Đồ án thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh tại HCMUTE

• Tác giả: Võ Tấn Tài
• 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 Chế Tạo Robot 6 Bậc Tự Do Tích Hợp Bộ Điều Khiển Thông Minh
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
• Trang phiếu nhận xét của giáo viên hướng dẫn
• Trang phiếu nhận xét của giáo viên phản biện
• Lời cảm ơn
• Tóm tắt
• Mục lục
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng biểu
• Danh mục các hình ảnh, biểu đồ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Tổng quan về robot và Robot 6 bậc tự do
• 1.2.1. Sơ lược về lịch sử Robot
• 1.2.2. Tổng quan về Robot 6 bậc tự do
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4.3. Giới hạn đề tài
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kết cấu luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lí hoạt động
• 2.1.1. Phần mô hình
• 2.1.2. Cơ sở ý tưởng mô hình
• 2.1.3. Thuật toán điều khiển
• 2.2. Sơ lược lí thuyết điều khiển tự động
• 2.2.1. Các khái niệm cơ bản
• 2.2.2. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển tự động
• 2.2.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động
• 2.2.4. Các nguyên tắc điều khiển cơ bản
• 2.3. Lý thuyết các bộ điều khiển sử dụng
• 2.3.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID
• 2.3.2. Giới thiệu về bộ điều khiển PD FOLDING
• 2.4. Phần mềm MATLAB
• 2.4.1. Giới thiệu về MATLAB
• 2.4.2. Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB
• 2.4.3. Hệ thống Matlab
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT MÔ HÌNH TOÁN, MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG
• 3.1. Bảng Denavit-Hartenberg (DH)
• 3.2. Động học vị trí của robot 6 bậc tự do
• 3.2.1. Động học thuận
• 3.2.2. Động học nghịch
• 3.3. Mô phỏng kiểm chứng trên MATLAB
• 3.4. Phương trình động lực học
• 3.4.1. Phương trình động lực học dưới dạng ma trận
• 3.4.2. Mô phỏng động lực học của robot 6 bậc tự do trên MATLAB
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 4.1. Lựa chọn mô hình Robot 6 bậc tự do
• 4.2. Thiết kế mô hình dùng Solidworks
• 4.2.1. Sơ lược về Solidworks
• 4.2.2. Xuất bản vẽ 2D cắt CNC kim loại
• 4.2.3. Xuất file in 3D cho các chi tiết
• 4.3. Chế tạo mô hình Robot 6 bậc tự do
• 4.4. Khớp 4, khớp 5 và khớp 6
• 4.5. Động cơ AC Mitsubishi J2S 10A và driver
• 4.6. Thiết kế phần mềm
• 4.6.1. Giới thiệu arduino
• 4.6.2. Giới thiệu phần mềm C#
• 4.6.3. Các thiết bị hỗ trợ xử lý: Opto quang, biến trở…
• 4.6.4. Phần khung và một số chi tiết khác
• 5. CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO
• 5.1. Thu thập dữ liệu
• 5.1.1. Đọc xung Encoder
• 5.1.2. Thiết bị sử dụng
• 5.1.3. Kết nối phần cứng
• 5.2. Điều khiển mô hình robot 6 bậc tự do
• 5.2.1. Thiết bị sử dụng
• 5.2.2. Kết nối phần cứng
• 5.3. Thiết kế bộ điều khiển PD FOLDING robot 6 bậc tự do
• 5.3.1. Thiết kế và mô phỏng trên Matlab
• 5.3.2. Thiết lập thông số mô phỏng Matlab
• 5.3.3. Mô phỏng phương pháp PD Folding đối với ngõ vào là hằng số
• 5.3.4. Mô phỏng phương pháp PD Folding đối với ngõ vào là sóng sin
• 5.3.5. Chương trình ARDUINO
• 5.3.6. Chương trình điều khiển và thu thập dữ liệu trên máy tính
• 5.3.7. Tiến hành chạy mô hình thực nghiệm
• 5.4. Thiết kế bộ điều khiển PID robot 6 bậc tự do
• 5.4.1. Thiết kế và mô phỏng trên Matlab
• 5.4.2. Mô phỏng phương pháp PID đối với ngõ vào là hằng số
• 5.4.3. Mô phỏng phương pháp PID đối với ngõ vào là sóng sin
• 5.4.4. Chương trình ARDUINO
• 5.4.5. Tiến hành chạy mô hình thực
• 5.5. So sánh bộ điều khiển PD FODING và bộ điều khiển PID
• 5.5.1. So sánh trên mô phỏng
• 5.5.1.1. So sánh 2 phương pháp với điểm đặt mong muốn là hằng số
• 5.5.1.2. So sánh 2 phương pháp với điểm đặt mong muốn là hàm sin
• 5.5.2. So sánh trên mô hình thực nghiệm
• 5.5.3. Kết luận
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Thiết kế robot 6 bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp tập trung vào thiết kế robot 6 bậc tự do (robot 6DOF, robot 6 axis), một hệ thống cơ khí phức tạp đòi hỏi tính toán chính xác về động học và động lực học. Phần này đề cập đến quá trình lựa chọn cấu hình robot, thiết kế mô hình 3D sử dụng phần mềm Solidworks, và quá trình chế tạo thực tế. Thiết kế robot tại HCMUTE dựa trên việc tối ưu hóa cấu trúc, vật liệu, và các khớp nối để đảm bảo độ bền, độ chính xác và khả năng hoạt động ổn định. Kiến trúc điều khiển robot được xem xét kỹ lưỡng, bao gồm lựa chọn các cảm biến, bộ truyền động và hệ thống điều khiển. Các bản vẽ 2D được xuất ra từ Solidworks để gia công các chi tiết bằng máy CNC. Việc in 3D được sử dụng để tạo ra một số chi tiết phức tạp. Quá trình chế tạo bao gồm lắp ráp các bộ phận cơ khí, tích hợp hệ thống điều khiển và hiệu chỉnh hệ thống. Quá trình này cần sự chính xác cao để đảm bảo robot hoạt động đúng như thiết kế. Robot công nghiệp 6 bậc tự do là một ứng dụng quan trọng của nghiên cứu này, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong sản xuất và tự động hóa.

1.1 Mô hình toán và mô phỏng

Phần này tập trung vào việc xây dựng mô hình toán cho robot 6 bậc tự do. Sử dụng bảng Denavit-Hartenberg (DH), các phép biến đổi đồng nhất được sử dụng để mô tả chuyển động của robot. Động học thuận và động học nghịch được tính toán để xác định vị trí và định hướng của bộ phận cuối (PEE) dựa trên các góc khớp và ngược lại. Phần mềm mô phỏng robot Matlab/Simulink được sử dụng để kiểm chứng mô hình toán. Các mô phỏng được thực hiện để kiểm tra độ chính xác của mô hình, cũng như để tối ưu hóa các thông số thiết kế. Mô phỏng động học robot 6 bậc tự do cho phép đánh giá hiệu quả các thuật toán điều khiển trước khi áp dụng trên robot thực tế. Phương trình động lực học robot được xây dựng, cho phép mô phỏng chuyển động của robot dưới tác động của các lực và mô men. Mô phỏng robot 6 bậc tự do giúp dự đoán hiệu suất của robot và giảm thiểu rủi ro trong quá trình chế tạo thực tế. Phần mềm mô phỏng robot đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống.

1.2 Chế tạo và tích hợp

Phần này tập trung vào quá trình chế tạo thực tế của robot 6 bậc tự do. Các chi tiết cơ khí được gia công bằng máy CNC và in 3D. Khớp nối robot được thiết kế và chế tạo cẩn thận để đảm bảo độ chính xác và độ bền. Việc lựa chọn động cơ và bộ truyền động phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của robot. Động cơ AC Mitsubishi J2S 10A được sử dụng trong đồ án. Cảm biến robot như encoder được tích hợp để đo các góc khớp. Hệ thống điều khiển robot được thiết kế và tích hợp vào hệ thống cơ khí. Vi điều khiển Arduino và Raspberry Pi điều khiển robot được xem xét như một phương án điều khiển. Quá trình lập trình và hiệu chỉnh hệ thống là cần thiết để đảm bảo robot hoạt động ổn định và chính xác. An toàn robot được đảm bảo bằng việc thiết kế các biện pháp an toàn cần thiết. Chi phí thiết kế robot được xem xét để đảm bảo tính kinh tế của dự án. Ứng dụng thực tế robot 6 bậc tự do được đề cập đến, nhấn mạnh vào tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp.

II. Bộ điều khiển thông minh

Phần này tập trung vào bộ điều khiển robot, cụ thể là điều khiển robot thông minh. Đồ án so sánh hai thuật toán điều khiển: PID và PD Folding. Thuật toán điều khiển robot được lựa chọn dựa trên yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đáp ứng. Điều khiển chuyển động robot được thực hiện thông qua việc lập trình vi điều khiển và giao tiếp với phần cứng. Thiết kế bộ điều khiển PD Folding robot 6 bậc tự do và thiết kế bộ điều khiển PID robot 6 bậc tự do được mô phỏng và kiểm chứng trên Matlab/Simulink. Kiến trúc điều khiển robot bao gồm phần cứng và phần mềm. Thu thập dữ liệu từ các cảm biến được thực hiện để điều khiển chính xác vị trí của robot. Hệ thống điều khiển robot được tối ưu hóa để giảm thiểu sai số, thời gian thiết lập và độ vọt. Tối ưu hóa điều khiển robot được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển. Phần mềm điều khiển robot được viết bằng C#. Hệ thống điều khiển robot được đánh giá thông qua các thử nghiệm thực tế trên robot. AI trong điều khiển robot được đề cập đến, mở ra hướng phát triển trong tương lai. Mạng nơ-ron điều khiển robot có thể được xem xét như một hướng nghiên cứu tiếp theo.

2.1 Mô phỏng và so sánh thuật toán

Mô phỏng điều khiển robot 6 bậc tự do trên Matlab/Simulink được thực hiện để so sánh hiệu quả của hai thuật toán PID và PD Folding. Các mô phỏng được tiến hành với các điều kiện khác nhau, bao gồm ngõ vào là hằng số và ngõ vào là sóng sin. Điều khiển chính xác vị trí robot 6 bậc tự do là mục tiêu chính của phần này. So sánh bộ điều khiển PD Folding và bộ điều khiển PID được thực hiện dựa trên các chỉ tiêu như sai số, thời gian thiết lập và độ vọt. Kỹ thuật điều khiển tự động được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của các bộ điều khiển. Thuật toán điều khiển PID là một thuật toán điều khiển cổ điển, đơn giản và dễ thực hiện. Thuật toán điều khiển PD Folding là một thuật toán điều khiển hiện đại, có khả năng đáp ứng nhanh và chính xác hơn. So sánh trên mô phỏng và so sánh trên mô hình thực nghiệm cho thấy sự khác biệt về hiệu suất của hai thuật toán. Phần mềm Matlab đóng vai trò quan trọng trong quá trình mô phỏng và phân tích kết quả.

2.2 Thực nghiệm và đánh giá

Phần này tập trung vào việc điều khiển mô hình robot 6 bậc tự do thực tế. Điều khiển robot được thực hiện bằng việc kết nối phần cứng và phần mềm. Kết quả thực nghiệm được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu quả của hai thuật toán điều khiển. So sánh trên mô hình thực nghiệm cho thấy sự khác biệt giữa kết quả mô phỏng và thực tế. Thuật toán điều khiển tự động được tinh chỉnh dựa trên kết quả thực nghiệm. An toàn robot được đảm bảo trong quá trình thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm được sử dụng để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển. Hệ thống điều khiển robot cần được hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác và ổn định. Phương pháp điều khiển được lựa chọn phù hợp với yêu cầu về độ chính xác và tốc độ đáp ứng của robot. Kết luận về hiệu quả của hai thuật toán được đưa ra dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

III. Kết luận và hướng phát triển

Đồ án đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự do tích hợp bộ điều khiển thông minh. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về thiết kế cơ khí robot, điều khiển robot, và ứng dụng robot. Nghiên cứu robot tại HCMUTE đã đạt được một số kết quả đáng kể. Đào tạo robot tại HCMUTE cũng được nâng cao thông qua đồ án này. Ứng dụng thực tế robot 6 bậc tự do được mở rộng. Robot lập trình 6 bậc tự do là một trong những ứng dụng tiềm năng. Robot hàn 6 bậc tự do, robot sơn 6 bậc tự do, và các ứng dụng khác trong công nghiệp có thể được phát triển dựa trên kết quả nghiên cứu. Tuy nhiên, đồ án còn một số hạn chế. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển để nâng cao khả năng tự động hóa và tính thông minh của robot. Robot hơn 6 bậc tự do cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.