Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ điều khiển chuyển động cho robot 6 bậc tự do

• Tác giả: Nguyễn Minh Nhựt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển Chuyển Động Cho Robot 6 Bậc Tự Do Và Sử Dụng Tín Hiệu Điện Cơ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• BẢN CAM KẾT VÀ XÁC NHẬN KẾT QUẢ KIỂM TRA ĐẠO VĂN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình nghiên cứu
• 1.1.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.2. Mục đích và mục tiêu đề tài
• 1.2.1. Mục đích đề tài
• 1.2.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 1.5. Giới thiệu nội dung
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan robot
• 2.2. Động học robot
• 2.2.1. Động học thuận
• 2.2.2. Động học nghịch
• 2.3. Cơ sở lý thuyết về phương pháp Jacobian
• 2.3.1. Jacobian thông qua phân tích hình học
• 2.3.2. Phương pháp Jacobian Transpose
• 2.3.3. Phương pháp Pseudo-Inverse
• 2.3.4. Phương pháp Damped – Least Square (DLS)
• 2.3.5. Phương phát Gradient Descent
• 2.4. Quy hoạch quỹ đạo cho robot
• 2.5. Cơ sở lý thuyết về mạng CAN bus
• 2.5.1. Khung truyền dữ liệu
• 2.6. Tổng quan về tín hiệu EMGs
• 2.7. Phương pháp xác định vị trí đặt điện cực
• 2.8. Lý thuyết xử lý nhiễu tín hiệu
• 2.8.1. Phân tích theo miền thời gian
• 2.8.2. Phân tích theo miền tần số
• 2.8.3. Biến đổi Fourier Transform (FT)
• 2.8.4. Rời rạc hóa Discrete Fourier Transform (DFT)
• 2.8.5. Phương pháp thiết kế các bộ lọc chủ động
• 2.9. Phương pháp chuyển đổi và xử lý dữ liệu
• 2.9.1. Phương pháp Zero Crossing tách ngưỡng
• 2.9.2. Lý thuyết áp dụng bộ lọc Kalman trong chuyển đổi tín hiệu
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Tổng quan về hệ thống thi công
• 3.2. Thiết kế và thi công khối Master
• 3.3. Thiết kế và thi công khối Slave
• 3.3.1. Thiết kế và thi công module CAN
• 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý module CAN
• 3.3.3. Thi công module CAN
• 3.3.4. Thiết kế và thi công mạng CAN
• 3.3.5. Thiết kế và thi công tủ điện
• 3.4. Thiết kế giao diện điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
• 4.1. Tính toán động học thuận
• 4.1.1. Đặt trục robot Exoskeleton 6 bậc tự do
• 4.1.2. Động học thuận
• 4.1.3. Phương pháp xác định hướng robot
• 4.2. Tính toán động học nghịch
• 4.2.1. Động học nghịch bằng phương pháp giải tích
• 4.2.2. Động học nghịch sử dụng phương pháp Jacobian
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN EMGs
• 5.1. Vị trí lựa chọn đặt điện cực
• 5.2. Xử lý nhiễu tín hiệu có trên cảm biến
• 5.2.1. Thực hiện phân tích chuỗi Fourier
• 5.2.2. Thiết kế bộ lọc nhiễu số Butterworth cho mô hình thực tế
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
• 6.1. Tổng quan về mô phỏng hệ thống
• 6.2. Kiểm chứng mô phỏng với robot
• 6.2.1. Kiểm chứng động học
• 6.2.2. Không gian làm việc robot
• 6.2.3. Mô phỏng quy hoạch quỹ đạo cho robot
• 6.3. Kiểm chứng mô phỏng với tín hiệu EMG
• 6.3.1. Thử nghiệm dữ liệu thu thập từ cơ Bicep và Triceps
• 6.3.2. Mô phỏng kiểm chứng điều khiển robot sử dụng tín hiệu EMGs
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
• 7.1. Tổng quan thực nghiệm hệ thống
• 7.2. Cấu hình các thông số và phương pháp điều khiển trên driver AC servo và driver Step
• 7.3. Thực nghiệm mạng truyền thông CAN bus
• 7.4. Thực hiện kiểm chứng quy hoạch quỹ đạo trên mô hình thực tế
• 7.5. Thực nghiệm kiểm chứng tín hiệu EMG với mô hình robot
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do là một trong những loại robot phổ biến trong ngành công nghiệp và nghiên cứu. Chúng có khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp nhờ vào cấu trúc khớp nối linh hoạt. Bộ điều khiển robot đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các chuyển động này. Việc thiết kế bộ điều khiển cho robot 6 bậc tự do yêu cầu hiểu biết sâu sắc về động học và các phương pháp điều khiển. Theo nghiên cứu, robot 6 bậc tự do có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, sản xuất và tự động hóa. Việc sử dụng tín hiệu điện cơ để điều khiển robot giúp tăng cường độ chính xác và hiệu suất hoạt động. "Robot 6 bậc tự do cho phép thực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà không cần sự can thiệp của con người".

1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của robot 6 bậc tự do thường bao gồm các khớp xoay và khớp dịch chuyển, cho phép robot thực hiện các chuyển động đa dạng. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu về vị trí và chuyển động của robot. Cảm biến robot giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số hoạt động, đảm bảo robot hoạt động chính xác. Việc thiết kế hệ thống điều khiển cho robot cần phải tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả. "Một hệ thống điều khiển tốt sẽ giúp robot hoạt động mượt mà và chính xác hơn".

II. Thiết kế bộ điều khiển cho robot

Thiết kế bộ điều khiển robot là một quá trình phức tạp, bao gồm nhiều bước từ việc xác định yêu cầu đến việc lập trình và thử nghiệm. Các phương pháp điều khiển như PID, Fuzzy Logic hay Neural Networks thường được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của robot. Việc sử dụng tín hiệu điện cơ trong điều khiển giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của robot. "Một bộ điều khiển hiệu quả sẽ giúp robot thực hiện các nhiệm vụ một cách nhanh chóng và chính xác". Đặc biệt, việc tích hợp cảm biến chuyển động vào hệ thống điều khiển giúp robot có khả năng tự động điều chỉnh theo môi trường xung quanh.

2.1 Các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển cho robot 6 bậc tự do bao gồm điều khiển theo mô hình, điều khiển theo phản hồi và điều khiển thông minh. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả. "Điều khiển theo mô hình giúp dự đoán hành vi của robot, trong khi điều khiển theo phản hồi giúp điều chỉnh tức thì". Sự kết hợp giữa các phương pháp này có thể tạo ra một hệ thống điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt.

III. Ứng dụng thực tiễn của robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ sản xuất công nghiệp đến y tế. Trong sản xuất, chúng được sử dụng để lắp ráp, hàn và kiểm tra sản phẩm. Trong y tế, robot phục hồi chức năng giúp bệnh nhân phục hồi khả năng vận động. Việc sử dụng robot tự động trong các lĩnh vực này không chỉ tăng năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người. "Robot có thể thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm mà con người không thể làm". Sự phát triển của công nghệ điều khiển và cảm biến đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc ứng dụng robot trong đời sống.

3.1 Lợi ích của robot trong sản xuất

Robot 6 bậc tự do giúp tăng cường hiệu suất sản xuất nhờ vào khả năng làm việc liên tục và chính xác. Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại mà không bị mệt mỏi, từ đó giảm thiểu thời gian sản xuất và chi phí. "Sự hiện diện của robot trong dây chuyền sản xuất đã làm thay đổi cách thức hoạt động của nhiều nhà máy". Việc áp dụng robot không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.