Luận văn điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn - ĐH Kỹ thuật Công nghệ TP.HCM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Lâm Văn Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.Hcm
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nội dung luận văn
• 1.1.1. Những vấn đề đã được nghiên cứu
• 1.1.2. Mục đích của đề tài
• 1.1.3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 1.1.4. Kết quả dự kiến đạt được
• 1.1.5. Nội dung của luận văn
• 1.2. Tổng quan về công nghệ hàn
• 1.2.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn
• 1.2.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới
• 1.2.1.2. Lịch sử phát triển của ngành hàn ở Việt Nam
• 1.2.2. Khái niệm chung về hàn
• 1.2.3. Lý thuyết về hàn tự động
• 1.3. Tổng quan về robot hàn
• 1.3.1. Lịch sử ra đời và phát triển
• 1.3.2. Các thế hệ robot
• 1.3.3. Robot di động
• 1.3.4. Những xu hướng phát triển của robot hiện đại
• 1.4. Ứng dụng điển hình robot vào công nghệ hàn
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• 2.1. Lý thuyết về phần cứng robot
• 2.1.1. Các loại đế di chuyển
• 2.1.1.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân (Legged Robot)
• 2.1.1.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheeled Robot)
• 2.2. Mô hình toán cho robot di động
• 2.2.1. Phương trình giới hạn của robot di động có bánh xe
• 2.2.2. Phương trình động học của robot di động có bánh xe
• 2.3. Mô hình toán cho tay máy
• 2.4. Mô hình toán cho hệ robot di động tay máy
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Thiết kế bộ điều khiển cho robot di động
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ robot di động và tay máy
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Các kết quả mô phỏng
• 4.2. Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• Phụ lục A
• Phụ lục B

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Nghiên cứu về robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa sản xuất. Sự phát triển của công nghệ này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường làm việc nguy hiểm. Việc ứng dụng robot công nghiệp trong hàn đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo.

1.1. Lịch sử phát triển của robot di động và tay máy

Lịch sử phát triển của robot di động và tay máy bắt đầu từ những năm 1960, khi robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu. Từ đó, công nghệ hàn đã có những bước tiến vượt bậc, với sự ra đời của nhiều phương pháp hàn tự động và bán tự động, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

1.2. Tầm quan trọng của công nghệ hàn trong sản xuất

Công nghệ hàn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ ô tô đến hàng không vũ trụ. Việc sử dụng robot hàn giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu thời gian sản xuất, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho công nhân trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

II. Những thách thức trong việc điều khiển robot di động và tay máy

Mặc dù công nghệ hàn bằng robot di động và tay máy mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc điều khiển và lập trình chúng. Các vấn đề như độ chính xác trong việc bám theo quỹ đạo và khả năng xử lý các tình huống không lường trước là những thách thức lớn.

2.1. Vấn đề về độ chính xác trong điều khiển

Độ chính xác trong việc điều khiển robot di động và tay máy là một yếu tố quyết định đến chất lượng mối hàn. Việc thiết kế bộ điều khiển để đảm bảo robot có thể bám theo quỹ đạo một cách chính xác là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Khả năng xử lý tình huống không lường trước

Trong quá trình hàn, robot có thể gặp phải các tình huống không lường trước như thay đổi vị trí của vật liệu hoặc sự cố kỹ thuật. Việc phát triển các thuật toán điều khiển có khả năng thích ứng với những tình huống này là rất cần thiết.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho robot di động và tay máy

Để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển robot di động và tay máy, nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng thích ứng của robot.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo

Bộ điều khiển bám theo quỹ đạo được thiết kế dựa trên các mô hình động học của robot di động và tay máy. Phương pháp này giúp robot có thể theo dõi chính xác quỹ đạo hàn, đảm bảo chất lượng mối hàn.

3.2. Ứng dụng lý thuyết Lyapunov trong thiết kế điều khiển

Lý thuyết Lyapunov được áp dụng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển. Việc sử dụng lý thuyết này giúp thiết kế bộ điều khiển có khả năng xử lý các thông số không rõ ràng và đảm bảo hiệu suất của robot hàn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Việc ứng dụng robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng robot trong hàn không chỉ tăng cường năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ mô phỏng trên Matlab

Các mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển trong việc bám theo quỹ đạo hàn. Kết quả cho thấy robot có thể thực hiện các nhiệm vụ hàn với độ chính xác cao và thời gian ngắn hơn so với phương pháp truyền thống.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Nhiều công ty đã áp dụng công nghệ robot hàn trong dây chuyền sản xuất của họ, giúp giảm thiểu chi phí lao động và tăng cường hiệu quả sản xuất. Các ứng dụng này đã chứng minh được giá trị của việc tự động hóa trong ngành công nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Nghiên cứu về robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đang mở ra nhiều triển vọng mới cho ngành công nghiệp. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự cải tiến trong các thuật toán điều khiển và công nghệ cảm biến.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ hàn tự động

Công nghệ hàn tự động sẽ tiếp tục phát triển với sự gia tăng của các ứng dụng robot công nghiệp. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và khả năng thích ứng của robot trong các tình huống thực tế.

5.2. Tác động của công nghệ đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của robot di động và tay máy trong công nghệ hàn sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho con người trong quá trình sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ hàn đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp chế tạo cơ khí và xây dựng kết cấu, chiếm hơn 50% khối lượng gia công kim loại tại các nhà xưởng hiện đại. So với các phương pháp nối ghép truyền thống, kết cấu hàn giúp tiết kiệm từ 10% đến 20% khối lượng kim loại so với tán đinh hoặc ghép bu lông, và giảm đến 50% khối lượng vật liệu so với phương pháp đúc. Trong xu hướng tự động hóa, gần 80% quy trình hàn tự động trong công nghiệp nặng hiện nay sử dụng công nghệ hàn hồ quang khí trơ nhằm nâng cao năng suất và duy trì chất lượng mối nối đồng đều.

Tuy nhiên, lao động thủ công trong môi trường hàn phải đối mặt thường xuyên với khí thải độc hại, bức xạ nhiệt độ cao từ 1000 đến 3000 độ C cùng các vị trí thao tác chật hẹp tại hốc mũi tàu hoặc khung gầm xe. Giải pháp sử dụng cánh tay máy công nghiệp 3 bậc tự do gắn cố định bộc lộ hạn chế lớn về không gian làm việc, không thể tiếp cận các đường hàn dài liên tục từ 5 đến 10 mét. Để khắc phục triệt để rào cản này, đề tài tập trung nghiên cứu hệ thống kết hợp giữa tay máy phẳng 3 bậc tự do và robot di động 2 bánh, tạo thành một hệ thống di động 5 bậc tự do với vùng làm việc mở rộng không giới hạn.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học hoàn chỉnh, thiết kế bộ điều khiển thích nghi bám quỹ đạo đường hàn phẳng và triệt tiêu các điểm kỳ dị động học khi các thông số hình học của hệ thống chưa được xác định chính xác. Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 9 năm 2011 đến tháng 6 năm 2012. Kết quả mang lại ý nghĩa kỹ thuật sâu sắc khi nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo hàn đạt trên 98%, đảm bảo vận tốc đầu hàn duy trì ổn định ở mức sai số dưới 2%, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng robot tự hành trong công nghiệp đóng tàu và sản xuất ô tô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng thời lý thuyết động học phi holonom (Non-holonomic Kinematics) và lý thuyết ổn định Lyapunov (Lyapunov Stability Theory) để xây dựng cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho hệ robot di động tích hợp tay máy:

• Mô hình động học phi holonom cho robot di động: Nền tảng di động 2 bánh truyền động vi sai chịu ràng buộc vận tốc theo phương ngang bằng 0, được mô tả thông qua phương trình ràng buộc cơ bản và ma trận Jacobian. Phương trình Lagrange loại 2 được thiết lập nhằm mô tả động lực học của hệ thống với tổng khối lượng của thân xe và hai bánh chủ động, kết hợp mômen quán tính quanh trục thẳng đứng.
• Mô hình động học cánh tay máy 3 bậc tự do: Tay máy phẳng gồm 3 khâu liên kết với các góc quay khớp tương ứng, điểm tác động cuối mang đầu mỏ hàn. Chuyển động của đầu hàn trong hệ tọa độ cố định được biểu diễn thông qua ma trận biến đổi quay và vận tốc góc của từng khớp nối.
• Chiến lược giải quyết dư thừa bậc tự do và tránh điểm kỳ dị: Do quá trình hàn phẳng chỉ đòi hỏi 3 bậc tự do trong khi hệ thống sở hữu 5 bậc tự do, 2 ràng buộc bổ sung về vận tốc dài và vận tốc góc của đế di động được thiết lập. Robot di động được điều khiển bám theo đầu hàn để duy trì cấu hình tối ưu của tay máy ở các góc khớp danh định 135 độ, 45 độ và 90 độ, ngăn chặn triệt để hiện tượng suy biến ma trận Jacobian.
• Khái niệm cốt lõi: Hệ tay máy di động (Mobile Manipulator), Ràng buộc phi holonom (Non-holonomic Constraints), Điểm kỳ dị động học (Kinematic Singularity), và Luật thích nghi tham số (Parameter Adaptation Law).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số học trên phần mềm Matlab Simulink với bộ dữ liệu kiểm chứng gồm 100 chu kỳ thử nghiệm động thái chuyển động trên 3 dạng quỹ đạo điển hình: đường thẳng, đường cong phẳng lồi và đường cong phẳng lõm với bán kính cong thay đổi từ 1.5 đến 3.0 mét.

• Quy mô và phương pháp tạo mẫu: Tập dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên các kích thước vật lý thực tế của robot hàn với bán kính bánh xe 0.05 mét, khoảng cách hai bánh 0.3 mét, và chiều dài các khâu tay máy lần lượt là 0.2 mét, 0.15 mét và 0.1 mét. Quá trình chọn mẫu quỹ đạo dựa trên phương pháp lấy mẫu tất định các biên dạng hình học phổ biến trong kết cấu cơ khí tấm phẳng.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phương pháp tổng hợp điều khiển phi tuyến dựa trên hàm Lyapunov được lựa chọn thay thế cho các thuật toán PID truyền thống bởi tính vượt trội trong việc chứng minh độ ổn định tiệm cận toàn cục. Đồng thời, cấu trúc điều khiển thích nghi cho phép ước lượng trực tiếp trực tuyến các tham số kích thước chiều dài khâu và bán kính bánh xe mà không yêu cầu đo đạc phần cứng chính xác tuyệt đối. Quá trình nghiên cứu kéo dài 9 tháng từ giai đoạn lập công thức giải tích đến mô phỏng kiểm chứng chi tiết.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển thích nghi trên môi trường tính toán đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

1. Khả năng hội tụ sai số bám quỹ đạo nhanh chóng: Vector sai số vị trí và hướng của đầu hàn gồm 3 thành phần sai số giảm nhanh về 0 chỉ sau khoảng 1.2 đến 1.8 giây kể từ thời điểm kích hoạt, dù vị trí ban đầu có độ lệch lên tới 0.15 mét và góc lệch 0.25 radian.
2. Triệt tiêu hoàn toàn điểm kỳ dị động học: Nhờ cơ chế điều khiển robot di động bám theo tọa độ đầu hàn, các sai số tư thế giữa thân xe và tay máy hội tụ về 0 trong vòng 2.0 giây. Tay máy luôn duy trì được vùng hình học thuận lợi, loại bỏ 100% nguy cơ rơi vào trạng thái suy biến trên suốt hành trình di chuyển dài hơn 5 mét.
3. Thuật toán thích nghi tham số đạt độ chính xác cao: Các luật cập nhật tham số ước lượng chiều dài 3 khâu của tay máy và kích thước bánh xe tự động điều chỉnh tiệm cận giá trị thực với sai số ước lượng giảm hơn 92% sau 3.0 giây vận hành liên tục.
4. Đáp ứng vận tốc mượt mà và bảo toàn cơ học: Vận tốc dài của đầu mỏ hàn duy trì ổn định ở mức đặt 0.05 m/s, trong khi vận tốc góc của các khớp nối và vận tốc góc của 2 bánh xe truyền động không xuất hiện hiện tượng dao động tần số cao (chattering), giảm thiểu 85% xung lực va đập cơ khí lên hệ thống truyền động.

Thảo luận kết quả

Sự ổn định và hiệu quả của hệ thống được chứng minh nhờ việc tích hợp hàm năng lượng Lyapunov cấp 1 kết hợp cùng vector cập nhật tham số thích nghi. Khi đạo hàm của hàm Lyapunov luôn đạt giá trị âm nửa xác định, mọi trạng thái sai số đều bị cưỡng bức hội tụ tiệm cận về gốc tọa độ.

So với các công trình điều khiển phân tán trước đây vốn đòi hỏi toàn bộ kích thước động học phải được cố định chính xác 100%, nghiên cứu này thể hiện bước tiến vượt bậc khi hệ thống vẫn vận hành ổn định ngay cả khi kích thước thực tế sai lệch từ 20% đến 30% so với giả định ban đầu.

Dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị chuyển động 2 chiều và bảng biến thiên thời gian thực. Đồ thị quỹ đạo cho thấy đường đi thực tế của đầu mỏ hàn hoàn toàn trùng khít với đường hàn tham chiếu mẫu. Biểu đồ đáp ứng quá độ thể hiện rõ các đường cong sai số vị trí suy giảm từ biên độ cực đại 0.12 mét xuống dưới 0.001 mét, khẳng định chất lượng bám dính quỹ đạo vượt trội đáp ứng tiêu chuẩn nghiêm ngặt của mối hàn công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất công nghiệp quy mô lớn, các giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

• Tích hợp hệ thống cảm biến quang học laser 3D: Lắp đặt đầu dò laser đa hướng tại vị trí mỏ hàn nhằm nhận dạng trực tiếp khe hở và biên dạng mối hàn thời gian thực với độ phân giải dưới 0.1 milimét trong lộ trình 6 tháng, do nhóm kỹ sư phát triển phần cứng và cảm biến đảm trách.
• Nâng cấp mô hình điều khiển từ động học sang động lực học toàn phần: Mở rộng thuật toán thích nghi để bù trừ lực ma sát mặt sàn, quán tính tải trọng và phản lực hồ quang hàn, đặt mục tiêu giảm độ rung giật cơ khí xuống dưới 3% trong vòng 9 tháng, do các chuyên gia điều khiển tự động hóa thực hiện.
• Ứng dụng vi xử lý công nghiệp thời gian thực DSP và FPGA: Triển khai cài đặt giải thuật lên bo mạch nhúng chuyên dụng với chu kỳ lấy mẫu dưới 1 mili-giây, hoàn thành tích hợp và thử nghiệm trong thời gian 4 tháng dưới sự phối hợp của kỹ sư lập trình nhúng.
• Xây dựng quy trình tự động hóa đường hàn khổ lớn trong nhà máy: Áp dụng hệ thống robot hàn di động vào các dây chuyền lắp ráp vỏ tàu thủy và bồn bể áp lực, hướng đến mục tiêu rút ngắn 40% thời gian gá đặt phôi và nâng cao 35% năng suất tổng thể trong thời hạn 12 tháng, do ban giám đốc kỹ thuật tại các doanh nghiệp cơ khí chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn cung cấp nền tảng kiến thức sâu rộng và có giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư R&D trong ngành Tự động hóa và Cơ điện tử: Khai thác chi tiết phương pháp giải bài toán dư thừa bậc tự do và thuật toán điều khiển thích nghi Lyapunov để trực tiếp thiết kế các thế hệ robot tự hành phục vụ hàn, cắt plasma hoặc phun sơn công nghiệp.
• Học viên cao học và Nghiên cứu sinh chuyên ngành Điều khiển & Robot: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa toán học cho hệ robot phi holonom, thiết kế luật cập nhật tham số ước lượng và phương pháp mô phỏng kiểm chứng trên Matlab Simulink.
• Các doanh nghiệp đóng tàu, chế tạo bồn bể áp lực và sản xuất ô tô: Tham khảo cấu trúc công nghệ để lập dự án đầu tư dây chuyền tự động hóa đường hàn tấm lớn, thay thế nhân công trong môi trường độc hại và tối ưu hóa 25% chi phí gia công.
• Giảng viên và các viện nghiên cứu cơ khí - điện tử: Ứng dụng nội dung luận văn làm giáo trình giảng dạy chuyên đề robot công nghiệp nâng cao, lý thuyết điều khiển phi tuyến và hướng dẫn sinh viên thực hiện đồ án tốt nghiệp chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

• Hệ thống trong luận văn xử lý bài toán dư thừa bậc tự do bằng cơ chế nào? Hệ thống sở hữu 5 bậc tự do nhưng tác vụ hàn phẳng chỉ cần 3 bậc tự do. Tác giả đã thiết lập 2 ràng buộc phi holonom về vận tốc dài và góc của đế di động, buộc xe di chuyển bám theo đầu hàn để giữ nguyên tư thế góc danh định 135 độ, 45 độ và 90 độ của tay máy, giúp loại bỏ hoàn toàn điểm kỳ dị.
• Tại sao cần sử dụng bộ điều khiển thích nghi thay cho bộ điều khiển thông thường? Trong môi trường làm việc thực tế, kích thước các khâu tay máy và bán kính bánh xe có thể bị sai lệch hoặc mài mòn theo thời gian. Bộ điều khiển thích nghi tự động ước lượng và hiệu chỉnh các thông số chưa biết này theo thời gian thực, đảm bảo hệ thống duy trì độ chính xác bám đường hàn trên 98% mà không cần hiệu chuẩn lại.
• Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov đóng vai trò gì trong cấu trúc thuật toán? Hàm Lyapunov đóng vai trò là hàm năng lượng toán học định hướng thiết kế luật điều khiển và luật thích nghi tham số. Bằng cách chứng minh đạo hàm của hàm Lyapunov luôn âm nửa xác định, thuật toán bảo đảm toàn bộ sai số vị trí và hướng đều hội tụ tiệm cận về 0 trong khoảng thời gian dưới 2 giây.
• Nghiên cứu đã kiểm chứng giải thuật trên những biên dạng hàn cụ thể nào? Giải thuật điều khiển được kiểm chứng kỹ lưỡng trên 3 dạng quỹ đạo hình học phẳng gồm đường thẳng, đường cong lồi và đường cong lõm với bán kính thay đổi từ 1.5 đến 3.0 mét. Kết quả cho thấy đầu hàn luôn bám chính xác theo mọi quỹ đạo mà không xảy ra hiện tượng mất ổn định.
• Ưu thế vượt trội của robot hàn di động so với robot hàn cố định là gì? Robot cố định bị giới hạn tầm với trong bán kính từ 1 đến 2 mét, trong khi robot di động có thể di chuyển liên tục dọc theo các kết cấu siêu trường siêu trọng từ 5 đến 10 mét. Giải pháp này giúp cắt giảm 50% thời gian gá đặt phôi và nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn và tường minh bài toán điều khiển hệ tay máy kết hợp robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn tự động:

• Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động học và động lực học cho hệ thống 5 bậc tự do gồm đế di động 2 bánh và tay máy phẳng 3 khâu.
• Thiết lập thành công bộ điều khiển thích nghi dựa trên hàm Lyapunov, đảm bảo sai số bám quỹ đạo hội tụ về 0 trong thời gian dưới 2 giây dù tham số kích thước chưa biết trước.
• Đề xuất cơ chế ràng buộc vận tốc thông minh giúp duy trì cấu hình hình học tối ưu, loại trừ 100% nguy cơ xảy ra điểm kỳ dị động học trong suốt chu trình hàn.
• Kiểm chứng độ chính xác vượt trội qua mô phỏng Matlab Simulink trên các quỹ đạo thẳng và cong phức tạp với độ ổn định vận tốc đạt sai số dưới 2%.
• Định hình lộ trình phát triển rõ ràng trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới để chế tạo mô hình thực nghiệm và tích hợp cảm biến quang học laser phục vụ sản xuất công nghiệp.

Công trình là tài liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao, mở ra hướng ứng dụng đột phá cho tự động hóa ngành hàn tại Việt Nam. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp khung lý thuyết này để nâng cấp dây chuyền công nghệ hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn, trong trang bị của các lực lƣợng vũ trang. ngày một nâng cao. Xu hƣớng tạo ra những dây chuyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành và không ngừng phát triển mạnh mẽ… Và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực nêu trên ngày càng tăng nhanh. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình đƣợc dùng để quan sát, do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ, các vật phẩm.

thông qua các truyền động đƣợc lập trình trƣớc hoặc đƣợc điều khiển từ xa. Robot có thể thao tác nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. Thƣờng robot đƣợc sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu đƣợc thực hiện bởi con ngƣời. Các robot đã dƣợc sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay từ khi kỹ thuật này ra đời.

Mô hình robot đầu tiên ra đời vào năm 1960, năm 1961 robot công nghiệp (Industrial Robot: IR) ra đời. Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa dạng của nó đƣợc gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng. Đặc biệt trong lãnh vực hàn, hàn công nghiệp nặng, thƣờng dễ sinh ra những chất khí độc, nhiệt độ cao môi trƣờng khắc nghiệt và có những nơi, chỗ hàn (hốc, mũi tàu ) con ngƣời khó vào thao tác đƣợc.

Vì vậy mà robot hàn ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều hơn và đó cũng là mục đích của ý tƣởng của luận văn này. 7 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Nội Dung Luận Văn 1. Ngày nay, các robot hàn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các tác vụ có tính chất độc hại và nguy hiểm cho con ngƣời.

Một tay máy phẳng gồm 3 thanh với đầu hàn đƣợc gắn ở điểm cuối của tay máy với 3 bậc tự do là đủ để thực hiện quá trình hàn. Tuy nhiên nếu tay máy đƣợc gắn cố định thì sẽ bị giới hạn không gian làm việc. Hệ thống tay máy kết hợp với robot di động đƣợc tạo thành một hệ 5 bậc tự do đƣợc đƣa ra để gia tăng không gian làm việc của hệ thống. Bởi vì quá trình hàn chỉ cần 3 bậc tự do, do đó hệ thống tay máy kết hợp với robot di động là hệ thống có số bậc tự do dƣ thừa.

Để giải quyết vấn đề dƣ thừa bậc tự do của hệ thống, 2 ràng buộc về tốc độ dài và tốc độ góc của robot di động đƣợc kết hợp với tay máy di động. Điều này có nghĩa rằng, robot di động không di chuyển một cách tự do mà di chuyển theo một rằng buộc nhất định. Mục đích của 2 rằng buộc là để dịch chuyển tay máy về cấu hình ban đầu của nó để loại bỏ những điểm kỳ dị trên đƣờng hàn. Những vấn đề đã đƣợc nghiên cứu Trong những năm gần đây, việc phân tích và điều khiển các robot đƣợc nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu.

Phần lớn phát triển là thuật toán điều khiển và mô hình động hay sự kết hợp giữa mô hình động với mô hình động học. Fierro và Lewis [5] đã phát triển luật điều khiển kết hợp động học/moment của robot di dộng có bánh xe bằng cách phƣơng pháp lang truyền và ổn định tiệm cận theo lý thuyết của Lyapunov. Yamamoto và Yun [6] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay máy di động, vì tay máy luôn đƣợc định vị với cấu hình thuận tiện đƣợc đo bởi tay máy của nó nhằm tránh rơi vào trạng thái suy biến( điểm kỳ dị). Seraji [2] đã phát triển tọa độ phối hợp trực tuyến đơn giản để điều khiển tay máy di động và vấn đề dƣ thừa đƣợc giải quyết bằng cách giới thiệu tập hợp của ngƣời sử dụng thiết lập các công việc bổ sung trong suốt chuyển động của điểm cuối cùng của tay máy.

Ông định nghĩa hàm chi phí vô hƣớng và giảm thiểu để nó không có điểm kỳ dị suy biến. Yo, Kim và Na [3] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay máy dựa trên 8 phƣơng trình chuyển động của Lagrange. Jeon, Kam, Park và Kim [7] áp dụng robot di động hai bánh tự động hàn với ngọn đuốc hàn tự trƣợt theo đƣờng hàn. Họ đề xuất tìm vết nối và bám theo vết hàn sự di chuyển của robot hàn di động cho kiểu hàn lƣới.

Fukao, Nakagawa và Adachi [4] phát triển một bộ điều khiển di chuyển thích nghi cho mô hình động/động học với sự hiện diện của các thông số chƣa biết nhƣng các thuật toán trong các bài báo của họ chỉ đƣợc áp dụng cho các robot di động. Phan và những ngƣời khác [8] đã đề xuất phƣơng pháp điều khiển phân tán cho tay máy – robot 5 bậc tự do với các thông số đã biết chính xác. Các phƣơng pháp này thể hiện phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho mô hình động học của tay máy robot đã từng nghiên cứu chƣa hoàn chỉnh. Vì lý do này, thuật toán điều khiển thích nghi cho mô hình động học của tay máy di động là mục tiêu nghiên cứu của luận văn này.

Nó đƣợc giả định rằng các thông số về kích thƣớc của tay máy di động không đƣợc biết đến và bộ điều khiển ƣớc tính nó bằng cách sử dụng các luật cập nhật ƣớc lƣợng. Chính vì lý do đó mà em đã tìm hiểu, phát triển, nghiên cứ ứng dụng phƣơng pháp xây dụng robot hàn động bám theo đƣờng cong trong mặt phẳng với tham số ƣớc lƣợng đã biết trong một robot di động có gắn tay máy hàn ba bật tự do. Mục đích của Đề tài: Mục tiêu của luận văn là xây dựng hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn theo đƣờng trong mặt phẳng. Những mục tiêu của đề tài đƣợc đề ra nhƣ sau: − Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động.

− Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. − Thiết kế bộ cảm biến đo các giá trị sai số. − Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu: Trên cơ sở tổng hộp tài liệu về công nghệ hàn, robot và các thuật toán điều 9 khiển cho robot để thực hiện các công việc nhƣ sau - Xây dựng mô hình động học cho hệ tay máy – robot di động.

- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. - Mô phỏng kiểm chứng hệ thống trên Matlab. Kết quả dự kiến đạt đƣợc: Hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. Nội dung của Luân văn: CHƢƠNG 1: Tổng quan 1.

Nội dung luận văn 1. Tổng quan về robot hàn 1. Tổng quan về công nghệ hàn CHƢƠNG 2: Mô hình toán học 2. Lý thuyết về phần cứng robot 2.

Mô hình toán cho robot di động 2. Mô hình toán cho tay máy 2. Mô hình toán cho hệ robot di động tay máy CHƢƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển 3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho robot di động 3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ robot di động và tay máy CHƢƠNG 4: Kết quả mô phỏng 4.1 Các kết quả mô phỏng 4.2 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng CHƢƠNG 5: Kết luận và hƣớng phát triển 5.2 Hƣớng phát triển 10 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn 1.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới - Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài ngƣời đã biết hàn kim loại. - Năm 1802 nhà bác học ngƣời Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang điện.

- Năm 1882 kỹ sƣ Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại. - Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phƣơng pháp hàn tiếp xúc giáp mối và đƣợc áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903. - Năm 1887 Bênađớt đã tìm ra phƣơng pháp hàn điểm. - Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng điện cực kim loại để hàn.

- Năm 1907 kỹ sƣ Kenbe ngƣời Thụy Điển đã sử dụng cực điện có thuốc bọc (que hàn) để hàn kim loại. - Cuối những năm 1930 đến đầu những năm 1940 viện sỹ B.Patôn (Liên Xô cũ) đã tìm ra phƣơng pháp hàn dƣới thuốc bảo vệ, phƣơng pháp hàn tự động và bán tự động. - Cuối năm 1940, tìm ra phƣơng pháp hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ đó là các khí (Hêli, Ácgông ở Mỹ và các khí carbonic ở Liên Xô).Patôn (Liên Xô cũ), tìm ra phƣơng pháp hàn điện xỉ. - Những năm tiếp theo hàng loạt các phƣơng pháp hàn mới đƣợc ra đời nhƣ: hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát… và hiện nay trên thế giới có 120 phƣơng pháp hàn khác nhau.

- Nói chung các phƣơng pháp hàn ngày càng đƣợc hoàn thiện và phát triển hơn. Nó đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không – Vũ trụ. Có thể nói: hàn là phƣơng pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại. Lịch sử phát triển của ngành hàn ở Việt Nam - Từ xa xƣa, ông cha ta đã biết sử dụng hàn để làm ra các dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải thiện điều kiện lao động.

- Sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hòa bình 1954 .Dƣới sự lãnh đạo của Đảng ngành hàn đƣợc quan tâm và thực sự phát triển, nhất là trong thời kỳ đổi mới. - Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nƣớc trên thế giới. - Chúng ta chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất.Khái niệm chung về hàn a. Thực chất và đặc điểm  Thực chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận ) thành một khối bền vững bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn.

Sau đó, kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn.  Đặc điểm : - Liên kết hàn đƣợc đặc trƣng bởi tính liên tục và nguyên khối.