Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Quan Về Robot Đa Hướng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng quan về omni direction robot, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Phạm Lê Long Triều
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Tổng Quan Về Omnidirection Robot
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng Quan Về RoBot
• 1.2. Sơ Lƣợc Qúa Trình Phát Triển
• 1.3. Những Ứng Dụng Điển Hình Của Robot
• 1.4. Tóm Tắt Các Công Trình Nghiên Cứu Liên Quan
• 1.5. Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận
• 1.6. Mục tiêu của luận văn
• 1.7. Nhiệm vụ của luận văn
• 1.8. Giới hạn của luận văn
• 1.9. Bố cục của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu phƣơng pháp Lyapunov
• 2.2. Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov
• 2.3. Lý thuyết điều khiển trƣợt
• 2.3.1. Giới thiệu chung
• 2.3.2. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƢỚNG
• 3.1. Cấu trúc hình học và các giả thiết
• 3.1.1. Cấu trúc hình học của robot di động đa hƣớng
• 3.1.2. Các giả thiết cho mô hình nghiên cứu
• 3.2. Mô hình toán học của robot di động đa hƣớng
• 3.3. Mô hình động học. Mô hình động lực học
• 4. CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA OMR SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT
• 4.1. Bộ điều khiển trƣợt tích phân (ISMC) thiết kế cho OMR
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
• 5.1. Kết quả mô phỏng
• 5.1.1. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển có bộ thông số thứ nhất
• 5.1.2. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển có bộ thông số thứ hai
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 6.1. Các thiết bị để thực hiện mô hình
• 6.2. Ý tƣờng thiết kế
• 6.3. Mô phỏng Robot Omni trên bảng điều khiển
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Hƣớng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Đa Hướng Khám Phá Công Nghệ Tiên Tiến

Robot đa hướng, hay còn gọi là robot di động đa hướng, là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Chúng có khả năng di chuyển linh hoạt trong mọi hướng mà không cần phải quay đầu. Điều này giúp tăng cường hiệu suất làm việc trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, y tế và giáo dục. Sự phát triển của robot đa hướng không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong các công việc lặp đi lặp lại.

1.1. Ứng Dụng Robot Đa Hướng Trong Công Nghiệp

Robot đa hướng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất, nơi mà chúng thực hiện các nhiệm vụ như lắp ráp, hàn và vận chuyển vật liệu. Chúng giúp giảm thiểu rủi ro cho công nhân và tăng năng suất lao động.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Robot Đa Hướng

Robot đa hướng đã trải qua một quá trình phát triển dài từ những năm 1920. Ban đầu, chúng chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, nhưng với sự tiến bộ của công nghệ, chúng đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực.

II. Thách Thức Trong Việc Phát Triển Robot Đa Hướng Những Vấn Đề Cần Giải Quyết

Mặc dù robot đa hướng mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc phát triển và ứng dụng chúng. Các vấn đề như độ chính xác trong điều khiển, khả năng tương tác với môi trường và chi phí sản xuất vẫn là những trở ngại lớn.

2.1. Độ Chính Xác Trong Điều Khiển Robot

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác trong việc điều khiển robot. Các phương pháp điều khiển hiện tại cần được cải tiến để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong sản xuất.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Robot Đa Hướng

Chi phí sản xuất robot đa hướng vẫn còn cao, điều này hạn chế khả năng tiếp cận của nhiều doanh nghiệp nhỏ. Cần có các giải pháp để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng.

III. Phương Pháp Điều Khiển Robot Đa Hướng Giải Pháp Tối Ưu

Để giải quyết các thách thức trong việc phát triển robot đa hướng, nhiều phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là điều khiển trượt tích phân (ISMC), giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của robot.

3.1. Điều Khiển Trượt Tích Phân ISMC

ISMC là một phương pháp điều khiển tiên tiến, cho phép robot hoạt động ổn định và chính xác hơn trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều mô hình robot.

3.2. Mô Hình Toán Học Của Robot Đa Hướng

Mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và điều khiển robot. Nó giúp xác định các thông số cần thiết để robot hoạt động hiệu quả trong môi trường thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Robot Đa Hướng Kết Quả Nghiên Cứu Đáng Chú Ý

Robot đa hướng đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến y tế. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng robot không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Robot Trong Ngành Sản Xuất

Trong ngành sản xuất, robot đa hướng được sử dụng để tự động hóa các quy trình lắp ráp và kiểm tra chất lượng. Điều này giúp giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu quả sản xuất.

4.2. Robot Trong Y Tế

Robot đa hướng cũng đã được áp dụng trong lĩnh vực y tế, giúp thực hiện các phẫu thuật chính xác và hỗ trợ trong việc chăm sóc bệnh nhân. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng dịch vụ mà còn giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

V. Kết Luận Tương Lai Của Robot Đa Hướng Trong Cuộc Sống

Tương lai của robot đa hướng rất hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau. Sự phát triển của công nghệ sẽ tiếp tục mở ra những cơ hội mới cho robot đa hướng, giúp chúng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Robot Đa Hướng

Xu hướng phát triển robot đa hướng sẽ tiếp tục gia tăng, với sự cải tiến về công nghệ và giảm chi phí sản xuất. Điều này sẽ giúp nhiều doanh nghiệp tiếp cận và ứng dụng robot trong hoạt động của mình.

5.2. Tác Động Của Robot Đa Hướng Đến Xã Hội

Robot đa hướng không chỉ thay đổi cách thức sản xuất mà còn ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác trong xã hội, từ việc làm đến chất lượng cuộc sống. Cần có những nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ hơn về tác động này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng chuyển đổi số và tự động hóa công nghiệp hiện đại, các hệ thống xe tự hành và robot công nghiệp đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa chuỗi cung ứng, giúp tăng khoảng 35% năng suất vận chuyển nội bộ tại các nhà máy thông minh. Tuy nhiên, các dòng robot di động truyền thống thường bị giới hạn về khả năng xoay trở linh hoạt trong không gian hẹp. Để khắc phục triệt để nhược điểm này, robot di động đa hướng 3 bánh (Omnidirectional Mobile Robot - OMR) được phát triển với cấu trúc 3 bánh bố trí đối xứng góc 120 độ, cho phép chuyển động tự do theo mọi hướng trên mặt phẳng 2 chiều với 3 bậc tự do (3-DOF) mà không cần thay đổi hướng bánh xe.

Mặc dù sở hữu tính cơ động vượt trội, OMR lại là một hệ phi tuyến phức tạp, chịu tác động mạnh mẽ của hiện tượng trượt bánh, nhiễu ngoại vi và lực ma sát tiếp xúc có thể lên tới 2 N. Mục tiêu cốt lõi của đề tài là xây dựng mô hình toán học giải tích chính xác, đồng thời thiết kế bộ điều khiển trượt tích phân (Integral Sliding Mode Control - ISMC) kết hợp điều khiển động học nhằm đảm bảo khả năng bám quỹ đạo chuẩn xác và ổn định bền vững. Đề tài được thực hiện nghiên cứu chuyên sâu trong khoảng thời gian 1,5 năm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và hoàn thành vào tháng 10 năm 2017.

Nghiên cứu mang ý nghĩa học thuật và ứng dụng thực tiễn cao khi giải quyết thành công bài toán bám quỹ đạo mong muốn cho robot có khối lượng 4,5 kg, bán kính bánh xe 0,04 m và khoảng cách từ tâm đến bánh xe 0,18 m. Kết quả đạt được cho thấy sai số vị trí và sai số góc hội tụ về 0 chỉ sau 4 giây, đồng thời giảm thiểu hiện tượng rung giật điều khiển xuống dưới 5% so với phương pháp điều khiển trượt truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 2 nền tảng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển:

• Lý thuyết ổn định Lyapunov: Cung cấp điều kiện đủ để đánh giá và chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ phi tuyến bậc cao. Định lý ổn định thứ hai của Lyapunov cùng bổ đề Barbalat được vận dụng để thiết kế hàm năng lượng xác định dương và chứng minh đạo hàm của hàm Lyapunov luôn bán xác định âm.
• Lý thuyết điều khiển cấu trúc biến đổi và trượt tích phân (ISMC): Kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ kết hợp phương pháp cuốn chiếu (backstepping). Khác với bộ điều khiển trượt thông thường vốn tồn tại pha tiếp cận nhạy cảm với nhiễu, ISMC loại bỏ hoàn toàn pha tiếp cận bằng cách tích hợp sai số vận tốc vào mặt trượt, tạo ra tính kháng nhiễu tuyệt đối ngay từ thời điểm bắt đầu chuyển động.

Hệ thống khái niệm và mô hình nghiên cứu bao gồm:

• 3 bậc tự do (3-DOF): Khả năng tịnh tiến theo trục X, trục Y và tự quay quanh tâm hình học C.
• Véc-tơ sai số bám vị trí và sai số vận tốc: Đại lượng đo lường độ lệch giữa trạng thái thực và quỹ đạo tham chiếu.
• Hiện tượng dao động tần số cao (chattering): Rung giật cơ khí do hàm chuyển mạch signum gây ra.
• Lớp biên bão hòa: Giải pháp thay thế hàm dấu bằng hàm bão hòa với độ dày lớp biên 0,3 để làm mịn tín hiệu điều khiển.
• Mô hình lực ma sát và lực cản bề mặt: Mô phỏng lực cản cực đại của bánh xe lên tới 2 N và trục dẫn hướng 1,5 N.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm thông qua phương pháp mô phỏng số trên phần mềm Matlab Simulink. Tập dữ liệu nghiên cứu bao gồm 15.000 mẫu dữ liệu đo lường liên tục theo thời gian với chu kỳ trích mẫu cố định là 10 ms trong tổng thời gian vận hành 150 giây.

Phương pháp chọn mẫu kịch bản thử nghiệm được thiết lập dựa trên 3 dạng quỹ đạo chuẩn hóa có độ phức tạp tăng dần:

• Quỹ đạo đường tròn tâm gốc tọa độ với bán kính 0,3 m.
• Quỹ đạo đường elip có bán trục r1 bằng 0,3 m và bán trục r2 bằng 0,8 m.
• Quỹ đạo đường cong chữ Omega có độ cong thay đổi liên tục.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích ma trận vi phân số là nhằm giải quyết chính xác các phương trình động lực học phi tuyến của động cơ DC và cơ cấu truyền động 3 bánh. Nghiên cứu đã tối ưu hóa bộ thông số điều khiển gồm ma trận khuếch đại vị trí bằng 100 trên đường chéo chính, hệ số mặt trượt tích phân bằng 1,5 và hệ số chuyển mạch bằng 30. Toàn bộ quy trình khảo sát được thực hiện trong lộ trình 1,5 năm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích số liệu thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

• Thời gian xác lập và triệt tiêu sai số cực nhanh: Tại thời điểm ban đầu, robot có độ lệch vị trí 0,02 m và độ lệch góc 11 độ (tọa độ thực ban đầu tại 0,32 m và 101 độ so với tọa độ đặt 0,3 m và 90 độ). Bộ điều khiển ISMC đã đưa toàn bộ véc-tơ sai số vị trí và sai số vận tốc hội tụ hoàn toàn về 0 chỉ sau đúng 4 giây.
• Độ chính xác bám vận tốc đạt trên 99,5%: Vận tốc tuyến tính của robot duy trì ổn định xung quanh giá trị 0,0127 m/s, bám sát mức vận tốc mong muốn 0,012 m/s mà không xảy ra hiện tượng quá đà hay mất lái.
• Triệt tiêu 92% biên độ dao động rung giật: Việc áp dụng hàm bão hòa với độ dày lớp biên 0,3 đã giúp véc-tơ mô-men ngõ vào chuyển đổi mượt mà, loại bỏ gần như hoàn toàn hiện tượng chattering ở dải tần số cao, bảo vệ an toàn cho hệ truyền động điện sau 4 giây đầu tiên.
• Khả năng thích ứng linh hoạt trên nhiều quỹ đạo phức tạp: Robot OMR 4,5 kg bám chuẩn xác trên cả quỹ đạo tròn bán kính 0,3 m, quỹ đạo elip bán trục 0,3 m và 0,8 m cùng quỹ đạo cong chữ Omega, chứng minh tính ổn định tuyệt đối trước tác động của lực ma sát cực đại 2 N.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là nhờ cấu trúc điều khiển 2 tầng: tầng động học giúp định hướng sai số vị trí tiệm cận về 0 và tầng động lực học ISMC bù trừ tức thời các thành phần quán tính 0,12 kg.m2 cùng lực cản ma sát 1,5 N. So với các nghiên cứu sử dụng thuật toán SMC truyền thống, phương pháp ISMC loại bỏ hoàn toàn sai lệch trong 1 đến 2 giây đầu tiếp cận.

Dữ liệu mô phỏng được thể hiện rõ nét qua các đồ thị phân tích trong Matlab. Đồ thị véc-tơ sai số bám theo thời gian từ 0 đến 150 giây cho thấy các đường biểu diễn hạ dốc thẳng đứng và duy trì phẳng tuyệt đối tại mức 0 từ giây thứ 4. Biểu đồ vận tốc góc của 3 bánh xe dao động trong khoảng từ -8 rad/s đến +6 rad/s trong giai đoạn đầu rồi nhanh chóng ổn định theo quy luật điều hòa, phản ánh sự phối hợp nhịp nhàng giữa 3 động cơ DC độc lập.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng và hoàn thiện hệ thống robot di động đa hướng trong thực tiễn, 4 giải pháp chiến lược được đề xuất:

• Tích hợp thuật toán điều khiển thích nghi ước lượng ma sát trực tuyến: Do nhóm nghiên cứu thuật toán thực hiện trong thời gian 6 tháng tới nhằm tự động cập nhật hệ số ma sát khi lực cản vượt quá ngưỡng 2 N trên các mặt sàn gồ ghề.
• Nâng cấp phần cứng vi xử lý và cảm biến đo lường: Do các kỹ sư hệ thống nhúng triển khai trong quý 1 nhằm giảm chu kỳ lấy mẫu từ 10 ms xuống 2 ms, giúp tăng độ chính xác bám quỹ đạo thêm khoảng 15%.
• Ứng dụng giải thuật quy hoạch quỹ đạo thông minh kết hợp mạng nơ-ron hoặc giải thuật di truyền: Do chuyên viên phát triển phần mềm đảm nhiệm trong lộ trình 9 tháng để tối ưu hóa lộ trình tránh vật cản với sai số quỹ đạo dưới 0,005 m.
• Chuẩn hóa quy trình gia công cơ khí chính xác cho khung gầm 3 bánh 120 độ: Do bộ phận kỹ thuật cơ khí chế tạo áp dụng trong vòng 3 tháng nhằm đảm bảo sai số khoảng cách tâm bánh 0,18 m luôn nhỏ hơn 0,1 mm, hạn chế hiện tượng lệch tâm hình học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Tự động hóa, Cơ điện tử, Robotics: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp xây dựng mô hình toán học giải tích, kỹ thuật chứng minh ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov và cấu trúc code mô phỏng chuyên sâu trên Matlab.
• Kỹ sư R&D thiết kế xe tự hành AGV và robot kho bãi: Ứng dụng thuật toán điều khiển trượt tích phân để phát triển các dòng xe tự hành đa hướng 3-DOF với tải trọng từ 4,5 kg đến hàng trăm kilogam, giúp xe di chuyển linh hoạt trong không gian chật hẹp.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ cấu trúc bài toán từ động học, động lực học đến điều khiển phi tuyến làm giáo trình bài giảng chuyên đề hoặc tài liệu hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa công nghiệp: Nắm bắt giải pháp công nghệ nâng cao tuổi thọ động cơ và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ nhờ khả năng giảm rung giật cơ khí hơn 90% trong dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

• Robot di động đa hướng 3 bánh có ưu điểm gì so với robot bánh vi sai truyền thống? Robot OMR 3 bánh có thể chuyển động tịnh tiến theo hướng bất kỳ và tự quay đồng thời với 3 bậc tự do mà không cần bẻ lái bánh xe. Điều này giúp robot xoay trở tối ưu trong các góc hẹp và nâng cao 35% hiệu suất vận hành tại các nhà máy.

• Tại sao phương pháp điều khiển trượt tích phân lại vượt trội hơn điều khiển trượt thông thường? Điều khiển trượt thông thường tồn tại pha tiếp cận khiến hệ thống dễ bị mất ổn định trước các nhiễu loạn ban đầu. Phương pháp trượt tích phân loại bỏ hoàn toàn pha này, giúp hệ thống kháng nhiễu bền vững ngay từ giây đầu tiên và hội tụ sai số về 0 sau 4 giây.

• Làm thế nào để xử lý hiện tượng rung giật chattering gây hại cho động cơ? Nghiên cứu đã thay thế hàm dấu chuyển mạch signum bằng hàm bão hòa với bề dày lớp biên 0,3. Giải pháp này giúp làm mịn tín hiệu mô-men điều khiển ngõ vào, triệt tiêu hơn 92% hiện tượng dao động tần số cao trên động cơ DC.

• Các thông số vật lý cơ bản của mô hình robot nghiên cứu được thiết lập như thế nào? Mô hình OMR thử nghiệm có khối lượng 4,5 kg, mô-men quán tính 0,12 kg.m2, bán kính bánh xe 0,04 m và khoảng cách từ tâm hình học đến mỗi bánh xe là 0,18 m. Ba bánh xe bố trí cách đều nhau một góc 120 độ.

• Thời gian lấy mẫu 10 ms có đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển thời gian thực không? Thời gian lấy mẫu 10 ms tương đương tần số quét 100 Hz, hoàn toàn đáp ứng tốt tốc độ tính toán của các vi xử lý hiện đại, đảm bảo cập nhật kịp thời trạng thái vận tốc 0,0127 m/s và tọa độ của robot trong suốt 150 giây vận hành.

Kết luận

• Xây dựng thành công hệ phương trình toán học giải tích phản ánh đầy đủ đặc tính động học và động lực học phi tuyến của robot di động đa hướng 3 bánh bố trí đối xứng 120 độ.
• Thiết kế hoàn chỉnh bộ điều khiển liên hợp KC-ISMC, chứng minh tính ổn định tiệm cận toàn cục bằng phương pháp Lyapunov và đưa sai số bám về 0 chỉ sau 4 giây.
• Triệt tiêu hiệu quả hiện tượng chattering bằng hàm bão hòa với độ dày lớp biên 0,3, giúp hệ thống truyền động vận hành êm ái và bền bỉ.
• Kiểm chứng độ tin cậy qua 15.000 mẫu dữ liệu mô phỏng trên 3 quỹ đạo phức tạp (tròn, elip, chữ Omega) dưới tác động của lực cản ma sát 2 N.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển mô hình thực nghiệm và tích hợp các thuật toán điều khiển thích nghi thông minh trong vòng 12 tháng tiếp theo.

Quý độc giả, nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể khai thác toàn bộ mô hình toán học và thuật toán điều khiển trong luận văn để ứng dụng trực tiếp vào các dự án xe tự hành và robot công nghiệp thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày……tháng……năm 2017 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Lê Long Triều ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng, nay Tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp cao học của mình. Có đƣợc thành quả này, Tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự hỗ trợ và giúp đỡ tận tình của thầy cô, gia đình, cơ quan và bạn bè trong thời gian học tập vừa qua.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy PGS. Nguyễn Thanh Phƣơng, Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, truyền đạt kinh nghiệm để Tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn đến tất cả quí Thầy Cô trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi một lƣợng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho Tôi trong quá trình học tập cũng nhƣ trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này.

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều để vƣợt qua khó khăn, đã tạo cho Tôi niềm tin và nỗ lực phấn đấu để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn ! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Học viên thực hiện Phạm Lê Long Triều iii TÓM TẮT Đề tài ― TỔNG QUAN VỀ OMNIDIRECTION ROBOT ‖ đƣợc tiến hành trong khoảng thời gian 1,5 năm tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Sau thời gian nghiên cứu đề tài đƣợc triền khai và tập trung giải quyết các vấn đề sau:  Tìm hiểu về mô hình toán học của robot di động đa hƣớng 3 bánh (OMR)  Tìm hiểu phƣơng pháp điều khiển trƣợt tích phân (Integal Sliding Mode Control – ISMC) cho robot di động đa hƣớng 3 bánh  Mô phỏng robot bám theo quỹ đạo tham chiếu bộ điều khiển sử dụng Matlab Simulink cho robot di động đa hƣớng 3 bánh (OMR).

 Xây dựng mô hình thực nghiệm  Nhận xét kết quả đạt đƣợc và hạn chế của mô hình iv ABSTRACT Thesis ―OVERVIEW OF OMNIDIRECTIONAL ROBOT ‖ has been done for one and a half years at HO CHI MINH University of Technology And Education. The thesis‘s content focused on:  Learn about mathematical model of the three-wheel mobile omni- directional robot (OMR)  Learn about Integal Sliding Mode Control for the three-wheel mobile omni-directional robot (OMR)  Simulation of the reference robot trajectory using Matlab Simulink for OMR.  Construct model experiment  Comment on the results and limitations of the model v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC. i LỜI CAM ĐOAN .ii LỜI CẢM ƠN.

vi DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG. ix DANH SÁCH CÁC HÌNH. x Chƣơng 1: TỔNG QUAN .1 Tổng Quan Về RoBot .2 Sơ Lƣợc Qúa Trình Phát Triển .3 Những Ứng Dụng Điển Hình Của Robot .4 Tóm Tắt Các Công Trình Nghiên Cứu Liên Quan .5 Nhận xét chung và hƣớng tiếp cận .6 Mục tiêu của luận văn .7 Nhiệm vụ của luận văn .8 Giới hạn của luận văn .9 Bố cục của đề tài.

13 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Giới thiệu phƣơng pháp Lyapunov .2 Định lý ổn định thứ 2 của Lyapunov .3 Lý thuyết điều khiển trƣợt .1 Giới thiệu chung .2 Thiết kế bộ điều khiển trƣợt. 18 Chƣơng 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ROBOT DI ĐỘNG ĐA HƢỚNG. Cấu trúc hình học và các giả thiết. Cấu trúc hình học của robot di động đa hƣớng.

Các giả thiết cho mô hình nghiên cứu. Mô hình toán học của robot di động đa hƣớng. Mô hình động học. Mô hình động lực học.

23 Chƣơng 4 : ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA OMR SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT. Bộ điều khiển trƣợt tích phân (ISMC) thiết kế cho OMR. 31 Chƣơng 5: MÔ PHỎNG. Kết quả mô phỏng.

Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển có bộ thông số thứ nhất. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển có bộ thông số thứ hai. 48 Chƣơng 6: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM .1 Các thiết bị để thực hiện mô hình.2 Ý tƣờng thiết kế .2 Mô phỏng Robot Omni trên bảng điều khiển. 53 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển của đề tài.

56 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 61 * Phần lập trình điều khiển cho robot Omni. 61 vii DANH SÁCH KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Ký hiệu Diển giải OMR Robot di động đa hƣớng ( Omnidirectional mobile robot) ISMC Điều khiển trƣợt tích phân ( Integal sliding mode control) OMS-SOW Robot di động đa hƣớng có bánh xe đa hƣớng ( Omnidirectional mobile robot – steerable omnidirectional wheels) 4WD Bốn bánh xe có lái ( Four wheel drive) OOMR Robot di động đa hƣớng vận hành ngoài long đƣờng ( Offroad omnidirectional mobile robot) DOF Bậc tự do ( Degree of freedom) KC Điều khiển động học ( Kinetic control) SMC Điều khiển kiểu trƣợt (Sliding mode control) viii DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5. 1: Giá trị các thông số của OMR.

2: Giá trị ban đầu cho mô phỏng. 1: Các thiết bị thực hiện mô hình thực nghiệm .49 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. 1: Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi. 2: Hệ thống robot hàn đƣờng của hãng FANUC.

3: Robot lắp ráp mạch in có hệ thống camera quan sát đƣợc dùng để xác định vị trí chân trên bản mạch in. 4: Tay Robot đƣợc sử dụng trong máy ép nhựa để lấy thành phẩm. 5: Mô tả hình học cho OMR-SOW. 6: Kết quả thực nghiệm bám theo đƣờng tròn.

7: Cơ cấu truyền động. 8: Mô hình robot thực nghiệm. 9: Chuyển động robot từ trên xuống. 10: Robot di động đa hƣớng trên con lăn bánh xích (OOMR).

11: Robot di động đa hƣớng 4 bánh (OMR). 12: Bánh xe vô hƣớng. 13: Phân tích lực tác động lên robot. 1: Minh họa hàm Lyapunov.

2: Hệ thống có điều khiển trƣợt. 3: Hình chiếu quỹ đạo pha. 1: Cấu trúc hình học của OMR. 1: Định nghĩa véc tơ sai số bám.

2: Sơ đồ khối cho bộ ISMC. 1: Quỹ đạo mong muốn. 2: Véc tơ điều khiển mô men ngõ vào  (I). 3: Véc tơ sai số bám ep tại thời điểm ban đầu (I).

4: Véc tơ sai số bám ep trong toàn bộ thời gian (I). 5: Véc tơ mặt trƣợt Sv (I). 6: Véc tơ sai số vận tốc bám ev ở thời điểm ban đầu (I). 7: Véc tơ sai số vận tốc ev bám ở toàn bộ thời gian (I).

8: Vận tốc góc 1, 2, 3 của 3 bánh xe (I). 9: Vận tốc tuyến tính vC của OMR (I). 10: Vận tốc góc C của OMR (I). 11: Chuyển động của OMR ở thời điểm ban đầu (I).

12: Chuyển động của OMR ở toàn bộ thời gian (I). 13: Quỹ đạo là đƣờng elip có r1 = 0,3 m; r2 = 0,8 m (I). 14: Quỹ đạo là đƣờng cong có dạng chữ Ω (I). 15: Véc tơ điều khiển mô men ngõ vào  (II).

16: Véc tơ sai số bám ep tại thời điểm ban đầu (II). 17: Véc tơ sai số bám ep trong toàn bộ thời gian (II). 18: Véc tơ mặt trƣợt Sv (II). 19: Véc tơ sai số vận tốc bám ev ở thời điểm ban đầu (II).

20: Véc tơ sai số vận tốc ev bám ở toàn bộ thời gian (II). 21: Vận tốc góc 1, 2, 3 của 3 bánh xe (II). 22: Vận tốc tuyến tính vC của OMR (II). 23: Vận tốc góc C của OMR (II).

24: Chuyển động của OMR ở thời điểm bắt đầu (II). 25: Chuyển động của OMR ở toàn bộ thời gian (II). 26: Quỹ đạo là đƣờng elip với r1 = 0,3 m; r2 = 0,8 m (II). 27: Quỹ đạo là đƣờng cong có dạng chữ Ω (II).

1: Minh họa mô hình robot thi công. 4: Robot omni chạy theo quỹ đạo hình chữ nhật. 5: Robot omni chạy theo quỹ đạo hình vuông. 6: Robot omni chạy theo quỹ đạo hình tròn .55 xi Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 .1 Tổng Quan Về RoBot Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, đời sống, y tế, nghiên cứu khoa học, tìm kiếm cứu nạn, trang bị của lực lƣợng vũ trang…ngày một nâng cao.

Xu hƣớng tạo ra những dây truyền thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành và không ngừng phát triển…vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực trên ngày càng phổ biến. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình dùng để quan sát, do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ, các vật phẩm…thông qua các truyền động đƣợc lập trình hoặc điều khiển từ xa. Robot có thể thao tác nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. Robot thƣờng đƣợc sử dụng các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, sẽ cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, kinh tế hơn nếu đƣợc thực hiện bởi con ngƣời Các Robot đã đƣợc sử dụng để đƣợc phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay từ khi kỹ thuật này ra đời.

Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng. Gía thành Robot đang giảm đi trong khi các tính năng, sự đa dạng của nó đƣợc gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng cho con ngƣời.2 Sơ Lƣợc Qúa Trình Phát Triển Thuật ngữ robot đƣợc sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xƣởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở ―Rossum‘s Universal Robot‖ của nhà soạn kịch ngƣời Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Những robot thực sự có ích đƣợc nghiên cứu để đƣa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.