Luận văn: Xây dựng mô hình và điều khiển robot có khâu đàn hồi - Hà Anh Sơn

Luận văn nghiên cứu xây dựng mô hình và các giải pháp điều khiển robot có khâu đàn hồi, tập trung vào vấn đề giảm dao động và cải thiện tốc độ.

• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Xây Dựng Mô Hình và Điều Khiển Robot Có Khâu Đàn Hồi
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Lịch Sử Phát Triển Robot Đàn Hồi

Robot đàn hồi đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghiệp hiện đại. Từ những năm 1960, khi các robot công nghiệp đầu tiên như Versatran của công ty AMI (Mỹ) và Unimate 1900 được sử dụng trong kỹ nghệ ôtô, ngành robotics đã phát triển vượt bậc. Các nước như Anh, Thụy Điển, Nhật Bản, Đức, Pháp và Ý lần lượt bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo giấy phép của Mỹ. Robot T3 (The Tomorrow Tool) năm 1974 của Cineinnati là bước ngoặt quan trọng, có khả năng nâng vật lên đến 40 kg. Sự phát triển của mô hình robot và điều khiển robot đã được cải thiện liên tục nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử, máy tính và trí thông minh nhân tạo.

1.1. Các Mốc Lịch Sử Quan Trọng

Năm 1967, trường Đại học Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mô hình robot hoạt động theo nguyên lý "mắt-tay", có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974, robot được điều khiển bằng máy vi tính lần đầu tiên xuất hiện, mở ra kỷ nguyên mới cho tay máy robot đàn hồi. Sự kết hợp giữa công nghệ điều khiển theo chương trình số, cảm biến hiện đại và trí thông minh nhân tạo đã tạo nên những thế hệ robot với tính năng đặc biệt.

1.2. Vai Trò của Robot Đàn Hồi Hiện Đại

Robot có khâu đàn hồi đã giải quyết những hạn chế của robot cứng truyền thống. Nhờ khối lượng nhỏ hơn, mô hình robot đàn hồi cải thiện tốc độ hoạt động và giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, điều khiển robot đàn hồi đối mặt với thách thức giảm dao động do độ cứng khâu nhỏ, điều này thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong ngành robotics.

II. Cấu Trúc và Thiết Kế Robot Khâu Đàn Hồi

Robot khâu đàn hồi có cấu trúc độc đáo, khác biệt so với robot công nghiệp truyền thống. Các khâu đàn hồi được thiết kế với vật liệu có độ cứng thấp, cho phép robot hoạt động với tốc độ cao hơn mà vẫn đảm bảo an toàn. Mô hình robot này yêu cầu phân tích chi tiết về động lực học và tương tác giữa các khâu. Quá trình xây dựng mô hình phải tính đến các yếu tố như độ dẻo dại của vật liệu, quán tính phân bố, và ảnh hưởng của các cảm biến. Tay máy robot đàn hồi thường được trang bị nhiều loại cảm biến để nhận biết môi trường xung quanh, giúp điều khiển robot hiệu quả hơn.

2.1. Đặc Điểm Kỹ Thuật của Khâu Đàn Hồi

Các khâu đàn hồi được chế tạo từ vật liệu composite hoặc hợp kim nhẹ, có độ cứng thấp nhưng vẫn đủ bền. Mô hình toán học của khâu đàn hồi phải mô tả chuyển động phi tuyến tính, bao gồm cả dao động tự nhiên. Thông số quan trọng bao gồm: tần số riêng của khâu, hệ số tắt damp, và độ cứng tương đương.

2.2. Quy Trình Xây Dựng Mô Hình

Xây dựng mô hình robot đàn hồi bao gồm các bước: phân tích hình học, phân tích động lực học, và xác thực thực nghiệm. Mô hình robot được phát triển dựa trên phương pháp Lagrange hoặc Newton-Euler, kết hợp với các phương trình đạo hàm riêng cho dao động dòng. Kết quả mô hình sau đó được kiểm chứng qua các thí nghiệm thực tế.

III. Phương Pháp Điều Khiển Robot Đàn Hồi

Điều khiển robot đàn hồi là một bài toán phức tạp do sự có mặt của dao động và độ trễ động lực học. Các phương pháp điều khiển robot hiện đại bao gồm điều khiển tuyến tính (LQR), điều khiển phi tuyến (feedback linearization), và điều khiển thích ứng (adaptive control). Mô hình điều khiển phải đảm bảo ổn định, độ chính xác, và khả năng khôi phục từ nhiễu. Sử dụng cảm biến vị trí và gia tốc, hệ thống điều khiển robot có thể theo dõi quỹ đạo mong muốn trong khi tối ưu hóa mức năng lượng tiêu thụ. Công nghệ tay máy robot đàn hồi với điều khiển hiệu quả mở ra những ứng dụng mới trong sản xuất công nghiệp.

3.1. Các Chiến Lược Điều Khiển Chính

Điều khiển robot đàn hồi sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như điều khiển PID cải tiến, điều khiển mồi (feedforward control) kết hợp với feedback, và điều khiển dự báo (model predictive control). Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể. Mô hình toán học được sử dụng để tối ưu các tham số điều khiển.

3.2. Thách Thức trong Điều Khiển Dao Động

Giảm dao động là thách thức chính trong điều khiển robot đàn hồi. Mô hình robot phải xử lý các chế độ dao động bậc cao, trong đó phương pháp gán cực điểm (pole placement) và điều khiển dao động chủ động được áp dụng. Việc tích hợp cảm biến hiện đại giúp cải thiện đáp ứng của hệ thống.

IV. Ứng Dụng và Tương Lai của Robot Khâu Đàn Hồi

Robot có khâu đàn hồi đã chứng tỏ những lợi ích đáng kể trong các ứng dụng công nghiệp thực tế. Nhờ tốc độ cao, chi phí thấp, và khả năng hoạt động linh hoạt, tay máy robot đàn hồi được sử dụng trong lắp ráp chính xác, xếp dỡ hàng hóa, và các công việc yêu cầu độ nhạy cao. Mô hình robot tiên tiến cho phép dự đoán hiệu suất trước khi sản xuất thực. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, robot đàn hồi kết hợp với trí thông minh nhân tạo sẽ tạo ra những hệ thống sản xuất thông minh, tự động hóa, và có khả năng thích ứng cao. Việc xây dựng mô hình và điều khiển robot hiệu quả sẽ quyết định thành công của công nghiệp tự động hóa trong tương lai.

4.1. Ứng Dụng Thực Tế Hiện Nay

Robot khâu đàn hồi được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp: ô tô, điện tử, dệt may, và chế biến thực phẩm. Tay máy robot có khâu đàn hồi giảm chi phí năng lượng và nâng cao năng suất. Các doanh nghiệp đã chứng minh rằng mô hình robot được xây dựng chính xác có thể tối ưu hóa hiệu suất sản xuất lên đến 30-40%, đồng thời giảm thiệt hại sản phẩm.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Tương lai của robot đàn hồi nằm trong tích hợp công nghệ IoT, machine learning, và điều khiển bền vững. Mô hình robot sẽ trở nên thông minh hơn, có khả năng tự học từ dữ liệu hoạt động. Điều khiển robot sẽ được tối ưu hóa cho năng lượng tái tạo, phù hợp với nhu cầu phát triển bền vững của nền kinh tế toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOL HA ANH SON XAY DUNG MO ITINII VA DIEU KITIEN ROBOT CÓ KHẨU ĐÀN HÔI LUAN VAN THAC SĨ KỸ THUẬT CƠ DIỆN TỬ HÀ NỘI — 2017 BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOL HA ANH SON xAY DUN MO HINH VA DIEU KHIEN ROBOT CÓ KHẨU DÀN HỘI LUAN VAN THAC KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYÊN QUANG HOÀNG HÀ NỘI - 2017 LOT CAM DOAN Tôi xin cam doan các nội dung dược tình bảy trong luận văn này lá kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, không có sự sao chép hay oopy của bắt cứ tác giả nào. Tôi xin tự chịu trách nhiệm về lời cam đoạn của mình. Tác giả may c6ng cu diéu khién sé. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của nguời máy.

Một trong những robot công nghiệp dẫu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMI, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian nây ỡ Mỹ xuất hiện loại robot Unimate 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robol công nghiệp: Anh 1967, Thụy Điển và Nhật 1968 theo bin quyền của Mỹ; CHLD Dức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973. Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất la khả năng nhận biết và xử lý.

Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (My) đã chế lao ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “%nắt-tay”, có khả năng nhận biết và dịnh hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biển. Năm 1974 Công ty Mỹ Cineinnati đưa ra loại robot được điều khiển bang may vi nh, gọi là robel T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ cửa Lượng lai). Robot này có thể nâng dược vật có khối lượng dén 40 kg Có thể nói, Robot lá sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ câu điều khiến từ xa với mức 46 “tri thie” ngày cảng phong phú của hệ thông điển khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ câm biến, công, nghệ lập trình vả các phát triển của trí thông minh nhân tạo, hệ chuyên gia. Trong những năm sau này, việc nâng cao tính nàng hoạt động của robot không ngừng phát triển.

Các robot được trang bị thêm các loại cảm biên khác nhau đế nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tâm học - Diên tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tỉnh năng đắc biệt. Số lượng robot ngày cảng gia lăng, giá thành ngày cảng giảm. Nhờ vậy, roboL công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các đây chuyên sẵn xuất hiện dại. Quá trình phát triển robot đàn hồi 1.

Quá trình phát triển robot đản hồi trên thể giới a, Cúc công trình khoa bọc, bài báo về robot đàn héi Hiện nay trên thé giới việc nghiên cửu tay máy robot được coi là một lĩnh vục yA quan trọng long công nghiệp. Việo nghiên cứu được đi sâu vào hai mâng chính đó là tay máy robot cứng và tay máy robot đản hỏi (Flexible manipulator system-FMs). 8 LOI NOI DAU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa dat mudc van để tự động hóa có vai trò dặc biệt quan trọng. Nhằm nâng cao năng suat day chuyén công nghệ, nâng cao chất lượng và khá năng cạnh tranh của sắn phẩm, cái thiện điều kiện lao động.

đòi hỏi hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao. Robot công nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bộ phận quan trọng để lao ra những hệ thống đỏ. Tay mấy robol đã có ruặt trong sản xuất từ nhiễu năm trước, ngày nay nó đã được sử dụng ở nhiều lĩnh vực sản. xuất, xuất phát từ những tru điểm của tay máy robot được đúc kết lại trong quá trình sân xuất, làm việc, cho thấy tay máy robot có những tỉnh năng mà con người không thể có được, ví dụ như khả năng làm việc ồn định và có thể làm việc trong môi trường độc hại.

Do do việc đầu tu nghiên cứu, chế lạo ra những loại tay máy roboL phục vụ cho công cuộc tự dộng hỏa sẵn xuất là rất cân thiết cho hiện tại và tương lai. Với tốc dé phát triển của ngành roboties, hiện nay đã xuất hiện rất nhiều loại Tobot với các tính năng da dang. Mét trong các yêu tố hàng đâu dé lua chọn các robot đó là tốc độ và giá thành, Do đó robol có khâu dân hồi đang là một hướng nghiên cứu có thể đáp ứng được các tiêu chí trên. Với robot có khâu đản hồi tốc độ của robot sẽ được cải thiện do khối lượng hay quán tính của tay máy nhỏ.

Tuy nhiên, dao động thường xuất hiển do độ cứng của khâu nhỏ. Vấn dễ điều khiển giảm đao đông cho tay may dan hổi hiện nay thu hut đuợc sự quan tầm của nhiều nhà nghiên cửu. Dễ thiết kế và thứ nghiệm các bộ điển khiến và mô hình hóa các khău đàn hồi hay cả hệ tay máy đàn hồi đồng một vai trò quan trọng. TJo đó để tải “Xây dựng mô hình và điều khiển robot có khâu dan hai” có ý nghĩa thục tiễn trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện nay.

Lian van c6 thé cỏn nhiều thiếu sét, em rất mang sẽ nhận được nhiều ý kiến dong góp, bồ xung của các thấy, cô để hoàn thiện hơn nữa đề tái nay. Fm xin chan thành cam on! LOI CAM ON ‘Dau tién t6i xin gti lai cam on sâu sắc nhất đến người thầy đã hướng dẫn tôi hoan thành hiận văn này: PGS.TS Nguyễn Quang Hoang. Thay đã luôn tận tình chỉ tảo, hướng dẫn và động viên mỗi khu lôi gặp khó khăn trong suốt quá trình làm luận văn, Xin cảm ơn gia đình và bạn bẻ, những người luôn bên cạnh động, viên và giúp đỡ tôi Wrong Lae khô khăn và cfmg là nguồn động lục chỉnh để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2017 MỤC LỤC LỜI CẢMƠN.

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT. TONG QUAN & NEU VAN DE ~ 1. 8ơ lược quá trình phát wid 1. Quả trình phát triển robot dan hỏi.

Quá trình phát triển robot dàn hỏi trên thể giỏi. Tình hình nghiên cứu robot đàn hỏi tại Việt Nam: 1. Phạn vị nghiền cứu. Kết luận 14 CHƯƠNG H.

15 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BONG LUC HOC CỦA ROBOT CÓ KHẨU ĐÀN HỘI 15 2. Tổng quan về tay máy có khâu đản hồi. Cơ sở lý thuyết phần Lử hữu hạn [1] [2] 16 2. Dịnh nghữa hình học của các phần từ hữu bạn.

Hăm xấp xỉ - da thức nội suy — phép nội sưy 2. Ma tran hàm dang 2. Xây dựng ma trận khối lượng và độ cửng của phản tử đảm dàn hồi. Ma trận khếi lượng phản tử dam dan héi 2.

Thể nững, ma trận độ cứng của phần lử đản hỗi 2. Phương trình vị phân chuyên động của tay máy cá khâu đàn hồi. Phương trình vị phản chuyển dòng của robot đàn hồi dơn trục tịnh tiến. Phương trình ví phân chuyển động của robot đan hồi đơm trục quay.

64 TONG QUAN & NEU VANBE 1. Sơ lược quá trình phát triển của robot 'Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) "Robota” có nghĩa là công, việc tạp địch trong vở kịch Ressam's Universal Robots cia Karel Capek, vao năm 1821. Trong vớ kich nay, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc may gân giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỳ thuật về những cơ cân, máy móc bắt chước các hoạt động cœ bắp của con người.

Đầu thip kf 60, céng ly My AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tu động vạn năng và gọi lả “Người máy công nghiệp” (Tndistrial Robot). Ngày nay người la đặt tên người máy công nghiệp (hay robol công nghiệp) cho những loại thiết bï có đáng dấp và một vải chức nắng như tay người được điều khiển tự động đề thực hiện một số thaơ tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời som hon do là các cơ câu điều khiển lừ xa (Teleoperalors) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool). Các cơ câu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chú tớ) đã phát triển mạnh trong, chiến tranh thể giới lần thử hai nhằm nghiên cứu các vật liện phóng xạ.

Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phỏng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát 48 có thê nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ câu điêu khiển từ xa thay thé cho cảnh tay của người thao tác; nó gảm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cảm biên ngoài (clrú). Cá hai, tay cằm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sảu bậc tự do đề tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của Tay cẩm và bộ kẹp. Ca cầu đừng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động cũa tay cảm Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiến số ra đời, nhằm đáp ứng yêu.

cầu gia công các chỉ tiết trong, ngành chế tạo máy bay. Những robot dâu tiên thục chất là sự nổi kết giữa các khâu cơ khí của cơ câu điêu khiển từ xa với khả năng lập trình của 7 TONG QUAN & NEU VANBE 1. Sơ lược quá trình phát triển của robot 'Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) "Robota” có nghĩa là công, việc tạp địch trong vở kịch Ressam's Universal Robots cia Karel Capek, vao năm 1821. Trong vớ kich nay, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc may gân giống với con người để phục vụ con người.

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỳ thuật về những cơ cân, máy móc bắt chước các hoạt động cœ bắp của con người. Đầu thip kf 60, céng ly My AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tu động vạn năng và gọi lả “Người máy công nghiệp” (Tndistrial Robot). Ngày nay người la đặt tên người máy công nghiệp (hay robol công nghiệp) cho những loại thiết bï có đáng dấp và một vải chức nắng như tay người được điều khiển tự động đề thực hiện một số thaơ tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời som hon do là các cơ câu điều khiển lừ xa (Teleoperalors) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).