CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, robot ngày càng trở thành một phần thiết yếu của cuộc sống. Robot không chỉ thay thế con người trong việc đáp ứng các nhu cầu của thao tác liên tục và lặp lại, mà còn thực hiện các tác vụ thông minh như một con người thực sự. Bởi sở hữu tốc độ nhanh và trí thông minh nhân tạo, robot có thể dễ dàng hoàn thành các nhiệm vụ trong thăm dò, làm việc tại những nơi nguy hiểm, cứu người trong tai nạn, hoặc lĩnh vực chuẩn đoán của thuốc.
Để hoàn thành các nhiệm vụ như vậy, ít nhất các robot cần một bộ điều khiển tốt để giải quyết các yêu cầu được giao ở cả khía cạnh độ chính xác và đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, các điều kiện hoạt động thực tế phức tạp và khác nhau là những trở ngại chính trong việc thiết kế các bộ điều khiển có độ chính xác cao cho các hệ thống robot (J. Để giải quyết các vấn đề như trên, một loạt các phương pháp tiếp cận hiệu quả đã được nghiên cứu như phương pháp điều khiển tuyến tính (P. Zheng, 2010), thích nghi bền vững phi tuyến (W.
Bae, 2018 ) và bộ điều khiển thông minh (D. Tsagarakis, 2017) hoặc sự kết hợp của chúng (J. Trên thực tế, phương pháp kiểm soát phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng công nghiệp là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID) (P. Yu, 2019 ) nhờ vào việc thực hiện đơn giản, dễ sử dụng và bền vững.
Tuy nhiên, điều khiển như PID không được dùng trong các điều khiển phức tạp, đòi hỏi sự tối ưu và độ chính xác. Bên cạnh đó, một thuật toán tự điều chỉnh mờ đã được đề xuất để chọn các độ lợi PID một cách thích hợp theo trạng thái thực của thao tác robot. Theo các hướng khác, thuật toán mờ được sử dụng để xấp xỉ hệ thống động lực (Z. Các quy tắc học của dạng điều khiển thông minh này chủ yếu dựa trên kiến thức của con người (C.
Để giảm bớt sự phụ thuộc vào kinh nghiệm của người điều hành, các cải tiến sử dụng mạng nơ-ron thu hút sự chú ý nhiều hơn. Với cùng một mục đích sử dụng với các phương pháp tiếp cận logic mờ, mạng có thể được thiết kế như là mô hình xấp xỉ. Động lực hệ thống phi tuyến đã được ước tính dễ dàng bởi các thiết kế mạng thích hợp, nhưng việc tính toán khá lớn trong quá trình học là một trong những điểm cần được lưu ý (L. Thật vậy, hệ số điều khiển tốt của bộ điều khiển robot PID có thể được tự động điều chỉnh bằng cách sử dụng các phương pháp học khác nhau.
Các quy tắc thích ứng được tạo ra bằng cách sử dụng lý thuyết truyền ngược (H. Ro, 2013) hoặc các phương pháp định lượng vec-tơ (K. Hầu hết các phương pháp tự điều chỉnh làm việc dưới một giả định Zero-Order tuyến tính có thể dẫn đến sự bất ổn định của hệ thống vòng khép kín hoặc gây ra các hiệu ứng điều khiển không mong muốn. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, một mạng lưới thần kinh dựa trên bộ điều khiển được thiết kế để kiểm soát theo dõi độ chính xác cao của thao tác robot.
Tín hiệu đầu vào của mạng được tổng hợp bằng hàm uốn dạng PD của sai số điều khiển. Đó là tín hiệu gấp có thể đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng khép kín. Các luật học của mạng được thiết kế với các phần tử kích thích và rò rỉ để cung cấp hiệu suất được xác định trước, bất kể những thay đổi của động lực nội bộ và các rối loạn bên ngoài. Hiệu quả của bộ điều khiển đề xuất đã được xác minh cẩn thận bằng các kết quả mô phỏng mở rộng.
Đồ án sử dụng robot 6 bậc tự do bởi lẽ robot 6 bậc tự do là một hệ thống phi tuyến và rất khó điều khiển, nhưng có thể được dùng để làm đối tượng thử nghiệm các thuật toán điều khiển phức tạp. Và ở đề tài này, nhóm chú trọng vào việc thực hiện kiểm chứng điều khiển robot 6 bậc tự do thông qua PID truyền thống và phương pháp PD xoắn ứng dụng (PD Folding). Nhận thấy được sự quan trọng đó, nhóm em đã chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh”. Tình hình các mô hình thí nghiệm trong nước Hiện tại trong các phòng thí nghiệp của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM có trang bị nhiều mẫu robot 6 bậc tự do như: Robot Fanuc LR 200iC, Robot Universal,.Nhưng hiện tại ở Việt Nam, rất ít công ty nghiên cứu và sản xuất về robot 6 bậc tự do.
Còn trên thực tế ở trường, hiện tại vẫn chưa có sinh viên thực hiện luận văn tốt nghiệp về robot 6 bậc tự do. Cho nên có thể nói lĩnh vực này khá mới lạ ở Việt Nam. 2 do an Hình 1.1 Một số mô hình Robot ở trường Tình hình ngoài nước Nhìn tổng thể các mô hình thí nghiệm robot 6 bậc tự do đã được nhiều hãng uy tín trên thế giới sử dụng như công ty Fanuc, ABB, Mitsubishi,…Tuy nhiên các hãng chủ yếu sử dụng các giải thuật điều khiển như PID truyền thống, giải thuật mờ, điều khiển trượt…Còn đề tài mà nhóm đang thực hiện là một phương pháp điều khiển hoàn toàn mới tạm gọi tên là PD Folding (Phương pháp điều khiển theo cơ chế PD xoắn ứng dụng) có sự kết hợp PD và giải thuật học Nơ-ron nên có sự khác biệt. Và việc nghiên cứu các bộ điều khiển mới vẫn đang được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu, mô phỏng và kiểm chứng, góp phần vào việc tìm kiếm ra phương pháp điều khiển ổn định và chính xác hệ thống.2 Một số mô hình robot 6 bậc tự do ở ngoài nước Những điểm nổi bậc đối với mô hình robot 6 bậc tự do của nhóm: Mô hình: Nhóm tự thiết kế ra mô hình robot 6 bậc tự do bằng phần mềm Solidworks Mô hình đã tham khảo theo hình dáng của robot 6 bậc tự do Fanuc LR 200iC, tuy nhiên nhóm đã thiết kế lại, xây dựng hệ thống đai truyền tỷ lệ cao, tăng độ chính xác.
Thiết kế có tính thẩm mỹ cao, phù hợp giữa các khớp và quỹ đạo chuyển động của robot 6 bậc tự do 3 do an Nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng tốt động cơ mới AC Mitsubishi J2S 10A. Thuật toán điều khiển: Nhóm áp dụng nhiều bộ điều khiển cho mô hình như bộ điều khiển PID, PD Folding Nhóm đưa ra được các so sánh giữa các giải thuật điều khiển, từ đó rút ra được nhận xét và kết luận. Tổng quan về robot và Robot 6 bậc tự do 1. Sơ lược về lịch sử Robot Với một lịch sử phát triển lâu dài, cho đến nay robot đã trở thành tâm điểm của cuộc cách mạng công nghệ lớn của loài người sau internet.
Vào thế kỉ trước, lĩnh vực robot đã có những bước tiến dài.1 Những thành tựu phát triển của robot trong thế kỉ 20 Năm Cột mốc Robot Humanoid (giống người) được triển lãm vào năm 1939 và 1940 1930s tại Hội chợ thế giới 1948 Các robot đơn giản thể hiện các hành vi bắt chước sinh vật Robot thương mại đầu tiên, do công ty Unimation được thành lập 1956 bởi George Devol và Joseph Engelberger, dựa trên các phát minh của Devol 1961 Robot lắp đặt công nghiêp đầu tiên 1973 Robot công nghiệp đầu tiên với 6 bậc tự do Robot công nghiệp được điều khiển bởi vi máy tính đầu tiên, IRB 6 do công ty ASEA sản xuất, được giao cho một công ty cơ khí nhỏ ở miền 1974 nam Thụy Điển. Thiết kế của robot này đã được cấp bằng sáng chế đã được năm 1972 1975 Cánh tay thao tác vạn năng lập trình được, sản phẩm của Unimation Trong những năm 60 của thế kỉ trước, những ứng dụng đầu tiên trong việc sử dụng robot đã ra đời. Con người sử dụng robot để thay thế hoặc thực hiện những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều 4 do an và ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt trong an ninh quốc phòng thì việc phát triển robot và các ngành dịch vụ kéo theo sẽ đem đến một lợi ích vô cùng to lớn.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua như: tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots) và robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots).2 Các chủng loại robot đang được phát triển và nhân rộng trên toàn thế giới Nhóm robot Tên robot Hình ảnh Robot công nghiệp (Industrial Robot) Robot y tế Tay máy Robot (Medical Robot) Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation robot) Robot tự hành trên mặt đất Robot di động AGV 5 do an Robot tự hành dưới nước AUV Robot tự hành trên không UAV Robot vũ trụ (Space Robots) Robot đi (Walking robots) Robot phỏng sinh học Robot dáng người (Humanoid Robots) Song song với việc chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot như động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lí thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot cũng được chú trọng nghiên 6 do an cứu. Trong đó, các mô hình điều khiển cân bằng phục vụ cho việc nghiên cứu robot được ra đời ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Tổng quan về Robot 6 bậc tự do Robot 6 bậc tự do là một hệ thống robot phức tạp, gồm nhiều khớp liên kết với nhau như hình 1.3 cũng như vị trí lắp đặt của các động cơ AC Servo từ đế đến khâu chấp hành. Các thông số như chiều dài từng khớp, khối lượng, vị trí trọng tâm và mô men quán tính của các thanh (link) được giải thích cụ thể trong phần 3.3 Cấu hình phần cứng- cơ khí thiết kế trên Solidworks Bảng 1.3 Bảng thông số cơ bản của robot Mục Đặc điểm kỹ thuật Trục điều khiển 6 trục (J1, J2, J3, J4, J5, J6) Tầm với 560mm Trục J1 3600 (tùy chọn) Trục J2 2190 Trục J3 2000 Phạm vi chuyển động Trục J4 3400 Trục J5 2190 Trục J6 7200 Trọng lượng của robot (bao gồm khối lượng của bộ 9 Kg phận điều khiển) 7 do an Robot chuyển động sẽ có những giới hạn góc được mô tả như sau: Hình 1.4 Giới hạn chuyển động trục J1 3600 (tùy chọn) Hình 1.5 Giới hạn chuyển động trục J2 8 do an Hình 1.6 Giới hạn chuyển động trục J3 Hình 1.