Thiết kế, thi công và điều khiển robot song song 5 bậc tự do linh hoạt

• Tác giả: Nguyễn Thị Anh Đào
• Người hướng dẫn: Ts. Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế, Thi Công Và Điều Khiển Mô Hình Five – Bar Parallel Robot Linh Hoạt Sử Dụng Trong Nhiều Ứng Dụng Khác Nhau
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
• Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên hướng dẫn
• Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên phản biện
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Mục đích thiết kế cơ cấu song song
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Nội dung sẽ trình bày trong các chương
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI
• 2.2. Động học robot
• 2.2.1. Động học thuận robot
• 2.2.2. Động học nghịch robot
• 2.3. Không gian làm việc của robot
• 2.3.1. Điểm kỳ dị loại 1 ( Điểm kỳ dị nối tiếp)
• 2.3.2. Điểm kỳ dị loại 2 (Điểm kỳ dị song song)
• 2.4. Quy hoạch quỹ đạo
• 2.4.1. Quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm cho trước
• 2.4.2. Quy hoạch quỹ đạo theo phương pháp SCA
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ
• 3.1. Thiết kế kỹ thuật cơ khí
• 3.2. Thiết kế kỹ thuật điện tử
• 3.3. Thiết kế lưu đồ giải thuật
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH
• 4.1. Thi công mô hình
• 4.2. Tổng hợp và phân tích
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Kết quả thu được
• 5.2. Nhận xét và đánh giá
• 5.3. Ứng dụng của đề tài
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục Code
• Phụ lục bản vẽ

Tóm tắt

I. Robot song song 5 bậc tự do Tổng quan và tiềm năng ứng dụng

Robot song song 5 bậc tự do (5 DOF) đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu. Khác với robot nối tiếp truyền thống, robot song song có cấu trúc khép kín, mang lại độ cứng vững cao hơn, khả năng chịu tải lớn hơn và độ chính xác cao hơn. Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác và ổn định, chẳng hạn như gia công chính xác, lắp ráp điện tử, và phẫu thuật hỗ trợ. Ưu điểm robot song song 5 bậc tự do còn nằm ở khả năng đạt được gia tốc lớn hơn và khối lượng động nhỏ hơn so với robot nối tiếp có cùng kích thước. Tuy nhiên, việc thiết kế và điều khiển robot song song cũng đặt ra nhiều thách thức về mặt kỹ thuật, đòi hỏi kiến thức sâu rộng về động học, động lực học và thuật toán điều khiển. Một trong những ứng dụng tiềm năng của robot song song 5 DOF là trong lĩnh vực y tế, cụ thể là trong các hệ thống phẫu thuật xâm lấn tối thiểu. Với độ chính xác cao và khả năng hoạt động trong không gian hẹp, robot song song có thể giúp bác sĩ thực hiện các ca phẫu thuật phức tạp một cách an toàn và hiệu quả hơn. Ngoài ra, robot song song cũng được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như lắp ráp linh kiện điện tử, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và các quy trình tự động hóa khác. Để khai thác tối đa tiềm năng của robot song song 5 bậc tự do, cần có sự đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến, cũng như các phương pháp thiết kế tối ưu hóa cấu trúc robot. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Anh Đào và cộng sự (2021) đã chỉ ra tầm quan trọng của việc phân tích động học và quy hoạch quỹ đạo cho Five – bar parallel robot. Việc phát triển giao diện giám sát và mô phỏng hoạt động của robot cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Giới thiệu chi tiết về cấu trúc robot song song 5 bậc tự do

Cấu trúc của robot song song 5 bậc tự do bao gồm một nền tảng cố định, một nền tảng di động, và một số chuỗi động học song song kết nối hai nền tảng này. Số lượng và loại khớp trên mỗi chuỗi động học, cũng như cách bố trí các chuỗi động học, quyết định số bậc tự do và khả năng vận động của robot. Có nhiều cấu trúc robot song song 5 DOF khác nhau, chẳng hạn như robot Delta, robot Stewart platform, và robot dựa trên cơ cấu 5 thanh (five-bar mechanism). Mỗi cấu trúc có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Cấu trúc robot song song 5 bậc tự do cần được thiết kế sao cho đảm bảo độ cứng vững cao, khả năng chịu tải lớn, và không gian làm việc đủ rộng. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và độ bền của robot.

1.2. Các lĩnh vực ứng dụng tiềm năng của robot song song 5 DOF

Ứng dụng robot song song 5 bậc tự do rất đa dạng và đang ngày càng mở rộng. Trong lĩnh vực công nghiệp, robot song song được sử dụng trong các quy trình gia công chính xác, lắp ráp linh kiện điện tử, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và tự động hóa các dây chuyền sản xuất. Trong lĩnh vực y tế, robot song song được sử dụng trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, phục hồi chức năng, và sản xuất thiết bị y tế. Ngoài ra, robot song song cũng được sử dụng trong các ứng dụng khác như mô phỏng chuyến bay, kiểm soát rung động, và nghiên cứu khoa học. Việc phát triển robot song song 5 DOF cho các ứng dụng cụ thể đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về cơ khí, điện tử, điều khiển, và các lĩnh vực liên quan.

II. Thiết kế Robot Song Song 5 DOF Cách chọn cấu trúc tối ưu

Thiết kế robot song song 5 bậc tự do là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như cấu trúc robot, loại khớp, vật liệu, và phương pháp điều khiển. Cấu trúc robot song song quyết định khả năng vận động, độ cứng vững, và không gian làm việc của robot. Việc lựa chọn cấu trúc phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Ví dụ, robot Delta thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và độ chính xác tương đối, trong khi robot Stewart platform thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng vững cao và khả năng chịu tải lớn. Loại khớp được sử dụng trong robot song song cũng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của robot. Các loại khớp phổ biến bao gồm khớp quay, khớp trượt, và khớp cầu. Vật liệu chế tạo robot song song cần có độ cứng vững cao, trọng lượng nhẹ, và khả năng chống ăn mòn. Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm nhôm, thép, và vật liệu composite. Phương pháp điều khiển robot song song cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và ổn định của robot. Các phương pháp điều khiển phổ biến bao gồm điều khiển vị trí, điều khiển lực, và điều khiển trở kháng. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Anh Đào và cộng sự (2021) đã nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thiết kế và thi công mô hình Five – bar parallel robot để đạt được sự linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công phù hợp cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế.

2.1. Phân tích động học và động lực học trong thiết kế robot song song

Phân tích động học và động lực học là hai bước quan trọng trong quá trình thiết kế robot song song 5 bậc tự do. Phân tích động học cho phép xác định mối quan hệ giữa vị trí và hướng của nền tảng di động và các biến khớp. Phân tích động lực học cho phép xác định lực và mô-men cần thiết để điều khiển robot. Kết quả phân tích động học và động lực học được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển robot và lựa chọn các thành phần phù hợp. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng có thể giúp đơn giản hóa quá trình phân tích động học và động lực học, cũng như đánh giá hiệu suất của robot trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

2.2. Tối ưu hóa cấu trúc robot để nâng cao hiệu suất và độ chính xác

Tối ưu hóa cấu trúc robot song song 5 DOF là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng các yếu tố như không gian làm việc, độ cứng vững, khả năng chịu tải, và độ chính xác. Có nhiều phương pháp tối ưu hóa cấu trúc khác nhau, chẳng hạn như phương pháp dựa trên thuật toán di truyền, phương pháp dựa trên độ nhạy, và phương pháp dựa trên phân tích phần tử hữu hạn. Việc sử dụng phần mềm tối ưu hóa có thể giúp tự động hóa quá trình tối ưu hóa cấu trúc, cũng như tìm ra các cấu trúc tối ưu cho các ứng dụng cụ thể.

2.3. Lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công phù hợp cho robot

Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công phù hợp là một yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế robot song song 5 bậc tự do. Vật liệu cần có độ cứng vững cao, trọng lượng nhẹ, và khả năng chống ăn mòn. Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm nhôm, thép, và vật liệu composite. Phương pháp gia công cần đảm bảo độ chính xác cao và độ bền của các thành phần robot. Các phương pháp gia công phổ biến bao gồm gia công CNC, gia công EDM, và gia công laser. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp gia công phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và ngân sách cho phép.

III. Điều khiển Robot Song Song 5 DOF Hướng dẫn các thuật toán chính

Điều khiển robot song song 5 bậc tự do là một thách thức lớn do tính phi tuyến và phức tạp của động học và động lực học robot. Có nhiều thuật toán điều khiển khác nhau có thể được sử dụng, chẳng hạn như điều khiển vị trí, điều khiển lực, và điều khiển trở kháng. Điều khiển vị trí là phương pháp điều khiển phổ biến nhất, trong đó mục tiêu là điều khiển robot di chuyển đến một vị trí và hướng mong muốn. Điều khiển lực là phương pháp điều khiển trong đó mục tiêu là điều khiển lực tác dụng lên môi trường. Điều khiển trở kháng là phương pháp điều khiển kết hợp cả điều khiển vị trí và điều khiển lực, cho phép robot tương tác với môi trường một cách linh hoạt và an toàn. Việc lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và đặc tính của robot. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Anh Đào và cộng sự (2021), việc thiết kế bộ điều khiển vị trí cho Five – bar parallel robot là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác. Việc phát triển giao diện giám sát điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển.

3.1. Giới thiệu các phương pháp điều khiển vị trí cho robot song song

Điều khiển vị trí là phương pháp điều khiển phổ biến nhất cho robot song song 5 bậc tự do. Các phương pháp điều khiển vị trí phổ biến bao gồm điều khiển PID, điều khiển phản hồi tuyến tính hóa, và điều khiển thích nghi. Điều khiển PID là phương pháp điều khiển đơn giản và dễ thực hiện, nhưng có thể không đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Điều khiển phản hồi tuyến tính hóa là phương pháp điều khiển phức tạp hơn, nhưng có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Điều khiển thích nghi là phương pháp điều khiển có thể tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để thích ứng với sự thay đổi của môi trường và đặc tính robot.

3.2. Điều khiển lực và điều khiển trở kháng Ứng dụng và ưu điểm

Điều khiển lực và điều khiển trở kháng là hai phương pháp điều khiển tiên tiến cho robot song song 5 bậc tự do. Điều khiển lực cho phép robot tác dụng một lực mong muốn lên môi trường, chẳng hạn như trong các ứng dụng đánh bóng hoặc mài. Điều khiển trở kháng cho phép robot tương tác với môi trường một cách linh hoạt và an toàn, chẳng hạn như trong các ứng dụng lắp ráp hoặc phẫu thuật. Các phương pháp điều khiển lực và điều khiển trở kháng đòi hỏi kiến thức sâu rộng về động lực học robot và các thuật toán điều khiển phức tạp.

3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất của các thuật toán điều khiển

Mô phỏng và đánh giá hiệu suất là hai bước quan trọng trong quá trình phát triển các thuật toán điều khiển cho robot song song 5 bậc tự do. Mô phỏng cho phép kiểm tra tính đúng đắn và hiệu quả của các thuật toán điều khiển trong môi trường ảo trước khi triển khai trên robot thực tế. Đánh giá hiệu suất cho phép so sánh các thuật toán điều khiển khác nhau và lựa chọn thuật toán tốt nhất cho ứng dụng cụ thể. Các tiêu chí đánh giá hiệu suất bao gồm độ chính xác, độ ổn định, và thời gian đáp ứng.

IV. Ứng dụng thực tế Robot Song Song 5 bậc tự do Case study và bài học

Ứng dụng thực tế của robot song song 5 bậc tự do ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực công nghiệp, robot song song được sử dụng trong các quy trình gia công chính xác, lắp ráp linh kiện điện tử, kiểm tra chất lượng sản phẩm, và tự động hóa các dây chuyền sản xuất. Trong lĩnh vực y tế, robot song song được sử dụng trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu, phục hồi chức năng, và sản xuất thiết bị y tế. Ngoài ra, robot song song cũng được sử dụng trong các ứng dụng khác như mô phỏng chuyến bay, kiểm soát rung động, và nghiên cứu khoa học. Các case study và bài học kinh nghiệm từ các ứng dụng thực tế giúp chúng ta hiểu rõ hơn về ưu điểm và nhược điểm của robot song song, cũng như các thách thức và cơ hội trong việc triển khai robot song song.

4.1. Robot song song trong gia công chính xác và lắp ráp công nghiệp

Robot song song 5 DOF được sử dụng rộng rãi trong các quy trình gia công chính xác và lắp ráp công nghiệp do độ cứng vững cao, khả năng chịu tải lớn, và độ chính xác cao. Các ứng dụng cụ thể bao gồm gia công các chi tiết máy, lắp ráp linh kiện điện tử, và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Việc sử dụng robot song song giúp tăng năng suất, giảm chi phí, và nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.2. Robot song song trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu và phục hồi chức năng

Robot song song 5 bậc tự do có tiềm năng lớn trong phẫu thuật xâm lấn tối thiểu và phục hồi chức năng do độ chính xác cao và khả năng hoạt động trong không gian hẹp. Các ứng dụng cụ thể bao gồm phẫu thuật nội soi, phẫu thuật robot, và phục hồi chức năng cho bệnh nhân sau đột quỵ hoặc chấn thương. Việc sử dụng robot song song giúp giảm thiểu xâm lấn, giảm đau đớn, và rút ngắn thời gian phục hồi cho bệnh nhân.

4.3. Các ứng dụng tiềm năng khác Từ mô phỏng đến nghiên cứu khoa học

Robot song song 5 DOF có nhiều ứng dụng tiềm năng khác ngoài công nghiệp và y tế. Chẳng hạn, robot song song có thể được sử dụng trong mô phỏng chuyến bay để tạo ra trải nghiệm chân thực hơn cho phi công. Robot song song cũng có thể được sử dụng trong kiểm soát rung động để giảm thiểu rung động trong các thiết bị nhạy cảm. Ngoài ra, robot song song cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu khoa học để thực hiện các thí nghiệm phức tạp và chính xác.

V. Ưu điểm và nhược điểm Robot song song 5 bậc Phân tích chuyên sâu

Để đánh giá toàn diện robot song song 5 bậc tự do, cần phân tích cả ưu điểm và nhược điểm của chúng so với các loại robot khác. Ưu điểm chính của robot song song bao gồm độ cứng vững cao, khả năng chịu tải lớn, độ chính xác cao, và gia tốc lớn. Tuy nhiên, robot song song cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như không gian làm việc hạn chế, cấu trúc phức tạp, và khó điều khiển. Việc hiểu rõ ưu điểm và nhược điểm của robot song song giúp chúng ta lựa chọn loại robot phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

5.1. So sánh robot song song 5 bậc tự do với robot nối tiếp truyền thống

Robot song song 5 bậc tự do có nhiều ưu điểm so với robot nối tiếp truyền thống, bao gồm độ cứng vững cao hơn, khả năng chịu tải lớn hơn, độ chính xác cao hơn, và gia tốc lớn hơn. Tuy nhiên, robot nối tiếp có không gian làm việc rộng hơn và cấu trúc đơn giản hơn. Việc lựa chọn giữa robot song song và robot nối tiếp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

5.2. Các thách thức kỹ thuật trong thiết kế và điều khiển robot song song

Thiết kế và điều khiển robot song song 5 DOF đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật, bao gồm tính phi tuyến và phức tạp của động học và động lực học robot, không gian làm việc hạn chế, và khả năng xảy ra điểm kỳ dị. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cần phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến và các phương pháp thiết kế tối ưu hóa để vượt qua những thách thức này.

VI. Tương lai Robot song song 5 bậc tự do Hướng phát triển đột phá

Tương lai của robot song song 5 bậc tự do hứa hẹn nhiều hướng phát triển đột phá. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn, các phương pháp thiết kế tối ưu hóa cấu trúc robot, và các vật liệu mới cho robot. Ngoài ra, việc tích hợp robot song song với các công nghệ khác như trí tuệ nhân tạo và học máy cũng mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới.

6.1. Các xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực robot song song

Các xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực robot song song 5 bậc tự do bao gồm phát triển các thuật toán điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo, thiết kế robot có khả năng tự tái cấu hình, và sử dụng các vật liệu thông minh cho robot. Các xu hướng này hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá lớn trong hiệu suất và khả năng ứng dụng của robot song song.

6.2. Tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào robot song song

Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào robot song song 5 bậc tự do mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới. Chẳng hạn, robot có thể tự học cách thực hiện các tác vụ phức tạp, tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để thích ứng với sự thay đổi của môi trường, và tự chẩn đoán và sửa chữa các lỗi. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy giúp robot trở nên thông minh hơn, linh hoạt hơn, và dễ sử dụng hơn.