CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu chung Robotics đang ngày càng trở thành một trong những lĩnh vực công nghệ tiên tiến và có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong ngành công nghiệp của Việt Nam. Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ và sự phát triển của nền kinh tế, việc ứng dụng robot trở nên quan trọng trong ngành tự động hóa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng, hạn chế và cải thiện sức lao động của con người. Robot giúp con người hoạt động ở những môi trường nguy hiểm với tính mạng như khu vực hầm mỏ, khu vực nhiễm phóng xạ,.
hoặc duy trì hoạt động trong những dây chuyền 24/7. Robot và đặc biệt là cánh tay robot đã có ứng dụng rộng khắp ở các nhà máy trên khắp thế giới. Một trong những ứng dụng quan trọng của robot trong công nghiệp ở Việt Nam là trong lĩnh vực sản xuất ô tô và linh kiện ô tô. Các nhà máy sản xuất ô tô hiện đại đã tích hợp các hệ thống robot tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất, giúp tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm thiểu lỗi sản xuất.
Tại Việt Nam, các nhà máy của các hãng ô tô lớn như Toyota, Ford, và VinFast đã tích hợp robot vào quy trình sản xuất để tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Công nghệ robot cũng được áp dụng trong các nhà máy sản xuất điện tử, điện lạnh và hàng tiêu dùng khác, từ việc lắp ráp, kiểm tra chất lượng đến đóng gói sản phẩm. Ngành công nghiệp điện tử là một trong những ngành tiên tiến nhất trong việc sử dụng robot. Các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử tại Việt Nam đã triển khai robot trong các quy trình lắp ráp, kiểm tra chất lượng và đóng gói sản phẩm.
Theo Tổng cục Thống kê Việt Nam [1], xuất khẩu sản phẩm điện tử của Việt Nam năm 2020 đạt gần 142 tỷ USD, tăng 1,4% so với năm trước, chứng tỏ sự hiệu quả của việc sử dụng robot trong ngành này. Trong lĩnh vực sản xuất và chế tạo, robot cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các công việc nguy hiểm hoặc tốn kém về lao động như hàn, cắt, mài kim loại. Sử dụng robot trong các quy trình này không chỉ giảm thiểu rủi ro cho người lao động mà còn tăng cường hiệu suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. 7 Đồ án tốt nghiệp lần này nhằm nghiên cứu về tay máy robot, tác giả tập trung vào việc tính toán lý thuyết và xây dựng thuật toán điều khiển đối với cánh tay robot 6 bậc tự do, kèm theo đó là việc truy xuất, phân tích và sử dụng dữ liệu đầu ra của mô đun đo lường quán tính (IMU) để tạo nên bộ điều khiển cho mô hình tay máy.
Cơ sở lý thuyết của robot được xây dựng dựa trên phương trình động học thuận, phương trình động học ngược, các phép tính và mô phỏng được triển khai trên trên phần mềm MATLAB. Từ đó xây dựng thuật toán điều khiển vận tốc động cơ theo phương trình bậc 3 và thiết kế bộ điều khiển dựa trên dữ liệu phân tích được từ IMU. Đề tài có sử dụng một mẫu robot dựa theo cấu hình tay máy công nghiệp IRB. Mô hình này không được dùng trong công nghiệp nhưng trong khuôn khổ đề tài này có thể được sử dụng để mô tả một khâu hay một giai đoạn của quá trình hoạt động thực tế.
Tổng quan tình hình nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các bộ điều khiển từ xa cho robot là những chủ đề không quá mới. Tuy nhiên, thiết bị có thể chuyển động trực tiếp dựa trên vị trí của người điều khiển và điều khiển thông qua mạng Internet thì lại thu hút được rất nhiều sự quan tâm hiện nay. Đề tài “Design and Implementation of a Haptic Measurement Glove to Create Realistic Human-Telerobot Interactions” của tác giả Evan Capelle [2] đã đề xuất một hệ thống điều khiển robot từ xa dựa trên găng tay xúc giác cho các nhiệm vụ thao tác tinh tế.1 cho thấy một hệ thống sử dụng găng tay xúc giác để theo dõi vị trí và lực của tay người, và sau đó sử dụng thông tin này để điều khiển robot. Hệ thống đã được thử nghiệm trong một số nhiệm vụ thao tác tinh tế, và kết quả cho thấy nó có thể cung cấp khả năng kiểm soát chính xác và khéo léo.
Một đề tài khác với tên gọi “Towards robust ego-centric hand gesture analysis for robot control” đã được tiến hành bởi Hongyong Song, năm 2016 [4]. Nghiên cứu các tác giả đã đề xuất một hệ thống điều khiển robot từ xa mạnh mẽ dựa trên ước tính tư thế tay. Hệ thống sử dụng một mạng nơ-ron tích chập để ước tính tư thế tay của người vận hành thông qua các bức ảnh được chụp từ một camera, và sau đó sử dụng thông tin này để điều khiển robot, chi tiết cấu trúc hệ thống được thể hiện trong hình 8 1. Hệ thống đã được thử nghiệm trong một số môi trường phức tạp, và kết quả cho thấy nó có thể cung cấp khả năng điều khiển chính xác và ổn định.
Tuy nhiên, hệ thống này có hạn chế khi chưa di chuyển được robot theo các chuyển động phức tạp mà chỉ có thể tuân theo các cử động được quy định sẵn dựa theo từng cử chỉ. Do đó gây nên khó khăn cho người mới sử dụng khi họ có thể nhầm lẫn giữa các cử chỉ với nhau và gây nên sai lầm khi điều khiển.1 Robot được điều khiển bằng găng tay xúc giác [3] Hình 1.2 Robot được điều dựa trên cử chỉ tay [4] 9 Ở Việt Nam, kỹ thuật robot mới bắt đầu được du nhập nhiều vào ngành công nghiệp nước nhà từ năm 1990 khi các cơ sở công nghiệp bắt đầu đổi mới quy trình và nhập khẩu nhiều loại robot phục vụ các mục đích công nghiệp. Năm 2002, công ty TOSY của giám đốc người Việt Nam thành lập và bắt đầu sản xuất robot giải trí, công nghiệp đã đem đến nhiều giải thưởng trong và ngoài nước. Bên cạnh đó còn có các đơn vị sản xuất robot nước ngoài có trụ sở tại Việt Nam như ABB.
Ngày 12/10/2003, sự ra đời của Hội khoa học và công nghệ Robot Việt Nam (Vietnamese Association of Robotics – VAR) đã thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng Robot tại Việt Nam phát triển hơn nữa. Ngày nay hầu hết các trường kỹ thuật tại Việt Nam đã trang bị môn kỹ thuật Robot vào các chương trình giảng dạy chính giúp sinh viên tiếp cận tốt hơn và phát triển các khía cạnh như kỹ thuật điều khiển, mô phỏng được phát triển tốt hơn. Lý do lựa chọn đề tài Việc lựa chọn đề tài "Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cánh tay máy từ xa sử dụng mô đun đo lường quán tính" được thúc đẩy bởi nhiều lý do quan trọng và có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những lý do chính là sự cần thiết của việc áp dụng công nghệ điều khiển từ xa trong các ứng dụng thực tế.
Việc sử dụng cánh tay máy từ xa không chỉ giúp loại bỏ nguy cơ cho con người trong các môi trường nguy hiểm mà còn tăng cường sự linh hoạt và hiệu suất trong các quy trình làm việc. Đặc biệt, trong các lĩnh vực như y tế, khai thác mỏ, và xử lý chất độc hại, việc điều khiển từ xa càng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết. Thứ hai, việc sử dụng mô đun đo lường quán tính trong bộ điều khiển cánh tay máy giúp người điều khiển dễ thao tác hơn. Nhờ vào khả năng đo lường tương đối các thông số như gia tốc, vận tốc và hướng di chuyển, người điều khiển có thể thực hiện các thao tác một cách chính xác và nhất quán.
Bên cạnh đó, việc sử dụng mô đun đo lường quán tính cũng giúp tối ưu hóa việc tiêu tốn năng lượng và tăng cường hiệu suất của hệ thống điều khiển. Ngoài ra vì ngành robot vẫn chưa phát triển ở Việt Nam nên tác giả đã đề xuất đề tài này để xây dựng nên một bộ điều khiển để sinh viên có thể thực nghiệm và nghiên cứu tốt hơn, hỗ trợ tối đa cho giảng viên trong việc giảng dạy. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu Mục tiêu: - Mua và lắp ráp một mô hình cánh tay robot có sẵn. - Thiết lập được bài toán động học thuận và nghịch cho cánh tay robot.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mô đun đo lường quán tính, truy xuất, phân tích và sử dụng dữ liệu đầu ra để có được các thông số về vị trí và góc nghiêng. - Thiết kế và chế tạo được mô hình nhận dạng chuyển động của bàn tay người sử dụng mô đun đo lường quán tính (cụm A). - Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển chuyển động của mô hình tay máy (cụm B) sử dụng dữ liệu truyền về từ cụm A. - Xây dựng được giải thuật điều khiển tay máy từ xa hiệu quả.
Nội dung nghiên cứu: - Tìm hiểu về các loại tay máy được dùng nhiều trong công nghiệp và chọn lựa, lắp ráp mô hình có sẵn của tay máy dựa theo các open source. - Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống gồm: driver điều khiển PCA9685, máy tính nhúng Raspberry pi 3B+, vi điều khiển ESP32, cảm biến IMU BNO055,… - Tính toán các phương trình động học thuận, nghịch và xác định không gian làm việc cho mô hình tay máy đã chọn. - Thiết lập giải thuật điều khiển vận tốc động cơ theo dạng phương trình bậc 3. - Thiết lập giải thuật nhận dạng chuyển động của bàn tay người sử dụng mô đun đo lường quán tính.
- Kiểm tra lại các thuật toán và phương trình bằng mô phỏng trên MATLAB. - Thiết lập giải thuật điều khiển từ xa qua giao thức MQTT. - Kiểm tra thuật toán trên mô hình robot đã lắp ráp. 11 - Đánh giá sản phẩm hoàn thành với một số tiêu chí đề ra.
Phương pháp nghiên cứu: - Thu thập, tham khảo và phân tích các tài liệu về các lĩnh vực, đề tài nghiên cứu liên quan, và các linh kiện thiết bị được sử dụng. - Tìm hiểu về kỹ thuật lập trình, xây dựng giải thuật và áp dụng các phần mềm lập trình thông dụng. - Kiểm tra thực nghiệm thiết robot trong môi trường thực tế. - Tổng hợp, phân tích, đánh giá kết quả đạt được.
Đóng góp mới Trong đồ án này, tác giả đề xuất một số đóng góp mới như sau: - Thiết lập được thuật toán ứng dụng các các bộ lọc nhẹ gồm lọc Alpha Beta và lọc thông cao, có thể chạy trên hệ thống vi điều khiển để lấy được dữ liệu về vị trí của IMU trong không gian ba chiều.