Luận văn thạc sĩ về robot hàn tự động tại HCMUTE

Chuyên đề robot hàn tự động tại HCMUTE, tiếp cận liên ngành, kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong chuyên ngành phục vụ học tập và đào tạo

• Tác giả: Phan Vân Hoàn
• 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: Robot Hàn Tự Động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
• 1.3. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI ĐẾ DI CHUYỂN VÀ LÝ THUYẾT HÀN TỰ ĐỘNG
• 2.1. Robot tự hành di chuyển bằng chân
• 2.2. Robot tự hành di chuyển bằng bánh
• 2.3. Bộ phận xử lý trung tâm – Pic16F877A
• 2.4. Các khâu chính trong hoạt động của Mobile Robot
• 2.5. Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov
• 2.6. Lý thuyết hàn tự động
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Vấn đề cần giải quyết
• 3.2. Phân tích đưa ra giải pháp
• 3.3. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.4. Đo lường sai số
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Giới thiệu về chương trình mô phỏng và cách bố trí mô phỏng
• 4.2. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.3. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.4. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.5. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.6. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.7. Mô phỏng theo bảng số liệu
• 4.8. Giải thích và nhận xét kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ROBOT
• 5.1. Thiết kế phần cứng
• 5.2. Bộ phận cảm biến
• 5.3. Cảm biến đo khoảng cách
• 5.4. Mạch điều khiển
• 5.5. Mạch công suất
• 5.6. Thiết kế chương trình cho Robot
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Thực nghiệm với quỹ đạo tròn
• 6.2. Thực nghiệm với quỹ đạo cong ngẫu nhiên
• 6.3. Thực nghiệm khả năng vượt qua điểm kỳ dị trên quỹ đạo di chuyển
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Những kết quả đạt được
• 7.2. Hạn chế của đề tài
• 7.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu robot hàn tự động

Nghiên cứu về robot hàn tự động tại HCMUTE đã chỉ ra sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ robot trong ngành công nghiệp. Robot hàn tự động không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường làm việc nguy hiểm. Theo thống kê, việc áp dụng robot trong sản xuất đã giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Luận văn này tập trung vào việc phát triển một bộ điều khiển cho robot hàn tự động, nhằm giải quyết bài toán di chuyển và hàn chính xác trong các điều kiện khác nhau. Việc nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp chế tạo.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về robot hàn đã được thực hiện rộng rãi trên thế giới. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng robot hàn tự động có thể cải thiện đáng kể hiệu suất làm việc. Nhiều nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để tối ưu hóa quá trình hàn. Ví dụ, một số nghiên cứu đã sử dụng cảm biến siêu âm để định vị và lập kế hoạch di chuyển cho robot hàn. Những kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ robot trong việc tự động hóa quy trình sản xuất, từ đó mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo tại HCMUTE.

II. Thiết kế bộ điều khiển cho robot hàn tự động

Bộ điều khiển cho robot hàn tự động được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov. Mục tiêu chính là đảm bảo rằng mỏ hàn luôn di chuyển với vận tốc không đổi và vuông góc với đường cong cần hàn. Việc thiết kế này không chỉ giúp robot hoạt động hiệu quả mà còn đảm bảo chất lượng hàn. Các phương pháp mô phỏng đã được sử dụng để kiểm chứng tính khả thi của bộ điều khiển. Kết quả cho thấy bộ điều khiển này có khả năng điều chỉnh linh hoạt trong các tình huống khác nhau, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của robot hàn.

2.1. Phân tích và giải pháp thiết kế

Phân tích các yêu cầu kỹ thuật cho bộ điều khiển là bước quan trọng trong quá trình thiết kế. Các yếu tố như tốc độ di chuyển, độ chính xác và khả năng phản hồi của robot cần được xem xét kỹ lưỡng. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển phi tuyến đã được đề xuất, với mục tiêu tối ưu hóa quá trình hàn. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại giúp robot hàn tự động hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển này có thể duy trì độ chính xác cao trong quá trình hàn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng

Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hàn tự động hoạt động ổn định và chính xác trong các bài thử nghiệm khác nhau. Các thử nghiệm được thực hiện với nhiều loại vật liệu và hình dạng khác nhau, cho thấy khả năng thích ứng cao của robot. Việc áp dụng robot hàn trong sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình hàn. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ robot có thể đóng góp tích cực vào việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo.

3.1. Đánh giá hiệu quả ứng dụng

Đánh giá hiệu quả của robot hàn tự động cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất. Các doanh nghiệp đã áp dụng công nghệ này ghi nhận sự giảm thiểu đáng kể về chi phí lao động và thời gian sản xuất. Hơn nữa, robot hàn còn giúp nâng cao độ chính xác và đồng nhất của các mối hàn, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong bối cảnh hiện tại mà còn mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển và ứng dụng công nghệ robot trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống con người. Theo ước tính, ngành công nghiệp robot toàn cầu đạt giá trị khoảng 2 tỷ đô la, trong đó robot hàn tự động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, các robot công nghiệp truyền thống thường thiếu tính lưu động, chỉ hoạt động trong không gian cố định. Do đó, robot tự hành (Mobile Robot) với khả năng di chuyển linh hoạt đã trở thành xu hướng nghiên cứu và ứng dụng mới.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn tự động, giải quyết bài toán di động bám tường (wall-following problem) nhằm giữ cho mỏ hàn luôn di chuyển với vận tốc không đổi, vuông góc và cách đều đường cong cần hàn. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6/2010 đến tháng 9/2011 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov, đồng thời ứng dụng trên robot hàn thực tế.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế robot hàn cho các đối tượng đặt vuông góc, có mặt cong trơn với bán kính cong không nhỏ hơn khoảng cách từ tâm robot đến mặt cong, và mặt phẳng đặt theo phương ngang. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và hiệu quả của quá trình hàn tự động, góp phần thúc đẩy ứng dụng robot trong công nghiệp chế tạo và sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển phi tuyến và định lý ổn định thứ hai của Lyapunov. Lý thuyết điều khiển phi tuyến cho phép thiết kế bộ điều khiển phù hợp với các hệ thống có đặc tính phi tuyến như robot tự hành. Định lý Lyapunov được sử dụng để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điều khiển bằng cách xây dựng hàm Lyapunov xác định dương, có đạo hàm theo thời gian là hàm xác định âm, từ đó chứng minh sai số điều khiển hội tụ về 0.

Ngoài ra, các khái niệm chính bao gồm:

• Robot tự hành (Mobile Robot): Robot có khả năng di chuyển và thực hiện nhiệm vụ mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
• Bám tường (Wall-following): Thuật toán điều khiển robot di chuyển song song và giữ khoảng cách cố định với bề mặt tường hoặc đường cong.
• Bộ điều khiển phi tuyến: Bộ điều khiển sử dụng các phương trình toán học phi tuyến để điều chỉnh vận tốc và hướng di chuyển của robot.
• Sai số điều khiển: Bao gồm sai số khoảng cách và sai số góc lệch giữa robot và đường cong cần bám theo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình mô phỏng trên phần mềm Matlab R2010b và thực nghiệm trên robot hàn tự động được thiết kế tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các quỹ đạo di chuyển cơ bản: đường thẳng, cung tròn lồi và cung tròn lõm, với các tham số vận tốc, khoảng cách và hệ số điều khiển được điều chỉnh đa dạng để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán học dựa trên hình học và lượng giác kết hợp với định lý Lyapunov để thiết kế bộ điều khiển phi tuyến. Các sai số về khoảng cách và góc lệch được tính toán liên tục, từ đó xác định vận tốc hai bánh xe trái và phải nhằm điều khiển robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo mong muốn. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 6/2010 đến tháng 9/2011, bao gồm các bước: thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, thiết kế phần cứng robot, lập trình điều khiển và thực nghiệm kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả bộ điều khiển phi tuyến: Bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov đã được thiết kế thành công, đảm bảo sai số khoảng cách và góc lệch hội tụ về 0 khi thời gian tiến tới vô cùng. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số e1 và e2 giảm dần, vận tốc hai bánh xe được điều chỉnh linh hoạt để duy trì quỹ đạo di chuyển ổn định.

2. Ảnh hưởng của tham số điều khiển: Khi tăng hệ số k1 từ 3 lên 9 và k2 từ 300 lên 900, sai số giảm nhanh hơn, robot bám tường chính xác hơn. Ví dụ, với k1=9 và k2=900, sai số khoảng cách giảm xuống dưới 0.01 m trong thời gian ngắn, so với sai số khoảng 0.05 m khi k1=3 và k2=300.

3. Tác động của vận tốc di chuyển: Tăng vận tốc mong muốn vr từ 0.06 m/s lên 0.1 m/s làm tăng độ khó trong việc duy trì sai số nhỏ, tuy nhiên bộ điều khiển vẫn giữ được độ ổn định với sai số e1 dưới 0.02 m và e2 dưới 0.01 rad.

4. Khả năng thích ứng với các quỹ đạo khác nhau: Bộ điều khiển hoạt động hiệu quả trên các quỹ đạo đường thẳng, cung tròn lồi và cung tròn lõm. Kết quả thực nghiệm trên robot hàn cho thấy robot có thể di chuyển chính xác theo các quỹ đạo này với sai số nhỏ, đảm bảo mỏ hàn luôn vuông góc và cách đều đường cong.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển đạt hiệu quả cao là việc áp dụng định lý ổn định Lyapunov, giúp đảm bảo sai số điều khiển hội tụ về 0 một cách chắc chắn. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng logic mờ, phương pháp toán học truyền thống trong luận văn này đơn giản hơn, dễ dàng thiết kế và hiệu chỉnh tham số.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày qua các biểu đồ sai số theo thời gian và bảng số liệu vận tốc bánh xe, minh họa rõ ràng sự hội tụ của sai số và sự ổn định của hệ thống. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, bộ điều khiển phi tuyến này có ưu điểm về độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế cao, đặc biệt trong môi trường hàn tự động với yêu cầu khắt khe về vị trí và vận tốc mỏ hàn.

Tuy nhiên, hạn chế của nghiên cứu là phạm vi ứng dụng còn giới hạn trong các điều kiện bề mặt cong trơn và các đối tượng đặt vuông góc. Ngoài ra, cảm biến đo khoảng cách có giới hạn chiều dài tối đa 0.19 m, ảnh hưởng đến khả năng mở rộng phạm vi hoạt động của robot.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp hệ thống cảm biến: Đề xuất sử dụng cảm biến khoảng cách có dải đo rộng hơn 0.3 m để mở rộng phạm vi hoạt động của robot, giúp robot có thể bám tường trên các bề mặt lớn hơn và phức tạp hơn. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do phòng thí nghiệm kỹ thuật điện tử chủ trì.

2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Phát triển thêm thuật toán điều khiển kết hợp logic mờ hoặc trí tuệ nhân tạo để xử lý các trường hợp bề mặt cong không đều hoặc có điểm kỳ dị, nhằm nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt. Thời gian nghiên cứu 1 năm, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ robot.

3. Mở rộng ứng dụng robot: Khuyến nghị áp dụng bộ điều khiển này cho các loại robot tự hành trong các lĩnh vực khác như kiểm tra đường ống, lau chùi công nghiệp, hoặc robot cứu hộ, nhằm tận dụng tính linh hoạt và độ chính xác của hệ thống. Chủ thể thực hiện là các công ty sản xuất robot và viện nghiên cứu.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và vận hành bộ điều khiển phi tuyến cho robot hàn tự động, giúp nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử. Thời gian thực hiện 3 tháng, do trường đại học phối hợp với các doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật điện tử, cơ khí tự động: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ điều khiển phi tuyến và ứng dụng trong robot tự hành, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và thực hành.

2. Kỹ sư phát triển robot công nghiệp: Các kỹ sư có thể áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển và thuật toán bám tường để cải tiến robot hàn tự động, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng robot: Luận văn cung cấp giải pháp thực tiễn để phát triển robot hàn tự động linh hoạt, phù hợp với các dây chuyền sản xuất hiện đại, giúp giảm chi phí nhân công và tăng năng suất.

4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng định lý Lyapunov trong thiết kế bộ điều khiển phi tuyến, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển phi tuyến dựa trên Lyapunov có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Bộ điều khiển này đảm bảo tính ổn định chắc chắn nhờ hàm Lyapunov, giúp sai số điều khiển hội tụ về 0. So với logic mờ, nó đơn giản hơn trong thiết kế và hiệu chỉnh, đồng thời có cơ sở toán học vững chắc.

2. Robot hàn tự động có thể hoạt động trên những loại bề mặt nào?
   Theo nghiên cứu, robot được thiết kế để hàn trên các bề mặt đặt vuông góc, trong đó mặt cong đứng phải trơn và có bán kính cong không nhỏ hơn khoảng cách từ tâm robot đến mặt cong. Điều này đảm bảo robot di chuyển ổn định và chính xác.

3. Phạm vi vận tốc di chuyển của robot trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Robot được mô phỏng và thực nghiệm với vận tốc từ 0.06 m/s đến 0.1 m/s. Trong phạm vi này, bộ điều khiển vẫn duy trì được độ ổn định và sai số nhỏ.

4. Làm thế nào để đo sai số khoảng cách và góc lệch trong thực tế?
   Sai số được đo thông qua cảm biến khoảng cách và cảm biến góc đặt trên robot. Công thức tính sai số dựa trên các giá trị đo được từ cảm biến, giúp bộ điều khiển điều chỉnh vận tốc bánh xe phù hợp.

5. Có thể áp dụng bộ điều khiển này cho các loại robot khác không?
   Có thể, đặc biệt là các robot tự hành di chuyển bằng bánh trong các ứng dụng cần bám theo đường cong hoặc bề mặt cố định. Tuy nhiên, cần điều chỉnh tham số và thiết kế phù hợp với đặc tính từng loại robot.

Kết luận

• Bộ điều khiển phi tuyến dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov đã được thiết kế và kiểm chứng thành công qua mô phỏng và thực nghiệm trên robot hàn tự động.
• Sai số khoảng cách và góc lệch được duy trì ở mức rất thấp, đảm bảo mỏ hàn di chuyển chính xác theo quỹ đạo mong muốn với vận tốc không đổi.
• Tham số điều khiển k1, k2 và vận tốc di chuyển có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả điều khiển, cần được hiệu chỉnh phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển robot hàn tự động linh hoạt, có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
• Các bước tiếp theo bao gồm nâng cấp hệ thống cảm biến, tối ưu thuật toán điều khiển và mở rộng phạm vi ứng dụng, đồng thời đào tạo chuyển giao công nghệ cho các đối tượng liên quan.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để trao đổi, hợp tác phát triển các giải pháp robot tự hành ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.

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 PHAN VÂN HOÀN ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG S K C 0 0 3 9 2 4 5 3 9 5 6 NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 0 3 4 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 - 2011 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN VÂN HOÀN ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 Hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH PHƢƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2011 Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên:Phan Vân Hoàn Giới tính:Nam Ngày, tháng, năm sinh:22/01/1986 Nơi sinh:Sông Bé Quê quán:Long An Dân tộc:Kinh Địa chỉ liên lạc:57 đƣờng 19, Kp.Thủ Đức, Tp.HCM Điện thoại nhà riêng: [phone] Điện thoại cơ quan: E-mail: [e-mail] Fax: II.

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 QuyThời gian đào tạo từ …/…….9 đến …/……… 2004 2 2009 Nơi học (trƣờng, thành phố):Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học:Điện - Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: HỆ THỐNG THU HỌC PHÍ Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2/2009, trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngƣời hƣớng dẫn:Th.S Trƣơng Ngọc Anh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009-2011 Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Học Viên i Luan van 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. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2011 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Vân Hoàn ii Luan van LỜI CẢM TẠ Trong suố t quá trình học tập và hoàn thành luận văn này , tôi đã nhận được sự hướng dẫn , giúp đỡ quý báu của các thầy cô , các anh chị, các em và các bạn. Với lòng kính trọng và biế t ơn sâu sắ c tôi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiê ̣u, phòng đào tạo sau đại học, bộ môn điện- điện tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.MCM đã tạo mọi điề u kiê ̣n thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tiế n si ̃ Nguyễn Thanh Phương, người thầ y kính mế n đã hế t lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điề u kiê ̣n thuận lợi cho tôi trong suố t quá trình học tập và hoàn thành luận văn tố t nghiê ̣p.

Xin chân thành cảm ơn các thầ y cô trong hội đồ ng chấ m luận văn đã cho tôi những đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè trong lớp cao học điện tử 2009B đã động viên và giúp đỡ tôi trong những lúc tôi gặp khó khăn. Xin chân thành cảm ơn bố , mẹ và các chi ̣ đã luôn ở bên cạnh động viên và giúp đỡ tôi học tập.HCM ngày 8,tháng 9,năm 2011 Phan Vân Hoàn iii Luan van TÓM TẮT Theo đà phát triển nhanh chóng của khoa học, Robot ngày càng đƣợc sử dụng phổ biến hơn trong sản xuất cũng nhƣ trong đời sống của con ngƣời. Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế đƣợc, nó giúp con ngƣời làm việc với năng suất cao và trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot di động đang ngày càng chiếm đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội.

Từ thực tế đó, việc xây dựng các bộ điều khiển cho Robot di động đã trở nên một yêu cầu thiết yếu. Bài toán di động bám tƣờng( wall-following problem) là một trong các bài toán thƣờng gặp trong Robot di động và nó đã đƣợc giải theo nhiều cách khác nhau. Trong luận văn “Robot hàn tự động” đƣợc thực hiện từ 6/2010 đến tháng 9/2011 tại trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, bài toán Robot di động bám tƣờng đƣợc giải quyết bằng môt bộ điều khiển phi tuyến dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov. Luận văn đã thiết kế và kiểm chứng bộ điều khiển này thông qua kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên Robot hàn tự động.

ABSTRAC Nowaday, Robot is widely used in industry and human life.It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions. The field of Moving-Robot has attracteda lot of attention of researchers and society. From the fact of that, designing the controllers of Moving-Robot has became an important problem. Wall-following problem is one of the problems of Moving-Robot and it was solved by different ways.

In this thesis “automaticwelding Robot”, which was done from 6/2010 to 9/2011 at technical education university, the Wall-following problem of Moving- Robot was solved by the nonlinear controller based on Lyapunov theorem. This controller was designed and tested by simulation results and experimental result of real system called automaticwelding Robot. iv Luan van MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các hình vii Danh sách các bảng ix Chƣơng 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.1 Tổng quan chung về Robot, Mobile Robot 1 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 12 1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu 12 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 12 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 13 Chƣơng 2.1 Các loại đế di chuyển 14 2.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân 14 2.2 Robot tự hành di chuyển bằng bánh 15 2.2Bộ phận xử lý trung tâm – Pic16F877A 18 2.1Các khâu chính trong hoạt động của Mobile Robot 19 2.2Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov 20 2.3 Lý thuyết hàn tự động 22 Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 25 3.1 Vấn đề cần giải quyết 25 3.2 Phân tích đƣa ra giải pháp 25 v Luan van 3.3 Thiết kế bộ điều khiển 26 3.4 Đo lƣờng sai số 31 Chƣơng 4.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 32 4.1 Giới thiệu về chƣơng trình mô phỏng và cách bố trí mô phỏng 32 4.2Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.3Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.4Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.5Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.6Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.7Mô phỏng theo bẳng số liệu 4.8Giải thích và nhận xét kết quả mô phỏng 41 Chƣơng 5. THIẾT KẾ ROBOT 43 5.1 Thiết kế phần cứng 43 5.1 Bộ phận cảm biến 43 5.2 Cảm biến đo khoảng cách 44 5.2 Mạch điều khiển 45 5.3 Mạch công suất 46 5.1 Thiết kế chƣơng trình cho Robot 47 Chƣơng 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49 6.2Kết quả thực nghiệm 50 6.1 Thực nghiệm với quỹ đạo tròn 50 6.2 Thực nghiệm với quỹ đạo cong ngẫu nhiên 51 6.3 Thực nghiệm khả năng vƣợt qua điểm kỳ dị trên quỹ đạodi chuyển 52 Chƣơng 7.1 Những kết quả đạt đƣợc 53 7.2Hạn chế của đề tài 53 7.3Hƣớng phát triển của đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 vi Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Robot hàn của KUKA và Robot song song Delta 1 Hình 1.2: Robot lau chùi BR 700 7 Hình 1.3: Robot hoạt động dƣới nƣớc ROV Tiburon 7 Hình 1.4: Robot kiểm tra ống dẫn dầu 7 Hình 1.5: Robot tự hành Sojourner 8 Hình 1.6: Robot Plustech 8 Hình 1.7: Robot Pioneer 8 Hình 1.8: Robot AGV 9 Hình 1.9: Robot Helpmate 9 Hình 1.11: Robot đi bộ giống ngƣời của hãng Honda 10 Hình 1.1: Robot di chuyển bằng chân 14 Hình 2.2: Ký hiệu của các loại bánh xe 15 Hình 2.3: Robot di chuyển bằng bánh 15 Hình 2.4: Cấu trúc Pic 16F877A 18 Hình 2.5: Sơđồcấutrúchoạt động của Mobile Robot 20 Hình 2.6: Minh họa hàm Lyapunov 21 Hình 2.7: Ví dụ minh họa đinh lý Lyapunov 21 Hình 3.1: Mô hình Robot hàn 25 Hình 3.2: Mô hình bài toán di chuyển của Robot hàn 26 Hình 3.3: Tìm quan hệ giữa (𝑥 − 𝑥𝑤 )và ( 𝑦 − 𝑦𝑤 ) với d và ∅ 28 vii Luan van Hình 3.4: Tính toán sai số e = [e1, e2]T trên thực tế 31 Hình 4.1: Giao diện chƣơng trình mô phỏng 32 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đạo đƣờng thẳng 36 Hình 4.3: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đạo cung lồi 36 Hình 4.4: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.1 với quỹ đạo cung lõm 37 Hình 4.5: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.2 với quỹ đạo cung lồi 37 Hình 4.6: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.3 với quỹ đạo cung lồi 38 Hình 4.7: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.4 với quỹ đạo cung lồi 38 Hình 4.8: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.5 với quỹ đạo cung lồi 39 Hình 4.9: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ đạo đƣờng thẳng 39 Hình 4.10: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ cung lồi 40 Hình 4.11: Kết quả mô phỏng theo bảng 4.6 với quỹ cung lõm 40 Hình 4.12: Giải thích kết quả mô phỏng 41 Hình 5.1: Sơ đồ khối Robot hàn tự động 43 Hình 5.2: Cảm biến đo góc 44 Hình 5.3: Cảm biến đo khoảng cách 44 Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển 45 Hình 5.5: Mạch công suất 46 Hình 5.6: Đế di chuyển 47 Hình 5.7: Lƣu đồ giải thuật Robot hàn tự động 48 Hình 6.1: Thực nghiệm Robot di chuyển theo quỹ đạo tròn 50 Hình 6.2: Thực nghiệm Robot di chuyển theo quỹ đạo cong ngẫu nhiên 51 Hình 6.3: Thực nghiệm khả năng vƣợt qua điểm kỳ dị trên quỹ đạodi chuyển 52 viii Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot 3 Bảng 2.1: Các cách bố trí bánh xe của Robot 16 Bảng 4.1: Số liệu mặc định của Robot 34 Bảng 4.2: Số liệu sau khi tăng vr 34 Bảng 4.3: Số liệu sau khi tăng k1, k2 ở mức độ trung bình 34 Bảng 4.4: Số liệu sau khi tăng k1, k2 ở mức độ cao nhất 35 Bảng 4.5: Số liệu sau khi tăng dr 35 Bảng 4.6: Số liệu sau khi thay đổi điểm đặt ban đầu của tâm Robot 35 ix Luan van Chƣơng 1 TổNG QUAN Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố.1 Tổng quan chung về Robot, Mobile Robot.