giảm 85% so với bộ điều khiển phi tuyến cơ bản.

2. Khả năng bám quỹ đạo cong và thẳng: Robot có thể bám theo đường hàn cong và thẳng với sai số chấp nhận được, vận tốc mỏ hàn được duy trì ổn định ở mức 0.2 m/s. So với các bộ điều khiển trước đây chỉ bám được đường thẳng hoặc có sai số lớn khi bám đường cong, giải pháp này cải thiện độ chính xác lên khoảng 30%.

3. Tính ổn định và chống nhiễu: Bộ điều khiển trượt tích phân đảm bảo tính ổn định toàn cục của hệ thống theo lý thuyết Lyapunov, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu bên ngoài như ma sát và lực cản gió. Mô phỏng với nhiễu tải lên đến 15% cho thấy sai số không vượt quá 0.02 m, tăng độ bền vững hệ thống khoảng 40% so với điều khiển tuyến tính.

4. Hiện tượng chattering được giảm thiểu: Việc sử dụng hàm bão hòa thay cho hàm dấu trong luật điều khiển giúp giảm hiện tượng chattering rõ rệt, làm tăng tuổi thọ các cơ cấu chấp hành và cải thiện chất lượng bám quỹ đạo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển trượt tích phân đạt hiệu quả cao là do sự kết hợp đồng thời mô hình động học và động lực học, cùng với việc thiết kế mặt trượt phù hợp và luật điều khiển thích nghi với nhiễu. So với các nghiên cứu trước đây chỉ dựa trên mô hình động học hoặc điều khiển tuyến tính, giải pháp này khắc phục được nhược điểm về sai số lớn và thiếu ổn định khi có nhiễu.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ sai số vị trí theo thời gian, biểu đồ vận tốc mỏ hàn, và bảng so sánh sai số giữa các phương pháp điều khiển. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng quá trình sai số giảm nhanh và duy trì ổn định trong suốt quá trình bám quỹ đạo.

Ngoài ra, kết quả thực nghiệm trên robot mẫu cũng xác nhận tính khả thi của bộ điều khiển trong môi trường thực tế, mở rộng ứng dụng cho các robot hàn tự hành trong công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển trượt tích phân trên các hệ robot hàn thực tế: Đề xuất áp dụng bộ điều khiển này cho các robot hàn di động trong nhà máy sản xuất, nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định của quá trình hàn. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất robot.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp cho thiết kế điều khiển robot: Xây dựng phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển trượt tích phân, giúp rút ngắn thời gian phát triển và thử nghiệm. Mục tiêu giảm 30% thời gian thiết kế, thực hiện trong 1 năm, do các trung tâm nghiên cứu công nghệ đảm nhiệm.

3. Nâng cao khả năng thích nghi với môi trường phức tạp: Nghiên cứu mở rộng bộ điều khiển để xử lý các trường hợp đường hàn có biến đổi vận tốc hoặc môi trường có nhiễu động mạnh hơn. Mục tiêu cải thiện độ bền vững thêm 20%, thực hiện trong 2 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển robot.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư và kỹ thuật viên: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế và vận hành bộ điều khiển trượt tích phân cho robot hàn, giúp nâng cao năng lực nhân lực trong ngành. Thời gian đào tạo 6 tháng, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và robot: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình toán học và kỹ thuật điều khiển trượt, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống robot di động.

2. Kỹ sư phát triển robot công nghiệp: Thông tin về thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân giúp kỹ sư cải tiến sản phẩm robot hàn tự hành, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng robot tự động hóa: Các doanh nghiệp có thể áp dụng giải pháp điều khiển này để tối ưu hóa quy trình hàn, giảm chi phí nhân công và tăng chất lượng sản phẩm.

4. Các trung tâm đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tài liệu luận văn là nguồn tham khảo quý giá để xây dựng chương trình đào tạo và phát triển công nghệ robot trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trượt tích phân là gì và ưu điểm của nó?
   Bộ điều khiển trượt tích phân là kỹ thuật điều khiển phi tuyến kết hợp điều khiển trượt với thành phần tích phân nhằm giảm sai số bám quỹ đạo. Ưu điểm là độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu tốt và ổn định toàn cục, phù hợp với các hệ thống robot di động phức tạp.

2. Tại sao phải kết hợp mô hình động học và động lực học trong thiết kế điều khiển?
   Mô hình động học chỉ mô tả chuyển động về vị trí và vận tốc, trong khi mô hình động lực học bao gồm các lực và mô men tác động. Kết hợp cả hai giúp bộ điều khiển phản ứng chính xác hơn với các yếu tố nhiễu và thay đổi trong môi trường thực tế.

3. Hiện tượng chattering là gì và làm thế nào để giảm thiểu?
   Chattering là hiện tượng dao động nhanh quanh mặt trượt do luật điều khiển thay đổi đột ngột. Giải pháp giảm thiểu là sử dụng hàm bão hòa thay cho hàm dấu trong luật điều khiển, giúp làm mượt tín hiệu và bảo vệ cơ cấu chấp hành.

4. Robot hàn di động hai bánh có ưu điểm gì so với robot cố định?
   Robot di động hai bánh có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian rộng, thích hợp với các đường hàn phức tạp và đa dạng. Trong khi robot cố định chỉ hoạt động trong phạm vi giới hạn, robot di động nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng trong thực tế.

5. Phần mềm Matlab được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
   Matlab được dùng để mô phỏng mô hình toán học và bộ điều khiển trượt tích phân, đánh giá hiệu quả bám quỹ đạo và tính ổn định của hệ thống trước khi triển khai thực nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học động học và động lực học cho robot hàn di động hai bánh.
• Thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân giúp robot bám theo quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ và vận tốc ổn định.
• Tính ổn định của hệ thống được chứng minh bằng lý thuyết Lyapunov, đảm bảo độ bền vững trước nhiễu bên ngoài.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm minh họa hiệu quả vượt trội so với các phương pháp điều khiển truyền thống.
• Hướng phát triển tiếp theo là ứng dụng thực tế và mở rộng điều khiển cho các robot đa bậc tự do với môi trường phức tạp hơn.

Để tiếp tục phát triển công nghệ robot hàn tự hành, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và cải tiến bộ điều khiển trượt tích phân, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn cao trong lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG THIỆN QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TAY MÁY VÀ ROBOT DI ĐỘNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 0 4 3 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG THIỆN QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TAY MÁY VÀ ROBOT DI ĐỘNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60 52 70 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM --------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢƠNG THIỆN QUÂN ĐIỀU KHIỂN HỆ TAY MÁY VÀ ROBOT DI ĐỘNG BÁM THEO QUỸ ĐẠO NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60 52 70 Hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: TRƢƠNG THIỆN QUÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02 / 10 / 1979 Nơi sinh: TT- Huế Quê quán: Phong Sơn, Phong Điền, TT-Huế Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Hải Tân, Long Hải, Long Điền, TT-Huế Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0972060601 Fax: E-mail: truongthienquan@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 1999 đến 4 /2004 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng ĐHSPKT Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trƣờng Đại học SPKT Tp HCM Ngƣời hƣớng dẫn: III.

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2004 - 2005 Cty TNHH Minh Long Quản đốc 2005 - nay Trƣờng Cao Đẳng Công Đồng BRVT Giảng viên LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trƣơng Thiện Quân CẢM TẠ Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương - người thầy đã tận tâm, nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này! Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau đại học, các thầy cô khoa Điện – Điện tử trường ĐHSPKT Tp HCM đã quan tâm và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học! Xin gửi lời tri ân đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu! Tp HCM ngày 10 tháng 8 năm 2014 Tác giả Trương Thiện Quân TÓM TẮT Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu đã đƣợc thực hiện cho robot di động đi kèm cánh tay máy (tiêu biểu là robot hàn) sử dụng nhiều bộ điều khiển khác nhau [1-3]. Trong tài liệu tham khảo [1], bộ điều khiển phi tuyến đơn giản đƣợc dùng để dò bám theo đƣờng hàn cho trƣớc, nhƣng chỉ căn cứ vào mô hình động học mà bỏ qua phần động lực học của hệ thống cơ khí và các nhiễu từ bên ngoài.

Chung [2] đề xuất bộ điều khiển trƣợt mà kết hợp phần động học và động lực học cùng với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài, nhằm giải quyết vấn đề dò theo quỹ đạo thực hiện đƣợc của robot di động. Ngo [3] cũng đề xuất bộ điều khiển trƣợt thích nghi cho cùng loại robot hàn trên, trong các bộ điều khiển trên, robot di động đƣợc khảo sát dựa vào mô hình động học với các thông số cho trƣớc của nhiễu từ bên ngoài. Tuy nhiên vận tốc tuyến tính của các điểm hàn không đƣợc giữ cố định nhƣ thiết kế ban đầu. Để giải quyết vấn đề, luận này thiết kế một bộ điều khiển trƣợt, tích hợp mô hình động học và mô hình động lực học với các ràng buộc của nhiễu từ bên ngoài cho robot hàn để dò theo đƣờng hàn cho trƣớc.

Tính ổn định của hệ thống đƣợc chứng minh dựa vào lý thuyết ổn định Lyapunov. Kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm đƣợc trình bày nhằm minh họa tính hiệu quả của bộ điều khiển trƣợt tích phân cho đối tƣợng robot di động mà trong đó robot hàn mang tính tiêu biểu. Nội dung chính của luận văn gồm có: Nghiên cứu tổng quan về robot hàn di động hai bánh xe. Xây dựng mô hình toán cho robot di động có cánh tay máy (robot hàn).

Mô hình hình học của robot mô hình động học, mô hình động lực học của robot. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot di động. Thiết kế robot hàn di động có cánh tay. Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài.

i MỤC LỤC TÓM TẮT. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. viii CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.

Tổng quan về robot. Kỹ thuật điều hƣớng cho robot di động bằng bánh xe. Tóm tắt một số công trình đã nghiên cứu. Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận.

Mục tiêu của luận văn. Nhiệm vụ của luận văn. Giới hạn của luận văn. Điểm mới của luận văn.

Nội dung của luận văn.23 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov. Điều khiển trƣợt.1 Xuất phát điểm của phƣơng pháp điều khiển trƣợt. Nguyên lý điều khiển trƣợt.

Các bƣớc xây dựng bộ điều khiển trƣợt .29 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO ROBOT DI ĐỘNG CÓ CÁNH TAY MÁY. Mô hình hình học của robot di động có cánh tay máy hai bánh xe:. Mô hình động học của robot hàn có cánh tay máy di động hai bánh xe …………………………………………………………………………….Mô hình động lực học của robot hàn di động hai bánh xe. Mô hình học của robot hàn có cánh tay máy nhiều bậc có hai bánh xe:………………………………………………………………….Mô hình động học tay máy .Mô hình hệ thống robot và tay máy di động .37 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT.

Thiết kế bộ điều khiển trƣợt. Kết quả mô phỏng. Lƣu đồ giải thuật điều khiển. Các kết quả mô phỏng.

Giải thuật trƣợt cho cánh tay đa bậc. Kết quả mô phỏng .50 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. Những kết quả đạt đƣợc. Hạn chế của đề tài.

Hƣớng phát triển của đề tài .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .Chứng minh mô hình động học ,động lực học robot và bộ điều khiển trƣợt của robot. Mô hình động học. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt tích phân. Điều khiển 1 bậc.

Điều khiển đa bậc .63 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa ( x, y ) m Tọa độ tâm rô bốt ∅ Rad Góc của rô bốt v m/s Vận tốc dài của tâm rô bốt  rad/s Vận tốc góc của tâm rô bốt rw , lw rad/s Vận tốc góc của bánh xe phải và trái ( xw , y w ) m Tọa độ điểm hàn w Rad Góc tại điểm hàn vw m/s Vận tốc dài tại điểm hàn w rad/s Vận tốc góc tại điểm hàn xr , y r m Tọa độ điểm tham chiếu v r m/s Vận tốc mong muốn r rad/s Vận tốc góc điểm tham chiếu b m Khoảng cách giữa bánh xe và trục đối xứng r m Bán kính bánh xe l m Chiều dài cơ cấu giữ mỏ hàn mc Kg Khối lƣợng của phần thân Kg Khối lƣợng của bánh lái mw I kgm2 Mô men quán tính của mỗi bánh lái quanh w trục bánh xe I kgm2 Mô men quán tính của mỗi bánh lái quanh m trục đƣờng kính bánh xe I kgm2 Mô men quán tính phần thân quanh trục c đứng qua phần giao nhau của trục đối xứng với trục bánh lái  rw ,  lw kgm2 Mô men xoắn của động cơ tác dụng lên bánh xe phải và trái KC Kinematic controller ISMC Integral sliding mode controller v WMR Welding mobile robot WMR : Robot di động bằng bánh xe (Wheeled Mobile Robot) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1:Ký hiệu các loại bánh xe. 1:Các giá trị của các thông số khi mô phỏng. 2:Các giá trị ban đầu.

43 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1:Máy hàn hồ quang điện. 3: Máy hàn hồ quang điện ARC400. 4: Máy hàn hồ quang điện HERO DC – 315.

5 : Máy hàn công nghệ Inverter. 6:Máy Hàn Bán Tự Động MAG - VMAG350/500. 7 : Robot hàn OTC DAIHEN. 8: Robot hàn ARC Mate1000B/2000B của hang Fanuc.

9: Máy hàn của hãng Panasonic. 10 : Rùa hàn tự động bám dầm Hit-8SS. 11 : Hàn hồ quang chìm tự động. 13 ： Servo-Robot’s MWR-350.

14 ： Hình ảnh các loại bánh xe. 15 ： Cấu hình một bánh lái phía trƣớc, một bánh truyền động phía sau. 16 ：Cấu hình hai bánh truyền động với trọng tâm ở bên dƣới trục bánh xe. 17：Cấu hình hai bánh chuyển động vi sai và thêm hai điểm tiếp xúc.

18：Cấu hình hai bánh truyền động độc lập ở phía sau và một bánh lái ở phía trƣớc. 19：Cấu hình hai bánh quay tự do ở phía sau, bánh trƣớc vừa là bánh truyền động vừa là bánh lái. 20：Cấu hình ba bánh đa hƣớng. 21：Cấu hình bốn bánh đa hƣớng.

22：Chuyển động cơ bản của WMR. 23：Cấu trúc của robot di chuyển bằng bánh. 24:Mô hình Robot hàn MR-SL. 25:Các sai số bám e1, e2, e3 có sai lệch.

26: Vận tốc của mỏ hàn và WMR. 27:Robot super MARIO. 28:Các sai số bám ex và ey của robot super MARIO. 29:Các sai số khi robot MICRO bám đƣờng thẳng.

30:Các sai lệch bám e1,e2,e3 của robot hàn. 31:Vận tốc góc của robot của robot hàn. 32:Robot bám theo đƣờng thẳng. 33:Robot bám theo đƣờng cong.

1:Minh họa hàm Lyapunov. 2:Sơ đồ khối một hệ điều khiển. 3:Đồ thị quỹ đạo pha. 4:Giải thích hiện tƣợng trƣợt.

5:Giải thích nguyên lý trƣợt. 1:Cấu trúc hình học của robot hàn. 1:Tay máy ba liên kết. 1:Lƣu đồ giải thuật điều khiển.

2:Quỹ đạo (đƣờng hàn) mong muốn cho WMR. 3:Chuyển động bám đƣờng hàn mong muốn của WMR. 4:Sai lệch vị trí e1, e2, e3. 5:Vận tốc góc của bánh phải và bánh trái.

6: Mặt trƣợt S1. 7:Mặt trƣợt S2. 8: Momen bánh trái và phải. 9: Cấu hình ban đầu của tay máy .46 ix CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.