Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cánh tay máy từ xa sử dụng mô đun đo lường quán tính

GIỚI THIỆU 1.1. Giới thiệu chung

• Cấu trúc trình bày
• Không gian làm việc của robot

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. 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. 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.

Phần robot gồm sáu động động cơ Servo để điều khiển các khâu của robot, driver PCA9685 kết nối với động cơ để điều khiển góc quay, board điều khiển ESP32 cho phép kết nối và xử lý tín hiệu điều khiển được gửi từ một máy tính nhúng Raspberry pi 3 qua cổng Serial đến driver và nguồn điện cung cấp năng lượng cho các khối có thể hoạt động. Phần thiết bị điều khiển gồm có board điều khiển ESP32 có chức năng đọc và xử lý dữ liệu được gửi đến từ cảm biến IMU BNO055, sau đó gửi đến máy tính nhúng Raspberry thông qua giao thức MQTT để có thể điều khiển robot, cuối cùng là một viên pin cung cấp năng lượng để hoạt động. Mặc dù không thể hoàn toàn thay thế máy tính để bàn hoặc máy tính xách tay, Raspberry Pi được xem là một thiết bị đa năng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích, bao gồm các hệ thống điện tử, thiết lập hệ thống máy tính, các dự án DIY,.

Để giải bài toán động học ngược, ta bắt đầu từ hệ phương trình động học thuận, trong đó chứa các thành phần liên quan đến hướng và vị trí, được biểu diễn trong ma trận 𝐻60 trong phương trình (3.3), cùng với các thông số động học của robot đã được xác định trước. Với phương pháp giải tích có ưu điểm là mang lại kết quả tính toán nhanh nhưng sẽ rất khó khăn khi giải bài toán động học ngược trong trường hợp robot có nhiều khâu thao tác, kèm theo không đảm bảo tính tổng quát cho mọi loại robot. Với mong muốn chế tạo bộ điều khiển có thể áp dụng cho nhiều loại tay máy khác nhau mà không phải mất thời gian tính toán các thông số mỗi khi cấu hình tay máy thay đổi, trong đề tài này tác giả sẽ chọn phương pháp số để tiến hành giải bài toán động học ngược.

Nhưng điều này vẫn tồn tại hạn chế do 3 phương trình đầu của (3.6) trả về kết quả là thông số từ một ma trận xoay, khiến cho quá trình lặp khi tính ma trận Jacobian cần một khoảng tăng nhỏ hơn để có thể hội tụ, làm cho tốn nhiều vòng lặp hơn, do đó thời gian giải động học ngược cũng tăng lên. Trong đồ án này tác giả đề xuất một ma trận Jacobian mới giúp cải thiện điều trên. Như vậy sẽ giúp cho quá trình. Copies for internal use only in Phenikaa University. tính toán hội tụ nhanh hơn, do đó tốn ít thời gian hơn để giải. Ta có mối quan hệ giữa biến khớp và tọa độ của khâu tác động cuối như sau:. finish) có giá trị góc khớp 𝑞𝑓 với biên độ di chuyển cực nhỏ, góc quay của khớp cách nhau ∆𝑞. Do sau khi lấy tích phân, dữ liệu về vận tốc vẫn bị trôi theo thời gian do sự cộng dồn sai lệch nên ta sử dụng một bộ lọc High-pass Filter (HPF) để loại bỏ đi những giá trị trôi này vì chúng là những tín hiệu có tần số thấp. Chương trình trên ESP32 trong cụm điều khiển cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chính là nhận tín hiệu điều khiển từ Raspberry pi bao gồm sáu góc quay của từng động cơ và điều khiển Robot sao cho đạt được trạng thái đặt của tín hiệu điều khiển.

Trong đó 𝑞𝑖 là góc quay hiện tại của động cơ, 𝑞𝑓 là góc quay kết thúc phụ thuộc vào kết quả từ việc giải bài toán động học nghịch, còn khoảng thời gian di chuyển 𝑡 phụ thuộc vào thời gian tính toán động học nghịch của máy tính nhúng Raspberry. Theo như kết quả được thể hiện trên đồ thị, ta thấy thuật toán hoạt động tốt khi cho ra kết quả vận tốc có dạng parabol và tại các điểm khởi động, giá trị của gia tốc góc không bị tăng vọt lên quá lớn và nhanh chóng ổn định sau khoảng thời gian rất ngắn. Với các giá trị nhập vào là các góc quay của Robot kết hợp với bài toán động học, ta có thể thiết kế cho Robot di chuyển theo như mong muốn như trong hình 6.2 với đường nét liền màu xanh là đường tham chiếu, đường nét đứt màu đỏ là đường đi của khâu tác động cuối của robot (xem trong Phụ lục G).

- Bên cạnh đó, đề tài cũng đã giúp cho tác giả củng cố các kiến thức, hiểu biết và vận dụng một số phương pháp, phần mềm kỹ thuật, như quy trình chế tạo sản phẩm điện tử, lập trình vi điều khiển, in 3D… thông qua thu thập, phân tích, tổng hợp, đánh giá các tài liệu tham khảo về chủ đề nghiên cứu và các linh kiện, thiết bị đã được sử dụng. - Mô đun đo lường quán tính đang sử dụng có chất lượng chưa cao, gây ra sai số không đáng có, thêm vào đó việc thiết kế bộ lọc là chưa tốt, chưa thể xử lý được nhiều do độ rung của tay người khi điều khiển và vẫn bị sai lệch khii điều khiển trong thời gian dài.