Luận văn thạc sĩ về điều khiển hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều khiển hệ tay máy và robot di động bám theo quỹ đạo, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Trương Thiện Quân
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Đhspkt Tp Hcm
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: 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.
• 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
• MỤC LỤC
• 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 robot di động và tay máy

Nghiên cứu về robot di động và tay máy đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ hiện đại. Các robot này không chỉ giúp tự động hóa quy trình sản xuất mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Việc điều khiển robot di động theo quỹ đạo chính xác là một thách thức lớn, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp điều khiển hiện đại, đặc biệt là việc áp dụng các thuật toán điều khiển phi tuyến và trượt.

1.1. Định nghĩa và phân loại robot di động

Robot di động được chia thành nhiều loại khác nhau, bao gồm robot tự hành và robot có tay máy. Mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng. Robot tự hành thường được sử dụng trong các nhiệm vụ cần di chuyển linh hoạt, trong khi robot có tay máy thường được áp dụng trong các công việc lặp đi lặp lại như hàn, lắp ráp.

1.2. Lịch sử phát triển của robot di động

Lịch sử phát triển của robot di động bắt đầu từ những năm 1950 với những thiết kế đơn giản. Qua thời gian, công nghệ đã tiến bộ đáng kể, từ việc sử dụng cảm biến đơn giản đến các hệ thống điều khiển phức tạp, cho phép robot thực hiện các nhiệm vụ khó khăn hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển robot di động

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ, việc điều khiển robot di động vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng bám theo quỹ đạo trong môi trường không ổn định. Các yếu tố như nhiễu từ bên ngoài và sự thay đổi trong điều kiện môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của robot. Nghiên cứu này sẽ phân tích các vấn đề này và đề xuất các giải pháp khả thi.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển

Các yếu tố như độ chính xác của cảm biến, tốc độ xử lý của bộ điều khiển và sự ổn định của hệ thống đều ảnh hưởng đến khả năng bám theo quỹ đạo của robot di động. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất của robot.

2.2. Thách thức trong môi trường thực tế

Môi trường thực tế thường không giống như mô hình lý thuyết. Các yếu tố như địa hình không đồng đều, ánh sáng thay đổi và các vật cản bất ngờ có thể gây khó khăn cho việc điều khiển robot. Nghiên cứu sẽ xem xét các phương pháp để cải thiện khả năng thích ứng của robot trong các tình huống này.

III. Phương pháp điều khiển robot di động hiệu quả

Để giải quyết các vấn đề trong điều khiển robot di động, nhiều phương pháp đã được phát triển. Một trong những phương pháp nổi bật là điều khiển trượt, cho phép robot bám theo quỹ đạo một cách chính xác hơn. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp điều khiển hiện đại và cách chúng có thể được áp dụng trong thực tế.

3.1. Điều khiển trượt và ứng dụng

Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, cho phép robot điều chỉnh hành vi của mình dựa trên các sai số hiện tại. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc bám theo quỹ đạo trong các điều kiện khác nhau.

3.2. Các thuật toán điều khiển thích nghi

Các thuật toán điều khiển thích nghi cho phép robot tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên môi trường xung quanh. Điều này giúp nâng cao khả năng bám theo quỹ đạo và cải thiện hiệu suất tổng thể của robot.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot di động và tay máy

Các ứng dụng của robot di động và tay máy rất đa dạng, từ sản xuất công nghiệp đến y tế và dịch vụ. Robot hàn tự hành là một ví dụ điển hình, cho phép thực hiện các công việc hàn một cách chính xác và hiệu quả. Nghiên cứu này sẽ trình bày một số ứng dụng thực tiễn và kết quả đạt được từ các nghiên cứu trước đây.

4.1. Robot hàn tự động trong công nghiệp

Robot hàn tự động đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo. Chúng giúp giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu cho thấy rằng robot hàn có thể thực hiện các mối hàn phức tạp với độ chính xác cao.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Trong lĩnh vực y tế, robot di động được sử dụng để hỗ trợ phẫu thuật và chăm sóc bệnh nhân. Các robot này có khả năng di chuyển linh hoạt trong môi trường bệnh viện, giúp nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của robot di động

Nghiên cứu về robot di động và tay máy đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy đang mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải thiện khả năng của robot. Tương lai của robot di động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thú vị và hữu ích trong cuộc sống hàng ngày.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ robot

Xu hướng phát triển công nghệ robot đang chuyển hướng sang việc tích hợp trí tuệ nhân tạo, cho phép robot tự học và cải thiện khả năng của mình theo thời gian. Điều này sẽ giúp robot trở nên thông minh hơn và có khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn.

5.2. Tương lai của robot trong đời sống hàng ngày

Robot di động có thể trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, từ việc hỗ trợ trong gia đình đến các ứng dụng trong công nghiệp. Sự phát triển của công nghệ sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, công nghệ hàn đóng vai trò then chốt tại các ngành cơ khí chế tạo, đóng tàu và xây dựng kết cấu thép quy mô lớn. Tuy nhiên, các dòng robot hàn công nghiệp truyền thống với đế cố định thường chỉ đạt bán kính làm việc giới hạn dưới 2 mét, không thể đáp ứng nhu cầu gia công các mối hàn dài hàng chục mét hoặc các kết cấu bồn bể có hình học không gian phức tạp. Để giải quyết rào cản này, robot hàn di động hai bánh xe đã trở thành đối tượng nghiên cứu trọng điểm nhờ tính linh hoạt cao và khả năng tiếp cận không gian làm việc rộng mở.

Trọng tâm nghiên cứu của luận văn là giải quyết thách thức điều khiển robot di động bám theo đường hàn phẳng và đường hàn cong bất kỳ với vận tốc hàn tiếp tuyến không đổi. Trong môi trường làm việc công nghiệp, các yếu tố phi tuyến tính như quán tính thân xe, lực ma sát mặt sàn, tải trọng mỏ hàn và các rung động hồ quang gây ra sai số vị trí từ 8% đến 15% nếu chỉ áp dụng các bộ điều khiển động học thuần túy. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là thiết kế một bộ điều khiển trượt tích phân phi tuyến kết hợp chặt chẽ mô hình động học và động lực học, có khả năng bù trừ hoàn toàn các nhiễu ngoại cảnh bị chặn.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua việc xây dựng mô hình toán học giải tích, thiết kế thuật toán điều khiển và tiến hành kiểm chứng mô phỏng trên nền tảng kỹ thuật số trong giai đoạn 2013–2014. Đóng góp ý nghĩa của công trình thể hiện qua việc rút ngắn thời gian xác lập sai số bám về 0 xuống dưới 3 giây, giảm hơn 75% so với mức 16 giây của các nghiên cứu tiền nhiệm, đồng thời duy trì độ ổn định tiệm cận toàn cục cho toàn bộ hệ thống cơ điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết điều khiển tự động và cơ học giải tích hiện đại. Thứ nhất là lý thuyết ổn định phi tuyến Lyapunov, cung cấp công cụ toán học chứng minh trạng thái cân bằng của hệ thống thông qua việc xác định hàm năng lượng vô hướng luôn giảm theo thời gian. Thứ hai là lý thuyết điều khiển cấu trúc biến đổi với chế độ trượt tích phân, cho phép triệt tiêu pha tiếp cận ban đầu, đảm bảo tính bền vững của quỹ đạo trạng thái ngay từ thời điểm xuất phát. Thứ ba là phương trình vi phân Lagrange loại 2, dùng để thiết lập mô hình động lực học hoàn chỉnh cho hệ thống tay máy và thân xe di động.

Mô hình nghiên cứu bao gồm hệ thống robot di động hai bánh dẫn động vi sai độc lập kết hợp cơ cấu dịch chuyển mỏ hàn một bậc tự do và cánh tay robot ba bậc tự do. Bốn khái niệm học thuật cốt lõi chi phối toàn bộ cấu trúc nghiên cứu gồm có: ràng buộc chuyển động phi holonomic của bánh xe lăn không trượt; véc-tơ mặt trượt tích phân tổng hợp giữa sai số vị trí và sai số vận tốc; hiện tượng rung giật đóng cắt tần số cao quanh mặt trượt; và kỹ thuật làm nhẵn tín hiệu điều khiển bằng hàm bão hòa.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa giải tích toán học và thực nghiệm mô phỏng số. Nguồn dữ liệu kiểm chứng được thiết lập trên hai kịch bản quỹ đạo chuẩn: đường hàn thẳng có chiều dài 10 mét và đường hàn cong dạng sin phức tạp với bán kính cong thay đổi liên tục. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm 20 kịch bản thử nghiệm tương ứng với các điều kiện nhiễu ma sát và momen cản từ 2 đến 10 Nm.

Phương pháp lựa chọn mô hình dựa trên giả định kết cấu cơ khí thực tế: hai bánh lái chính đồng trục đi qua tâm đối xứng, hai bánh tự do hỗ trợ cân bằng tĩnh, và vị trí mỏ hàn có khả năng điều chỉnh chiều dài chủ động. Tác giả lựa chọn phương pháp giải tích động lực học kết hợp giải thuật trượt tích phân thay vì phương pháp tuyến tính hóa cục bộ vì hệ thống robot hàn là đối tượng phi tuyến bậc cao, có thông số quán tính biến đổi liên tục khi cánh tay chuyển động. Toàn bộ quy trình từ xây dựng phương trình vi phân, kiểm tra tính ổn định trên không gian pha, đến mô phỏng số được thực hiện trên môi trường Matlab trong lộ trình 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, giải thuật điều khiển trượt tích phân giúp triệt tiêu nhanh chóng các thành phần sai số vị trí và sai số hướng của mỏ hàn. Trên quỹ đạo đường cong tham chiếu, thời gian để các sai số bám tiến về 0 đạt mức 2,2 giây, cho thấy tốc độ đáp ứng nhanh hơn 86% so với thuật toán trượt thông thường trong các tài liệu tham khảo vốn cần tới 16 giây để đạt trạng thái ổn định.

Thứ hai, vận tốc dài tiếp tuyến tại điểm hàn luôn được duy trì cố định ở giá trị đặt 0,2 m/s. Ngay cả tại các đoạn chuyển hướng gấp của đường hàn cong, độ dao động vận tốc thực tế không vượt quá 1,5% so với giá trị danh định, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe về độ đồng đều cơ tính và kích thước của mối hàn công nghiệp.

Thứ ba, việc thay thế hàm dấu chuyển mạch lý thuyết bằng hàm bão hòa liên tục đã giảm thiểu trên 92% hiện tượng rung giật mô men xoắn tại hai động cơ bánh xe. Mô men điều khiển biến thiên êm thuận trong dải từ âm 1,5 Nm đến dương 1,5 Nm, giúp loại bỏ nguy cơ quá nhiệt động cơ và mài mòn cơ khí.

Thứ tư, thuật toán điều khiển mở rộng thành công cho cánh tay máy ba bậc tự do lắp trên đế di động. Thông qua việc nghịch đảo ma trận Jacobi, tọa độ đầu mỏ hàn bám chính xác quỹ đạo không gian 3 chiều với độ lệch tuyệt đối dưới 0,4 mm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giúp hệ thống đạt được độ chính xác và tính ổn định vượt trội là nhờ cơ chế điều khiển hai vòng khép kín: bộ điều khiển động học đóng vai trò tạo tín hiệu vận tốc tham chiếu tối ưu, trong khi bộ điều khiển động lực học trượt tích phân trực tiếp triệt tiêu các thành phần mô men quán tính và nhiễu ngoại cảnh không xác định. So với các công trình của Kim hay Chung, việc bổ sung khâu tích phân trên mặt trượt đã loại bỏ hoàn toàn sai số xác lập mà không cần tăng hệ số khuếch đại lên quá cao.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đáp ứng thời gian của ba trục sai số, biểu đồ quỹ đạo pha minh họa quá trình thu hút trạng thái về gốc tọa độ, và bảng so sánh các chỉ số chất lượng động học. Kết quả xác nhận hệ thống đạt tính ổn định tiệm cận toàn cục theo đúng tiêu chuẩn Lyapunov, mở ra khả năng tự động hóa các đường hàn phức tạp trong thực tế sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp hệ thống thị giác máy quét đường hàn thời gian thực. Doanh nghiệp và nhóm nghiên cứu cần tích hợp cụm cảm biến laser quang học 3D có độ phân giải dưới 0,05 mm để nhận dạng tự động biên dạng rãnh hàn và bù sai lệch hình học với tần số quét 100 Hz, thực hiện trong vòng 6 tháng tới.

Thứ hai, phát triển thuật toán điều khiển thích nghi thông minh trên nền tảng mạng nơ-ron hoặc logic mờ. Các kỹ sư điều khiển cần triển khai cấu trúc ước lượng trực tuyến các thông số ma sát thay đổi và khối lượng mỏ hàn tiêu hao, mục tiêu giảm sai số bám động học xuống dưới 0,2% trong giai đoạn 9 tháng tiếp theo.

Thứ ba, hoàn thiện thiết kế phần cứng robot với kết cấu cơ khí trọng lượng nhẹ. Bộ phận kỹ thuật cơ điện tử nên tối ưu hóa khung gầm bằng hợp kim nhôm chịu lực, tích hợp bộ truyền động vi sai không khe hở và nguồn pin dung lượng cao đảm bảo hoạt động liên tục từ 4 đến 6 giờ tại hiện trường nhà xưởng, hoàn thành trong 12 tháng.

Thứ tư, tiến hành thử nghiệm công nghiệp trên các kết cấu dầm thép khẩu độ lớn từ 15 đến 30 mét tại các nhà máy đóng tàu. Ban quản lý sản xuất cần phối hợp đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật, hướng tới nâng cao năng suất hàn tự động thêm 40% so với phương pháp thao tác thủ công trong vòng 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển, Tự động hóa và Cơ điện tử. Tài liệu cung cấp phương pháp luận toán học chuẩn xác từ việc mô hình hóa hệ thống phi holonomic đến quy trình chứng minh ổn định Lyapunov.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển tại các viện, trung tâm chế tạo robot. Luận văn là bản thiết kế chi tiết để hiện thực hóa các thuật toán điều khiển phi tuyến và tối ưu hóa chuyển động cho xe tự hành kết hợp cơ cấu chấp hành.

Thứ ba, giảng viên và các nhà khoa học giảng dạy chuyên ngành Robot học. Công trình có thể được sử dụng làm học liệu mẫu cho các môn học Điều khiển nâng cao, Mô hình hóa mô phỏng hệ thống và Cơ sở truyền động tự động.

Thứ tư, chuyên gia kỹ thuật và nhà quản lý sản xuất tại các doanh nghiệp gia công cơ khí, đóng tàu và chế tạo bồn bể áp lực. Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ nâng cao mức độ tự động hóa các quy trình hàn kết cấu kích thước lớn.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Ưu điểm cốt lõi của bộ điều khiển trượt tích phân so với bộ điều khiển trượt truyền thống trong bài toán robot hàn là gì?
Bộ điều khiển trượt tích phân loại bỏ hoàn toàn pha tiếp cận ban đầu, buộc trạng thái hệ thống nằm ngay trên mặt trượt từ thời điểm bắt đầu. Nhờ đó, hệ thống duy trì tính bền vững trước nhiễu ma sát và sai lệch mô hình trong suốt 100% thời gian vận hành, giúp giảm thời gian xác lập từ 16 giây xuống dưới 3 giây.

Câu hỏi 2: Tại sao nghiên cứu phải kết hợp đồng thời cả mô hình động học và mô hình động lực học?
Mô hình động học chỉ giải quyết mối quan hệ hình học thuần túy giữa vận tốc bánh xe và vị trí thân xe. Trong thực tế hàn công nghiệp, khối lượng thân xe khoảng 10 đến 30 kg cùng lực ma sát bề mặt tạo ra quán tính lớn, nếu bỏ qua mô hình động lực học sẽ gây ra độ lệch quỹ đạo từ 10% đến 20%.

Câu hỏi 3: Luận văn đã xử lý hiện tượng rung giật đóng cắt của phương pháp điều khiển trượt như thế nào?
Hiện tượng rung giật phát sinh do hàm dấu chuyển mạch tức thời được khắc phục bằng cách thay thế bằng hàm bão hòa liên tục. Kỹ thuật này tạo ra một lớp biên làm nhẵn tín hiệu điều khiển, giúp triệt tiêu trên 92% dao động mô men tại trục động cơ mà vẫn đảm bảo độ chính xác bám vết.

Câu hỏi 4: Thuật toán trong luận văn có khả năng điều khiển robot bám theo các đường hàn cong phức tạp không?
Hoàn toàn có khả năng. Nhờ kết hợp cơ cấu dịch chuyển mỏ hàn chủ động với thuật toán trượt phi tuyến, mỏ hàn có thể bám chính xác các đường cong có bán kính thay đổi liên tục với sai số khoảng cách dưới 0,4 mm và duy trì vận tốc hàn ổn định 0,2 m/s.

Câu hỏi 5: Phương pháp điều khiển này có thể mở rộng cho robot có cánh tay nhiều bậc tự do không?
Có thể mở rộng rất thuận lợi. Luận văn đã xây dựng mô hình động lực học tổng quát cho cánh tay ba bậc tự do thông qua phương trình Lagrange bậc 2 và ma trận Jacobi, cho phép điều khiển đồng bộ vị trí chân đế di động và góc quay các khớp cánh tay trong không gian 3 chiều.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh kết hợp giữa động học phi holonomic và động lực học phi tuyến cho robot hàn di động hai bánh xe.
• Đề xuất và kiểm chứng giải thuật điều khiển trượt tích phân giúp triệt tiêu sai số vị trí và duy trì vận tốc dài mỏ hàn ổn định tuyệt đối trên cả quỹ đạo thẳng và quỹ đạo cong.
• Chứng minh chặt chẽ tính ổn định tiệm cận toàn cục của hệ kín theo tiêu chuẩn Lyapunov, đồng thời triệt tiêu hiệu quả hiện tượng rung giật đóng cắt cơ khí.
• Mở rộng thành công thuật toán sang hệ thống robot di động mang cánh tay máy ba bậc tự do với độ chính xác bám quỹ đạo đạt dưới 0,4 mm.
• Đóng góp chính của công trình là cung cấp một giải pháp điều khiển chuyển động bền vững, sẵn sàng cho các giai đoạn chế tạo mẫu phần cứng trong vòng 6 đến 12 tháng tới nhằm thương mại hóa trong ngành cơ khí chế tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

Tổng quan về robot Robot hay ngƣời máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử đƣợc lập trình. Là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, ảo, thƣờng là một hệ thống cơ khí-điện tử. Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho ngƣời ta cảm giác rằng nó có giác quan giống nhƣ con ngƣời. Từ "robot" (ngƣời máy) thƣờng đƣợc hiểu với hai nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động.

Ngày nay, ngành công nghiệp robot đã đạt đƣợc những thành tựu hết sức to lớn. Những cánh tay robot đƣợc đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại nhƣ hàn hoặc sơn. Trong công nghiệp điện tử, các cánh tay robot có thể sử dụng để lắp ráp linh kiện cho ti vi, máy tính, điện thoại di động với độ chính xác rất cao. Robot đã dần thay thế con ngƣời làm những công việc ở những nơi có môi trƣờng độc hại cao, nhƣ hầm mỏ, nghề đúc kim loại, ngành nghề sản xuất phải tiếp xúc với các hóa chất độc hại, ngành hàn vv.

Ở đây ngƣời nghiên cứu đề cập đến robot ứng dụng trong ngành hàn. Công nghệ hàn hồ quang đã ứng dụng hồ quang điện để tạo ra nhiệt độ làm nóng chảy kim loại, khi ngắt hồ quang điện kim loại nóng chảy đƣợc để nguội, kim loại đông đặc lại và tạo ra liên kết giữa các vật hàn với nhau. Bản chất của hồ quang và sự ra đời của nó: Hồ quang điện là quá trình phóng điện tự lực, xảy ra trong chất khí ở áp suất thƣờng, hoặc áp suất thấp giữa hai điện cực có hiệu điện thế không lớn. Trên thực tế nó là dạng plasma tạo ra qua sự trao đổi điện tích liên tục, nó có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật nhờ nhiệt độ cao của các cặp điện cực.