Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot eezyboyarm MK2
lượt xem 14
download
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot eezyboyarm MK2" nhằm thiết kế và điều khiển hệ cánh tay robot trong giảng dạy đại học và nghiên cứu khoa học
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot eezyboyarm MK2
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2 S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: SV2020-160 S KC 0 0 7 3 3 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2 SV2020-160 Chủ nhiệm đề tài: VÕ MINH TÀI TP Hồ Chí Minh, 08/2020
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2 SV2020-160 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điều khiển học kỹ thuật SV thực hiện: Võ Minh Tài Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16151CL3 - Đào tạo Chất Lượng Cao Năm thứ:4/Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trần Minh Nguyệt TP Hồ Chí Minh, 08/2020
- MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................... 2 TÓM TẮT .......................................................................................................... 3 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................... 4 2. Tổng quan nghiên cứu ............................................................................ 4 2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 4 2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước......................................................... 5 3. Mục tiêu ................................................................................................. 8 4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ..................................... 8 4.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu ......................................... 8 4.2 Quy mô nghiên cứu ................................................................................ 8 4.3 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................ 10 1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp ............................................................ 10 1.2 Phân loại robot công nghiệp ................................................................. 12 1.3 Một số ứng dụng của robot ................................................................... 15 1.4 Bài toán động học thuận tay máy .......................................................... 16 1.5 Bài toán động học nghịch tay máy ........................................................ 18 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM ............................. 20 2.1 Giới thiệu về vi xử lý Arduino Uno R3 ..................................................... 20 2.1.1 Khái niệm về vi điều khiển ................................................................ 20 2.1.2 Giới thiệu về board Arduino .............................................................. 20 2.1.3 Board Arduino Uno R3 ..................................................................... 21 2.1.4 Cấu trúc và thông số ......................................................................... 22 2.2 Phần mềm lập trình cho board Arduino .................................................. 26 2.4 Động cơ Servo MG966 ............................................................................. 29 2.5 Bạc đạn đế xoay ....................................................................................... 30 2.6 Mạch giảm áp DC LM2596 3A ................................................................ 31 2.7 Tổng quan về Matlab ............................................................................... 31 2.7.1 Giới thiệu về Matlab .............................................................................. 31 2.7.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab, các ứng dụng: ....................... 33 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 42 CHƯƠNG 4: ĐÁP ỨNG THỰC TẾ KHI ĐIỀU KHIỂN ................................... 53 4.1 Thiết lế mô hình bằng phần mềm SolidWorks ............................................. 53
- 4.2 Thiết kế giao diện Matlab GUI để điều khiển cánh tay robot ....................... 56 4.3 Kết quả điều khiển thực tế .......................................................................... 56 4.4 Kết luận ...................................................................................................... 58 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................. 60 6.1 Kết quả đạt được ..................................................................................... 60 6.2 Hướng phát triển ..................................................................................... 60
- DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng Trang số Bảng 1.1 Bảng D – H của hệ cánh tay robot 18 Bảng 2.1 Một vài thông số của Board Arduino Uno R3 24 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Tên biểu đồ, sơ đồ, hình ảnh Trang số Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Descartes 13 Hình 1.2 Cấu trúc tay máy kiểu tọa độ trụ 13 Hình 1.3 Tay máy kiểu cầu 13 Hình 1.4 Tay máy kiểu SCADA 14 Hình 1.5 Tay máy kiểu tay người 14 Hình 1.6 Khớp cổ tay 14 Hình 1.7 Một số loại robot được ứng dụng trong thực tế 15 Hình 1.8 Hình 2D hệ cánh tay robot do nhóm đề xuất 18 Hình 2.1 Những phiên bản của Arduino 22 Hình 2.2 Board Arduino Uno R3 23 Hình 2.3 Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn 24 Hình 2.4 Sơ đồ chân board Uno R3 26 Hình 2.5 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 27 Hình 2.6 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 27 Hình 2.7 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 28 Hình 2.8 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 28 Hình 2.9 Cài đặt thư viện Arduino cho Matlab 28 Hình 2.10 Khối nguồn xung 12VDC 29 Hình 2.11 Sơ đồ khối bộ nguồn 30 Hình 2.12 Động cơ MG966 30 Hình 2.13 Bạc đạn đế xoay 31 Hình 2.14 Module mạch giảm áp DC LM2596 3A 32 Hình 2.15 Sơ đồ mạch giảm áp DC dùng IC LM2596 32 Hình 2.16 Giao diện Matlab 34 Hình 2.17 Giao diện lập trình Matlab/Simulink 36
- Hình 2.18 Guide quick start 36 Hình 2.19 Giao diện Matlab/GUI 37 Hình 2.20 Ví dụ một số đối tượng trong GUI 37 Hình 2.21 Sử dụng thông số cho các đối tượng sử dụng 38 Hình 2.22 Chạy kết quả set up 39 Hình 2.23 Logo phần mềm SolidWorks 39 Hình 3.1 Các thành phần cơ bản có trong robot 44 Hình 3.2 Ví dụ một robot đơn giản 45 Hình 3.3 Quan hệ giữa 2 thanh trong cơ cấu 46 Hình 3.4 Vận tốc của của 1 điểm trong hệ tọa độ 52 Hình 3.5. Véc tơ vận tốc cho các trục liền nhau 52 Hình 3.6. Lan truyền lực giữa các trục liền nhau 54 Hình 4.1 Hướng nhìn ngang của hệ cánh tay robot 55 Hình 4.2 Hướng nhìn từ sau của hệ cánh tay robot 55 Hình 4.3 Hướng nhìn ngang của hệ cánh tay robot 56 Hình 4.4 Hướng nhìn từ sau của hệ cánh tay robot 56 Hình 4.5 Hướng nhìn chéo của hệ cánh tay robot 56 Hình 4.6 Hướng nhìn từ trên xuống của hệ cánh tay robot 57 Hình 4.7 Hướng nhìn của hệ cánh tay robot 57 Hình 4.8 Hướng nhìn cánh tay robot từ mặt đối diện 57 Hình 4.9 Giao diện Matlab/GUI được thiết kế để điều khiển 58 cánh tay robot Hình 4.10 Mô hình thực hệ cánh tay robot 59 Hình 4.11 Chương trình tính toán động học thuận – nghịch 60 cho hệ cánh tay robot Hình 4.12 Hoạt động của hệ cánh tay robot 60 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nguyên nghĩa AC Alternating Current ADC Analog-to-digital converter
- DC Direct Current DAC Digital-to-analog converter EEPROM Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory FET Field-Effect Transistor GND Ground I/O Input/Output IC Integrated Circuit IDE integrated development environment GUI Guide MIMO Multiple input Mulptiple output PBVS position-based visual servoing IBVS image-based visual servoing
- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2 - SV thực hiện: VÕ MINH TÀI Mã số SV: 16151313 - Lớp: 16151CL3 Khoa: CLC Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4 - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 LƯ MINH TRIẾT 16151093 16151CL3 CLC 2 NGUYỄN VĂN HIỂN 16151021 16151CL3 CLC 3 NGUYỄN MINH TIẾN 16151087 16151CL3 CLC - Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Trần Minh Nguyệt 2. Mục tiêu đề tài: Xây dựng mô hình thực hệ thống giúp các sinh viên tìm hiểu học tập áp dụng môn Lý thuyết điều khiển tự động, Lý thuyết kỹ thuật Robot. Tìm hiểu và ứng dụng lý thuyết môn Hệ thống điều khiển tự động, lý thuyết môn Kỹ thuật Robot trong điều khiển động cánh tay Robot 3 bậc tự do. Điều khiển cánh tay robot thông qua phần mềm Matlab GUI. Tìm hiểu cách vẽ, xây dựng mô hình trên phần mềm SoidWorks. 3. Tính mới và sáng tạo: Chương trình điều khiển hệ thống được nhúng bằng phần mềm Matlab với thư viện Arduino được hỗ trợ trên phần mềm. 4. Kết quả nghiên cứu: Nghiên cứu áp dụng bộ thư viện Arduino để điều khiển hệ thống cánh tay robot 3 bậc tự do thông qua phần mềm Matlab/Simulink. Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý Arduino Uno R3 vào điều khiển hệ cánh tay robot 3 bậc tự do. Tác giả đã xây dựng thành công mô hình hệ cánh tay robot 3 bậc tự hoạt động ổn định, thẫm mỹ.
- Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật robot về tính toán động học thuận và động học nghịch robot, lập trình động học trên phần mềm để điều khiển cách tay robot. Tìm hiểu thiết kết chương trình tương tác giữa người dùng với phần mềm Matlab/Simulink thông qua Matlab GUI. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2” sẽ hỗ trợ đắc lực trong quá trình giảng dạy, học tập và nghiên cứu khoa học cho giảng viên cũng như sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Việc áp dụng mô hình hệ cánh tay robot 3 bậc tự do sẽ giúp người học kiểm chứng lại các giải thuật khác, phương pháp điều khiển khác nhau nhằm tìm ra giải thuật tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài: Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên)
- LỜI CẢM ƠN Trước tiên, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt, người đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp nhóm sinh viên hoàn thành đề tài Nghiên cứu khoa học này. Và quan trọng hơn hết, thầy là người đã gợi mở cho nhóm sinh viên một hướng nghiên cứu mà nhóm cảm thấy quan tâm và mong muốn theo đuổi. Bên cạnh đó, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn đến thầy Đặng Xuân Ba và thầy Nguyễn Văn Thái thuộc bộ môn Tự động điều khiển đã định hướng và hỗ trợ một số phần quan trọng cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài. Ngoài ra, nhóm sinh viên cũng gởi lời cảm ơn đến tập thể lớp 16151CL3 đã hỗ trợ nhóm rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình. TP Hồ Chí Minh, Ngày… tháng …năm … Nhóm sinh viên thực hiện 1
- LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến. Thế giới của chúng ta đã và đang thay đổi từng ngày, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của tất cả các ngành khoa học nói chung và điều khiển tự động nói riêng đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Lĩnh vực điều khiển tự động đang trở thành một ngành mà nhiều người lựa chọn. Lĩnh vực điều khiển tự động đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công - nông - lâm - ngư nghiệp - y tế cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày. Có rất nhiều ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực. Nhưng ở đây được sự đồng thuận của thầy hướng dẫn – cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt cộng với lòng ham thích về sự ứng dụng của điều khiển tự động. Nên chúng em đã chọn thực hiện đề tài “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT EEZYbotARM MK2”. Từ đó hình thành nên trong người thực hiện niềm hứng thú, nhu cầu nghiên cứu đề tài để sở hữu được những kiến thức mới và vận dụng chúng vào trong thực tiễn cuộc sống hiện nay. 2
- TÓM TẮT Trong công trình này, nhóm sinh viên đã xây dựng mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do bằng phần mềm SolidWorks và in 3D mô hình thành sản phẩm thực tế. Nhóm sinh viên thực hiện tính toán động học thuận và động học nghịch của cánh tay robot. Dựa trên cơ sở này, nhóm sinh viên lập trình bằng phần mềm Matlab và sử dụng nền tảng Arduino được hỗ trợ trên Matlab để điều khiển cánh tay robot 3 bậc tự do. Kết quả thực nghiệm đạt được: sinh viên đã xây dựng thành công mô hình thực nghiệm hệ cánh tay robot 3 bậc tự do thông qua giao tiếp máy tính giữa phần mềm Matlab/Simulink với vi điều khiển Arduino bằng bộ thư viện Arduino được Matlab hỗ trợ. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển động học cánh tay robot 3 bậc tự do hoàn toàn đưa cánh tay về đúng điểm làm việc xác định. Nhiệm vụ Giới thiệu vi điều khiển Arduino và bộ thư viện Arduino trên phần mềm Matlab/Simulink. Giới thiệu phần mềm vẽ SolidWorks. Lắp ráp mô hình phần cứng và điện tử cho mô hình thực hệ cánh tay robot 3 bậc tự do. Lập trình chương trình điều khiển trên Simulink của Matlab. Hiệu chỉnh các thông số bộ điều khiển cho phù hợp để hệ thống hoạt động đúng điểm đầu cuối đã được đặt ra. Tìm hiểu lý thuyết về động lực robot, các lý thuyết của kỹ thuật robot để xây dựng hệ thống. 3
- PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người. Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các dây chuyền sản xuất. Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam. Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn đề tài “Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot EEZYbotARM MK2”. Đề tài này hướng tới có thể thay thế các bộ điều khiển của các công ty nước ngoài và xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu cho các đối tượng sản xuất. Đồng thời, các đối tượng này thích hợp với điều kiện sản xuất ở nước ta. Hệ cánh tay robot được thực hiện trong để tài là một hệ MIMO (Multiple- Input and Multiple-Output) với nhiều ngõ vào điều khiển và nhiều ngõ ra. Nhằm nâng cao khả năng áp dụng các giải thuật điều khiển tôi ưu cho hệ cánh tay robot trước tiên chúng ta cần nắm rõ về động học thuận – nghịch robot. Đó là mục tiêu mà đề tài này hướng đến. Thực hiện đề tài “Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot EEZYbotARM MK2” là rất cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thời điểm hiện tại. Vì đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Cao đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành điều khiển tự động hóa, điện công nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên tại trường. 2. Tổng quan nghiên cứu Xu hướng phát triển robot hiện nay là đi sâu vào nghiên cứu các phương pháp điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác các bộ điều khiển của robot. Điều này được thể hiện qua các nghiên cứu trong nước và ngoài nước như sau: 2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2016, nhóm tác giả Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Mạnh La thuộc trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM đã thực hiện đề tài “Điều khiển cánh tay 4
- robot hai bậc tự do qua mạng dựa trên phương pháp dự đoán Smith nâng cao”. Bài nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển cánh tay máy hai bậc tự do qua mạng dựa vào phương pháp dự Smoth nâng cao. Trễ điều khiển gây ra bởi tính chất mạng và đáp ứng trễ của cơ cấu chấp hành, dẫn tới tín hiệu điều khiển cánh tay robot bị chậm, rất khó đạt được độ ổn định khi điều khiển qua mạng. Phương pháp dự đoán Smith nâng cao giúp dự đoán tương đối tín hiệu trễ của toàn hệ thống làm tăng khả năng thích nghi với ảnh hưởng của thời gian trễ, giúp tay máy đáp ứng chính xác. Vào năm 2018, trong luận án Tiến sỹ của tác giả Nguyễn Tiết Kiệm, tác giả đã thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu phát triển một số thuật toán điều khiển robot công nghiệp có nhiều tham số bất định”. Trong đó tác giả trình bầy về một số thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera đặt trên hệ bánh xe di động và một số thuật toán điều khiển cho hệ robot-camera chẳng hạn như phương pháp điều khiển trượt, mạng nơ ron nhân tạo. Mục tiêu mà tác giả hướng tới là nâng cao độ chính xác trong thực tế của robot công nghiệp khi môi trường làm việc có nhiễu không biết truốc, có nhiều tham số bất định của mô hình động học và của mục tiêu di động Trong các viện nghiên cứu thì lĩnh vực này cũng có một số bài báo, báo cáo khoa học tại các hội nghị trong nước và quốc tế, đặc biệt là các kết quả nghiên cứu khoa học tại Viện Công Nghệ Thông Tin-Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam và đại học Bách Khoa Hà nội được công bố trong các tài liệu [3], [4]. Trong tài liệu [4] các tác giả chủ yếu đề cập đến các tham số bất định của mô hình động lực học robot. Trong luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Mạnh Tiến - Đại học Bách Khoa Hà Nội tác giả đi sâu vào phần chế tạo phần cứng cho hệ Pan- Tilt-Camera di động, thuật điều khiển chính trong nghiên cứu này là điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Khi nói tới vấn đề điều khiển chuyển động tay máy di động, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều thuật toán điều khiển khác nhau. Mục tiêu chung cần giải quyết của bài toán điều khiển này là điều khiển tay máy di động từ vị trí ban đầu sang vị trí khác sao cho vị trí cuối cùng đáp ứng được vị trí mong muốn. Cụ thể, các phương pháp trong [5], [6], [7] đã đề xuất một số phương pháp đáng chú ý 5
- để giải quyết các vấn đề này. Ngoài ra, công việc trong [8] đã trình bày một phương pháp điều khiển bám thích nghi cho một tay máy hàn di động với một mô hình động học có một số tham số chiều không xác định. Dựa trên lý thuyết ổn định Lyapunov, tác giả trong [9] đã giải quyết vấn đề điều khiển vị trí với những thông số bất định động học và những chướng ngại vật không xác định. Hơn nữa, bộ điều khiển bù momen xoắn đã được đề xuất trong [15] để điều khiển chuyển động của cánh tay di động. Gần đây, nhiều công trình với mục đích tích hợp luật servo thị giác vào robot di động đã được đề xuất để thực hiện nhiệm vụ cầm nắm [10-11] và để giải quyết bài toán điều khiển bám mục tiêu dựa trên thị giác [12], [13], dẫn đến các hệ thống thao tác tự trị dựa trên thị giác. Hơn nữa, các chuyên gia đã đề xuất một thuật toán hoạch định đường đi để thêm phản ứng cho bài toán servo thị giác. Giai đoạn hoạch định đường đi sẽ xem xét các ràng buộc quan trọng khác nhau hoặc sự không chắc chắn của hệ thống nhằm đạt được một hệ thống điều khiển servo thị giác mạnh mẽ hơn. Liên quan đến thị giác, bất cứ một tay máy với khớp nối linh hoạt trong không gian không có cấu trúc đều cần có các thông tin cảm giác từ tín hiệu phản hồi như thông tin thị giác trong hệ thống điều khiển vòng kín [14]. Thị giác là một cảm biến hữu ích cho cánh tay khớp nối. Thị giác sao chép cấu tạo của con mắt sinh học để có thể có được thông tin trong trường hợp không có bất kỳ tiếp xúc nào với đối tượng. Đối với điều khiển cánh tay robot, servo thị giác là tên gọi của một nhóm các phương pháp điều khiển bao gồm sự kết hợp giữa động học robot, động lực học và thị giác máy để thúc đẩy hiệu quả chuyển động của cánh tay máy. Những phương pháp này được phân loại thành hai nhóm [16], cụ thể là: position-based visual servoing (PBVS) servo thị giác dựa trên vị trí, và image-based visual servoing (IBVS) servo thị giác dựa trên hình ảnh. Các đặc trưng hình ảnh trong PBVS được xử lý để ước lượng vị trí tương đối của tọa độ ba chiều (3D) giữa camera và mục tiêu, theo sau là một thuật toán để điều khiển chuyển động của cánh tay robot với camera mà vị trí 3D được sử dụng như một sai số của tín hiệu [17]. Nói cách khác, dựa trên dữ liệu hình ảnh, các kết qủa đã thiết kế và thể hiện trong không gian Đề Các 3 chiều. Mục tiêu 6
- điều khiển ở đây là để lái xe camera (hoặc cánh tay) từ một vị trí tùy ý ban đầu đến một vị trí tương đối mong muốn. Trong IBVS sai số được tính toán trực tiếp dưới dạng các đặc trưng hình ảnh có chuyển động vi phân trong mặt phẳng ảnh liên quan đến chuyển động vi phân của cánh tay di động qua ma trận Jacobi [12], [13], [14], [16], [17], [18], [19], [20]. Cần lưu ý rằng trái ngược với PBVS, IBVS có một số ưu điểm như sau: 1) Tọa độ 3D của mục tiêu là không cần thiết; 2) IBVS có độ bền vững hơn PBVS về hiệu suất đối với nhiễu, ví dụ với lỗi hiệu chuẩn; 3) IBVS thuận tiện hơn và dễ dàng hơn PBVS để bám một mục tiêu di động sao cho mục tiêu này luôn ở trong tầm nhìn của camera. Mặt khác trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu và báo cáo khoa học về phương pháp điều khiển bám mục tiêu di động sử dụng bệ Pan-Tilt và camera. Các bài báo tiêu biểu đã nghiên cứu về lĩnh vực này như: Điều khiển cánh tay robot bám mục tiêu theo phương pháp bù sử dụng mạng nơ ron đăng trên tạp chí của viện Franklin. Nội dung chủ yếu của bài nghiên cứu là thiết kế bộ điều khiển dùng mạng nơ ron để bù các thành phần bất định [21]. Phương pháp điều khiển bám mục tiêu trong không gian 3 chiều bằng robot và camera sử dụng phương pháp bám điểm ảnh liên tục và bộ lọc điểm ảnh được báo cáo tại hội nghị SICE năm 2011, đại học Waseda, Tokyo, Japan. Bài nghiên cứu này sử dụng phương pháp bám theo mục tiêu trong không gian 3 chiều để nhận dạng vị trí và hướng của vật thể chuyển động liên tục [22]. Điều khiển bám mục tiêu bằng cách bám theo tín hiệu nhận được qua video thu được từ vật thể bay được báo cáo tại hội nghị AIM2011, Budapest, Hungary, năm 2011. Nghiên cứu này sử dụng tín hiệu nhận được qua video để bám theo mục tiêu [23]. Nghiên cứu về công nghệ điều khiển robot dựa trên việc quan sát đối tượng trong không gian được báo cáo tại hội nghị quang điện tử và điện tử quốc tế năm 2011 (ICEOE2011). Bài nghiên cứu này sử dụng cánh tay rô bốt 6 bậc tự do điều khiển từ xa kết hợp với phương pháp điều khiển linh hoạt để bám theo mục tiêu trong không gian 3 chiều [24]. Cách tiếp cận mới về việc điều khiển bám mục tiêu di động bằng cánh tay robot và camera sử dụng bộ quan sát phi tuyến được đăng tại tạp chí IEEE/ASME transaction on mechatronics, Vol 2.16, No2, April, 2011. Bài nghiên cứu này giới thiệu phương pháp điều khiển mới để tìm kiếm vật thể chuyển động trong không 7
- gian 3 chiều [25]. Điều khiển ổn định bám mục tiêu di động kết hợp mạng nơ ron cho cánh tay robot được đăng tại tạp chí IEEE transaction neural networks, Vol.17, No4, July, 2006. Bài nghiên cứu sử dụng mạng nơ ron nhận dạng thông số của rô bốt để điều khiển bám theo đối tượng [26]. Rõ ràng cánh tay robot đã được áp dụng rộng rãi do vai trò quan trọng của chúng trong các quá trình tự động hóa với tốc độ và độ chính xác cao. Tuy nhiên, chúng thường bị tác động bởi các nhiễu ngoài, sự bất định của mô hình như sự biến động của tải trọng, tham số v.v. và do đó, trong thực tế không thể diễn giải chính xác mô hình động lực học của cánh tay robot. Do đó, nhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất để giải quyết những vấn đề này. 3. Mục tiêu Mục tiêu chung: Thiết kế và điều khiển hệ cánh tay robot trong giảng dạy đại học và nghiên cứu khoa học. Mục tiêu cụ thể: Thiết kế mô hình hệ thống cánh tay robot. Tìm hiểu và ứng dụng lý thuyết động học kỹ thuật robot để tính toán điều khiển cánh tay robot. Sử dụng các phần mềm Matlab/Simulink, Matlab/GUI, SolidWorks để thiết kế điều khiển cánh tay robot. Điều khiển cánh tay robot tới các điểm đặt thông qua giao diện GUI được thiết kế. 4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 4.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống cánh tay robot, điều khiển cánh tay robot bằng các phương pháp động lực học robot thông qua giao diện Matlab/GUI được thiết kế. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 năm 2020 đến tháng 05 năm 2020 tại các phòng Lab Khoa Điện – Điện tử. 4.2 Quy mô nghiên cứu Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ cánh tay robot. Nghiên cứu chế tạo mô hình thực hệ cánh tay robot. 8
- Nghiên cứu lập trình điều khiển cánh tay robot chạy ổn định, đáp ứng đúng các vị trí điểm đặt mong muốn. 4.3 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu, phân tích các đề tài, các công trình nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước. Tìm hiểu và xây dựng động học thuận tay máy. Tiến hành nghiên cứu chế tạo một mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do. Viết chương trình điều khiển hệ thống thực 9
- PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karal Capek. Theo tiếng Czech thì Robot là người tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại Unimation. Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Mỹ. Đến năm 1990, có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của Robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học Tổng hợp Stanford, người ta đã chế tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… Ba nguyên tắc cơ bản trong ngành nghiên cứu về Robotics: 1. Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. 2. Hoạt động của robot phải tuân thủ theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy tắt này không dược vi phạm nguyên tắc thứ nhất. 10
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Quy định hình thức trình bày đề cương chi tiết đề tài nghiên cứu khoa học và báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học
10 p | 5316 | 985
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Động cơ học tập của sinh viên năm thứ nhất trường Đại học Khoa học Xã hội và Nhân văn
60 p | 2194 | 545
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang
63 p | 1814 | 382
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Tính hiệu quả của chính sách tiền tệ Việt Nam( Giai đoạn 2000 – 2013)
111 p | 924 | 353
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Tìm hiểu về lễ hội du lịch, nghiên cứu điển hình lễ hội Hoa phượng đỏ Hải Phòng
102 p | 1944 | 221
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Hiệu quả cho vay tiêu dùng cá nhân tại Ngân hàng TMCP Á Châu (ABC) – chi nhánh Sài Gòn – Thực trạng và giải pháp
117 p | 674 | 182
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Phát triển sự đo lường tài sản thương hiệu trong thị trường dịch vụ
81 p | 704 | 148
-
Thuyết minh đề tài Nghiên cứu Khoa học và Phát triển Công nghệ
30 p | 519 | 74
-
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu xây dựng sản phẩm du lịch Đà Nẵng từ tài nguyên văn hóa
27 p | 395 | 60
-
Báo cáo Đề tài nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu phân tích và đánh giá các dữ liệu môi trường sử dụng phương pháp phân tích thống kê
22 p | 370 | 51
-
Đề tài nghiên cứu khoa học Bài toán tối ưu có tham số và ứng dụng
24 p | 331 | 44
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Thực trạng và giải pháp về việc giết mổ gia súc gia cầm thủ công tự phát trên địa bàn thành phố Thủ Dầu một hiện nay
22 p | 236 | 38
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Bài giảng điện tử môn “Lý thuyết galois” theo hướng tích cực hóa nhận thức người học
53 p | 295 | 36
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Bài giảng điện tử môn "Lý thuyết Galoa" theo hướng tích cực hóa nhận thức người học
115 p | 158 | 29
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Một số giải pháp phát triển hoạt động thanh toán quốc tế tại ngân hàng Nông nghiệp và phát triển nông thôn chi nhánh Biên Hòa
100 p | 276 | 27
-
Đề tài khoa học: Nghiên cứu ứng dụng tin học để quản lý kết quả các đề tài nghiên cứu khoa học
14 p | 167 | 11
-
Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Dự báo hiện tượng xói lở - bồi tụ bờ biển, cửa sông và các giải pháp phòng tránh
0 p | 134 | 7
-
Đề tài nghiên cứu khoa học: Tìm hiểu các hệ chi đo trong phòng thí nghiệm xử lý hạt nhân
90 p | 87 | 6
Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn