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 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 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 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 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 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 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 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 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.
Khái niệm Robot theo nghĩa chung thƣờng đƣợc hiểu đồng nghĩa với khái niệm tự động hoá công nghiệp, điều nay chỉ đúng một phần bởi vì: thứ nhất, Robot chỉ là một thành phần trong hệ thống tự động hoá, thứ hai là tự thân việc trình bày, miêu tả Robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều phóng đại. Những Robot xuất hiện lần đầu tiên ở NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch ngƣời Tiệp Khắc là Karen Chapek, và từ Robot là một cách gọi khác của từ Robota-theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Khi đó, Karen Chapek cho rằng Robot là những ngƣời máy có khả năng làm việc nhƣng không có khả năng suy nghĩ. Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm Robot đã liên tục đƣợc phát triển, đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực Robot.
Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt đƣợc những thành tựu hết sức to lớn. Những cánh tay Robot (manipulator) chiếm giá trị khoảng 2 tỉ đô la của ngành công nghiệp .Những tay máy 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 (hình 1. Trong ngành công nghiệp điện tử, các cánh tay Robot có thể đƣợc sử dụng để lắp ráp linh kiện cho điện thoại di động và máy tính xách tay với độ chính xác của một siêu nhân.1Robot hàn của KUKA và Robot song song Delta of SIG Demaurex SA TRANG 1 Chƣơng 1 TổNG QUAN Tuy nhiên, dù đạt đƣợc nhiều thành công nhƣng những Robot công nghiệp trên vẫn còn một nhƣợc điểm cơ bản đó là thiếu tính lƣu động. Những cánh tay Robot chỉ có thể chuyển động trong một khoảng không gian cố định phụ thuộc vào nơi nó đƣợc đặt.