Đồ án HCMUTE: Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do trong môi trường thực tế ảo

• Tác giả: Trần Lưu Phúc Hoà
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Điều Khiển Robot 6 Bậc Tự Do Trong Thực Tế Ảo
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục Tiêu Đề Tài
• 1.2. Nội Dung Nghiên Cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng Quan Về Thực Tế Ảo
• 2.2. Ứng Dụng Của Thực Tế Ảo
• 2.3. Tổng Quan Về Robot
• 2.4. Lịch Sử Phát Triển Robot
• 2.5. Các Khái Niệm Về Robot
• 2.6. Bậc tự do của Robot
• 2.7. Vùng Làm Việc Của Robot
• 2.8. Cấu tạo của Robot
• 2.9. Cấu tạo chung
• 2.10. Phân Loại Robot
• 2.11. Phân Loại Theo Vùng Hoạt Động, Kết Cấu Tay Máy
• 2.12. Phân Loại Theo Mô Hình Điều Khiển
• 2.13. Phân Loại Theo Phạm Vi Ứng Dụng
• 2.14. Động Học Tay Máy
• 2.15. Hệ Tọa Độ Thuần Nhất
• 2.16. Các Phép Biến Đổi
• 2.17. Phép Biến Đổi Tịnh Tiến (Translation)
• 2.18. Ma Trận Chuyển Đổi Đồng Nhất
• 2.19. Quy Tắc Denavid-Hartenberg
• 2.20. Bài toán động học thuận
• 2.21. Bài Toán Động Học Nghịch
• 2.22. Thiết Kế Quỹ Đạo Chuyển Động Cho Robot
• 2.23. Giới Thiệu Và Cơ Sở Thiết Kế Quỹ Đạo
• 2.24. Thiết Kế Quỹ Đạo Chuyển Động Trong Không Gian Khớp
• 2.25. Thiết Kế Quỹ Đạo Trong Không Gian Làm Việc
• 2.26. Tổng Quan Về Cảm Biến Đo Lường Quán Tính (IMU)
• 2.27. Cảm Biến Đo Lường Quán Tính
• 2.28. Phương Pháp Xác Định Góc Nghiêng Trong Không Gian
• 2.29. Phương pháp sử dụng góc Euler
• 2.30. Phương pháp sử dụng Quaternion
• 2.31. Cảm Biến MPU 9250
• 2.32. Gia Tốc Kế
• 2.33. Xử Lý Tín Hiệu Gia Tốc Từ Gia Tốc Kế
• 2.34. Con Quay Hồi Chuyển
• 2.35. Bộ Lọc Thông Thấp Số
• 2.36. Bộ Lọc Bù Complementary
• 2.37. Bộ Lọc Kalman
• 2.38. Giao Thức Truyền Thông Bluetooth
• 2.39. Sơ Lược Về Bluetooth
• 2.40. Đặc Điểm Của Công Nghệ Bluetooth
• 2.41. Các Thế Hệ Bluetooth
• 2.42. Giao Tiếp Chủ - Tớ
• 2.43. Khung dữ liệu Bluetooth
• 2.44. Các Chuẩn Kết Nối
• 2.45. Chuẩn Giao Tiếp UART
• 2.46. Sơ Lược Về UART
• 2.47. Các khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART
• 2.48. Khung Truyền Dữ Liệu
• 2.49. Chuẩn Giao Tiếp I2C
• 2.50. Đặc Điểm Của I2C
• 2.51. Thiết Bị Chủ (Master) Và Tớ (Slave)
• 2.52. Khung Truyền Dữ Liệu
• 2.53. Chuỗi Json Trong Truyền Nhận Dữ Liệu
• 2.54. Khái niệm chuỗi Json
• 2.55. Cấu trúc chuỗi Json
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 3.1. Thiết Kế Khung Robot
• 3.2. Yêu Cầu Thiết Kế
• 3.3. Phương Án Thiết Kế
• 3.4. Tính Toán Động Học
• 3.5. Xác Định Gốc Toạ Độ Của Từng Khớp
• 3.6. Động Học Thuận
• 3.7. Động Học Nghịch
• 3.8. Tính Toán Hệ Thống Cảm Biến IMU
• 3.9. Mô Hình Hệ Thống IMU Đặt Trên Cánh Tay
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Sơ Đồ Khối Của Hệ Thống
• 4.2. Giới Thiệu Hệ Thống
• 4.3. Robot 6 Bậc Tự Do
• 4.4. Động cơ Servo DC
• 4.5. Bộ Điều Khiển Robot
• 4.6. Nguyên lí hoạt động
• 4.7. Bộ truyền tín hiệu Bluetooth HC-05
• 4.8. Bộ vi xử lí
• 4.9. Mạch điều khiển động cơ bước TB6600
• 4.10. Hệ Thống IMU
• 4.11. Nguyên lí hoạt động
• 4.12. Cảm biến IMU
• 4.13. Bộ ghép kênh I2C
• 4.14. Giải Thuật Điều Khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Thiết Kế Robot 6 Bậc Tự Do
• 5.2. Tính Toán Động Học Và Giải Thuật Điều Khiển Cho Robot
• 5.3. Giao Diện Điều Khiển
• 5.4. Kiểm Chứng Động Học
• 5.5. Thí Nghiệm Về Quy Hoạch Quỹ Đạo
• 5.6. Thiết Kế Bộ IMU Gắn Trên Cánh Tay Người Điều Khiển RoBot
• 5.7. Ứng Dụng Giải Thuật Điều Khiển Vào Mô Hình Thực Tế
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng Phát Triển
• Tài Liệu Tham Khảo

I. Thiết kế robot 6 bậc tự do

Phần này tập trung vào thiết kế robot 6 bậc tự do, một Salient Keyword quan trọng của đề tài. Đồ án sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình 3D. Các thông số kỹ thuật của robot, bao gồm kích thước, vật liệu, và các thành phần cơ khí khác được xác định và tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả hoạt động. Thiết kế robot 6 bậc tự do bằng Solidworks và thiết kế robot 6 bậc tự do bằng Fusion 360 (Close Entity) được xem xét như những phương pháp khả thi. Việc lựa chọn vật liệu và động cơ phù hợp cũng được nhấn mạnh nhằm tối ưu khả năng vận động của cánh tay robot. Mô hình robot 6 bậc tự do (Semantic LSI keyword) là sản phẩm chính của giai đoạn này. Thiết kế cơ khí robot (Salient LSI Keyword) là một khía cạnh quan trọng cần được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Cấu tạo robot và thiết kế cấu trúc robot (Semantic Entity) cũng được xem xét. Hệ thống robot (Salient Entity) được thiết kế, chế tạo và mô phỏng dựa trên các thông số đã tính toán trước đó. Đồ án cần chú trọng tới việc phân tích chi tiết các khía cạnh này để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của thiết kế. Nghiên cứu này đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu robot (Semantic LSI keyword) tại HCMUTE (Semantic LSI keyword) và Đại học Công nghệ TP.HCM (Semantic LSI keyword), đồng thời có tiềm năng ứng dụng trong ứng dụng robot trong công nghiệp (Semantic LSI keyword).

1.1. Lựa chọn linh kiện và vật liệu

Việc lựa chọn các linh kiện và vật liệu phù hợp là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất và độ bền của robot. Đồ án cần trình bày rõ ràng các tiêu chí lựa chọn, so sánh ưu nhược điểm của các phương án khác nhau. Động cơ servo DC và động cơ bước giảm tốc Nema 17 là những lựa chọn phổ biến. Yếu tố trọng lượng, mô-men xoắn, tốc độ quay, và độ chính xác của động cơ cần được đánh giá cẩn thận. Vật liệu chế tạo khung robot cũng cần đảm bảo độ cứng vững, khả năng chịu tải, và trọng lượng nhẹ. Các yếu tố như chi phí, khả năng gia công và tính thẩm mỹ cũng cần được cân nhắc. Sự lựa chọn tối ưu sẽ đảm bảo robot hoạt động ổn định và hiệu quả. Điện tử robot (Close Entity) cũng là một phần không thể thiếu. Tất cả các thông tin này cần được trình bày một cách chi tiết và minh bạch để người đọc có thể hiểu rõ quá trình lựa chọn và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của robot. Thiết kế phần cứng (Salient LSI keyword) được trình bày rõ ràng, giúp người đọc dễ dàng nắm bắt thông tin. Cảm biến robot (Semantic LSI keyword) cũng cần được đề cập đến để đáp ứng yêu cầu về điều khiển chính xác. Việc trình bày kỹ lưỡng quá trình này góp phần làm tăng tính thuyết phục và giá trị thực tiễn của đồ án.

1.2. Mô phỏng và phân tích

Sau khi hoàn thành thiết kế, việc mô phỏng và phân tích là bước quan trọng để đánh giá hiệu suất và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi chế tạo robot thực tế. Sử dụng phần mềm mô phỏng, đồ án cần trình bày kết quả mô phỏng chuyển động của robot, kiểm tra phạm vi hoạt động, và tính toán các thông số động học như tốc độ, gia tốc, và lực tác động lên các khớp. Mô phỏng động lực học robot (Salient LSI Keyword) là một khía cạnh quan trọng cần được tập trung. Mô hình robot 6 bậc tự do (Semantic LSI Keyword) được phân tích kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả. Kết quả mô phỏng giúp xác định các điểm yếu trong thiết kế và đề xuất các giải pháp cải tiến. Việc phân tích kết quả mô phỏng cần được trình bày rõ ràng, bao gồm các biểu đồ, hình ảnh, và số liệu cụ thể. Mô phỏng chuyển động robot (Close Entity) là một phần quan trọng trong việc đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống. Các dự án robot 6 bậc tự do (Semantic Entity) khác có thể được tham khảo để so sánh và đánh giá. Mục tiêu nghiên cứu (Salient Entity) là tạo ra một mô hình robot ổn định và hiệu quả.

II. Điều khiển robot 6 bậc tự do

Phần này tập trung vào điều khiển robot 6 bậc tự do, một Salient Keyword khác. Đồ án đề cập đến việc sử dụng ngôn ngữ lập trình điều khiển robot (Semantic LSI keyword) để lập trình các thuật toán điều khiển. ROS (Robot Operating System) (Semantic LSI keyword) có thể là một lựa chọn thích hợp. Thuật toán điều khiển robot (Salient LSI keyword) được xây dựng dựa trên các nguyên lý động học thuận và động học nghịch. Động học thuận (forward kinematics) và động học nghịch (inverse kinematics) (Semantic LSI keyword) là hai khía cạnh quan trọng cần được giải quyết. Việc lập trình các thuật toán này cần được mô tả chi tiết, bao gồm các phương trình toán học và mã nguồn. Kiểm soát chuyển động robot (Semantic LSI keyword) được thực hiện bằng cách điều khiển các động cơ. Lập trình nhúng robot (Close Entity) cũng được đề cập. Hệ điều khiển robot (Salient Entity) cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ chính xác và độ ổn định của chuyển động robot. Đây là phần quan trọng để đánh giá khả năng điều khiển của hệ thống. Kỹ thuật điều khiển tự động (Semantic Entity) là cơ sở lý thuyết cho phần này. Việc vận dụng thành công các thuật toán điều khiển sẽ góp phần làm tăng giá trị thực tiễn của đồ án.

2.1. Thuật toán động học

Thuật toán động học là nền tảng của hệ thống điều khiển robot. Bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch (Semantic LSI keyword) được giải quyết bằng các phương pháp toán học phù hợp. Quy tắc Denavit-Hartenberg (Semantic LSI keyword) là một phương pháp phổ biến được sử dụng để mô hình hóa động học của robot. Việc tính toán các ma trận biến đổi đồng nhất và các góc Euler cần được trình bày rõ ràng và chính xác. Độ phức tạp của thuật toán động học cần được đánh giá và tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot. Thuật toán điều khiển robot (Salient LSI keyword) cần được thiết kế để đảm bảo robot hoạt động chính xác và ổn định. Giải thuật điều khiển robot (Semantic LSI keyword) là trọng tâm của phần này. Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot (Semantic LSI keyword) cũng là một khía cạnh quan trọng cần được giải quyết. Việc lựa chọn thuật toán thích hợp sẽ đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống. Lập trình điều khiển robot (Salient Entity) sẽ được đánh giá qua tính hiệu quả và sự ổn định của hệ thống.

2.2. Điều khiển không dây và giao diện người dùng

Hệ thống điều khiển không dây sử dụng giao thức truyền thông Bluetooth (Semantic LSI keyword) để truyền dữ liệu giữa bộ điều khiển và robot. Việc thiết kế giao diện người dùng thân thiện và trực quan là rất quan trọng để người dùng dễ dàng điều khiển robot. Mô phỏng điều khiển robot (Salient LSI keyword) là một phần không thể thiếu để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển. Ứng dụng thực tế ảo trong robot (Semantic LSI keyword) được đề cập đến trong việc thiết kế giao diện người dùng. Thực tế ảo robot (Close Entity) được sử dụng để tạo ra một môi trường mô phỏng giúp người dùng dễ dàng tương tác với robot. Phần mềm mô phỏng robot (Salient Entity) sẽ được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Việc tích hợp các cảm biến vào hệ thống sẽ giúp cải thiện độ chính xác của điều khiển. Giảng dạy thiết kế robot (Semantic LSI keyword) có thể được hỗ trợ bởi hệ thống này. Thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả sẽ làm tăng giá trị thực tiễn của đồ án. Ứng dụng thực tế ảo trong giáo dục (Semantic LSI keyword) là một hướng phát triển tiềm năng.

III. Thực tế ảo và ứng dụng

Phần này đề cập đến việc ứng dụng thực tế ảo (Salient Keyword) trong điều khiển robot. Thực tế ảo VR/AR trong giáo dục (Semantic LSI keyword) là một ứng dụng tiềm năng. Đồ án có thể sử dụng kính VR hoặc các thiết bị tương tác khác để tạo ra một môi trường mô phỏng cho phép người dùng điều khiển robot từ xa và tương tác với môi trường ảo. VR robot simulation (Semantic LSI keyword) giúp người dùng trải nghiệm thực tế hơn trong việc điều khiển robot. Phần mềm mô phỏng robot (Salient Entity) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường thực tế ảo. Mô phỏng động lực học robot (Salient LSI keyword) có thể được thực hiện trong môi trường thực tế ảo. Ứng dụng thực tế ảo trong robot (Semantic LSI keyword) cần được đánh giá kỹ lưỡng. Thực tế ảo trong công nghiệp (Close Entity) cũng là một hướng phát triển tiềm năng. Bài toán động học (Semantic Entity) được giải quyết trong môi trường thực tế ảo. Việc ứng dụng thực tế ảo sẽ làm tăng sự hấp dẫn và tính thực tiễn của đồ án. Báo cáo đồ án tốt nghiệp (Salient Entity) cần trình bày rõ ràng các ứng dụng của thực tế ảo trong hệ thống.