Đang tạo bản xem trước...
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI --------------- NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐẠI SỐ GIA TỬ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO KẾT HỢP THỊ GIÁC MÁY TÍNH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Hà Nội -2026
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI --------------- NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐẠI SỐ GIA TỬ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO KẾT HỢP THỊ GIÁC MÁY TÍNH Ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã ngành: 8520114 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN T.S. BÙI THANH LÂM Hà Nội -2026
i LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Quý Thầy Cô Khoa Cơ điện tử – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, những người đã tận tâm giảng dạy và giúp tôi tiếp thu hệ thống kiến thức cơ sở cần thiết nền tảng kiến thức vững chắc trong toàn bộ thời gian học tập và thực hiện đề tài tại trường. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến Thầy TS. Bùi Thanh Lâm, giảng viên hướng dẫn, người đã dành nhiều thời gian, công sức để định hướng nghiên cứu, hỗ trợ chuyên môn và giúp tôi vượt qua những trở ngại trong quá trình thực hiện luận văn. Sự tận tụy và trách nhiệm của Thầy/Cô là nguồn động lực lớn để tôi hoàn thành đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Quý Thầy Cô trong Hội đồng Khoa học, cùng các anh chị phòng thí nghiệm, bạn bè và các anh chị và bạn bè đã hỗ trợ tôi trong quá trình thí nghiệm và thu thập dữ liệu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình – những người luôn là điểm tựa tinh thần, luôn động viên và khích lệ tôi trong suốt chặng đường học tập và hoàn thành nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2026
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi trân trọng khẳng định rằng luận văn với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng thuật toán đại số gia tử điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự do kết hợp thị giác máy tính” là sản phẩm học thuật cứu do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn chuyên môn từ Thầy TS. Bùi Thanh Lâm. Mọi các dữ liệu và thành quả nghiên cứu và nội dung được trình bày trong luận văn đều phản ánh đúng quá trình thực hiện, được thu thập từ các nguồn có độ tin cậy và được trích dẫn đầy đủ theo quy định. Luận văn không sao chép hay sử dụng nội dung từ bất kỳ công trình nào khác. Trong trường hợp phát hiện có sự trùng lặp hoặc gian lận, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm theo các quy định hiện hành của nhà trường và pháp luật. Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng chấm luận văn về tính trung thực và sự nguyên bản của toàn bộ nội dung được trình bày trong nghiên cứu này. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2026
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................ii MỤC LỤC...........................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH.............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG ...........................................................................................ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................x CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU...................................................................................1 1.1 Mở đầu........................................................................................................1 1.2 Tính cấp thiết của đề tài..............................................................................3 1.3 Khoảng trống nghiên cứu ...........................................................................5 1.4 Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................6 1.5 Đối tượng – phạm vi – giới hạn nghiên cứu...............................................7 1.6 Phương pháp thực hiện...............................................................................8 1.7 Kết luận chương 1 ......................................................................................9 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................11 2.1 Cấu tạo và các thành phần của robot........................................................11 2.2 Động học, động lực học của robot tay máy 4 bậc tự do...........................13 2.2.1 Động học thuận: ................................................................................13 2.2.2 Động học nghịch................................................................................15 2.2.3 Động lực học .....................................................................................16 2.3 Thuật toán IPQ-RRT*connect lập kế hoạch chuyển động......................19 2.3.1. Lập kế hoạch chuyển động dựa trên lấy mẫu...................................20
iv 2.3.2 Tìm kiếm hai chiều dẫn hướng bởi hàng đợi ưu tiên ........................24 2.3.3 Làm mượt quỹ đạo và tham số hoá thời gian....................................29 2.4 Thuật toán điều khiển ...............................................................................31 2.4.1 Phân tích tính ổn định .....................................................................32 2.4.2 Tóm lược lý thuyết Đại số Gia tử (Hedge Algebras – HA)..............34 2.5 Hệ thống xử lý ảnh ...................................................................................36 2.6 kết luận chương 2 .....................................................................................38 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................40 3.2 Thiết kế môi trường mô phỏng robot .......................................................40 3.3 Xây dựng thuật toán quy hoạch đường đi IPQ-RRT*Connect ................42 3.4 Thiết kế bộ điều khiển HAC.....................................................................46 3.5 Thiết kế hệ thống thị giác máy tính YOLO..............................................50 3.6 Kết luận Chương 3....................................................................................52 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM..............................................54 4.1 Xây dựng hệ thống ...................................................................................54 4.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống .............................................................55 4.2.1 Kết quả xử lý ảnh bằng Yolo v11......................................................55 4.2.2 Kết quả mô phỏng .............................................................................60 4.2.3 Kết quả thực nghiệm .........................................................................65 4.3 Kết luận chương 4 ....................................................................................74 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................75 5.1 Kết luận.....................................................................................................75
v 5.2 Định hướng phát triển...............................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................78 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ..........................................81 PHỤ LỤC ...........................................................................................................83
vi DANH MỤC HÌNH Hình 2. 1: Khớp quay và khớp tịnh tiến...................................................................11 Hình 2. 2: Các hệ tọa độ trong robot........................................................................12 Hình 2. 3: Vùng hoạt động của robot.......................................................................12 Hình 2. 4: Cấu trúc động học của robot 4 DOF .......................................................13 Hình 2. 5: Lập kế hoạch đường đi dựa trên mẫu với (a) RRT và (b) Bi-RRT.........21 Hình 2. 6: Lấy mẫu phân bố (a) d-hình tròn đơn vị và (b) tập con có thông tin......24 Hình 2. 7: Đường cong Bézier .................................................................................29 Hình 2. 8: Sơ đồ khối của bộ điều khiển dựa trên Đại số Gia tử.............................34 Hình 2. 9: Thuật toán xử lý ảnh Yolo ......................................................................38 Hình 3. 1: Cấu trúc mô hình robot tay máy 4 bậc tự do trong CoppeliaSim...........40 Hình 3. 2: Mô hình robot hiển thị trong môi trường mô phỏng...............................41 Hình 3. 3: Giao diện điều khiển robot tự động ........................................................41 Hình 3. 4: Lập kế hoạch đường đi sử dụng (a) RRT-Connect, (b) PQ-RRT*, và (c) thuật toán IPQ-RRT*Connect..................................................................................43 Hình 3. 5: Thuật toán IPQ-RRT Connect đề xuất trong không gian 3D .................45 Hình 3. 6: Bước chuẩn hóa các biến trạng thái........................................................47 Hình 3. 7: Bước giải chuẩn hóa các biến .................................................................48 Hình 3. 8: Bề mặt 3D của cơ sở luật HA .................................................................49 Hình 3. 9: Đánh nhãn vật thể ...................................................................................51 Hình 4. 1: Mô hình hệ thống cơ khí robot hoàn chỉnh.............................................55 Hình 4. 2:Kết quả nhận dạng đối tượng...................................................................56 Hình 4. 3: Ma trận nhầm lẫn ....................................................................................57 Hình 4. 4: Biểu đồ đường cong F1-Confidence.......................................................58 Hình 4. 5: Biểu đồ đường cong Precision – Confidence..........................................58
vii Hình 4. 6:Biểu đồ đường cong Precision-Recall .....................................................59 Hình 4. 7:Biểu đồ đường con Recall – Confidence .................................................59 Hình 4. 8: Kết quả thuật toán RRT*-Connect trong môi trường mô phỏng............60 Hình 4. 9: Biểu diễn ba đồ thị theo dõi quỹ đạo 3D cho (a) quỹ đạo elip và (b) quỹ đạo hình hoa; đường đi mong muốn và đường đi thực tế từ hai bộ điều khiển tương ứng............................................................................................................................62 Hình 4. 10: Sai số khi bám quỹ đạo elip: (a) theo trục X, (b) theo trục Y và (c) theo trục Z. .......................................................................................................................62 Hình 4. 11: Sai số khi bám quỹ đạo dạng hoa: (a) theo trục X, (b) theo trục Y và (c) theo trục Z. ...............................................................................................................63 Hình 4. 12:Tín hiệu mô-men động cơ tại bốn khớp khi theo các quỹ đạo (a) elip và (b) dạng hoa..............................................................................................................64 Hình 4. 13: Đáp ứng vận tốc của hệ thống trên các quỹ đạo (a) elip và (b) dạng hoa. ..................................................................................................................................64 Hình 4. 14:Biểu đồ cột ba phần so sánh các chỉ số ISE, IAE và ITAE giữa bộ điều khiển FLC và HAC đối với (a) quỹ đạo elip và (b) quỹ đạo dạng hoa....................65 Hình 4. 15: Thiết lập môi trường thực nghiệm........................................................66 Hình 4. 16: Thiết lập môi trường trên phần mềm ....................................................67 Hình 4. 17: Quét map ...............................................................................................68 Hình 4. 18: Tạo lập quỹ đạo.....................................................................................69 Hình 4. 19: Robot di chuyển theo quỹ đạo đã tạo lập trong môi trường mô phỏng 70 Hình 4. 20: Robot tại vị trí ban đầu..........................................................................71 Hình 4. 21: Robot di chuyển theo quỹ đạo đã tạo lập (1 .........................................71 Hình 4. 22:Robot di chuyển theo quỹ đạo đã tạo lập (2).........................................72 Hình 4. 23: Robot tại vị trí đích ...............................................................................72 Hình 4. 24:Sai số bám quỹ đạo trong thí nghiệm khi thực hiện chuyển động theo quỹ đạo elip: (a) trục X, (b) trục Y và (c) trục Z.............................................................73
viii Hình 4. 25: Sai số bám quỹ đạo trong thí nghiệm khi thực hiện quỹ đạo dạng hoa: tương ứng với (a) trục X, (b) trục Y và (c) trục Z....................................................73
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1: Tham số Denavit–Hartenberg tiêu chuẩn của robot tay máy 4 bậc tự do 14 Bảng 2. 2: Đặc trưng so sánh của các thuật toán lập kế hoạch dựa trên lấy mẫu......21 Bảng 3. 1: Phân tích so sánh các thuật toán mô phỏng..............................................44 Bảng 3. 2: Phân tích so sánh các thuật toán lập kế hoạch chuyển động....................45 Bảng 3. 3: Giá trị SQM của các thuật ngữ ngôn ngữ với các độ dài thuật ngữ.........46 Bảng 3. 4: Bảng tham số của các biến .......................................................................47 Bảng 3. 5: Cơ sở luật HAC với các giá trị SQM........................................................49
x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DOF Degree of Freedom Bậc tự do DH Denavit–Hartenberg Phương pháp tham số hóa Denavit– Hartenberg FK Forward Kinematics Động học thuận IK Inverse Kinematics Động học nghịch EE / EEF End-Effector Cơ cấu chấp hành cuối RRT Rapidly-exploring Random Tree Cây mở rộng ngẫu nhiên RRT* Optimal RRT Tối ưu RRT RRT-Connect Rapidly-exploring Random Tree Connect RRT kết nối hai chiều Bi-RRT Bidirectional RRT RRT hai chiều IPQRRT*Connect Improved Priority Queue RRT*- Connect Thuật toán RRT*-Connect cải tiến sử dụng hàng đợi ưu tiên PQ Priority Queue Hàng đợi ưu tiên FMT* Fast Marching Tree Star Thuật toán cây lan truyền nhanh BIT* Batch Informed Trees Thuật toán lập kế hoạch theo lô có thông tin SQM Semantically Quantifying Mapping Ánh xạ lượng hóa ngữ nghĩa HAC Hedge Algebra Controller Bộ điều khiển trên cơ sở Đại số Gia tử PID Proportional–Integral–Derivative Điều khiển tỉ lệ – tích phân – vi phân SIS Semantic Inference System Hệ suy luận ngữ nghĩa CNN Convolutional Neural Network Mạng nơ-ron tích chập YOLO You Only Look Once Mô hình phát hiện đối tượng YOLO 3D Three-Dimensional Ba chiều 2D Two-Dimensional Hai chiều RGB Red – Green – Blue Hệ màu RGB SGBM Semi-Global Block Matching Thuật toán ghép khối bán toàn cục FPS Frame per Second Số khung hình trên giây CAD Computer-Aided Design Thiết kế hỗ trợ máy tính ROS Robot Operating System Hệ điều hành robot ROS2 Robot Operating System 2 Phiên bản ROS 2 API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm GPU Graphics Processing Unit Bộ xử lý đồ họa CoppeliaSim CoppeliaSim Phần mềm mô phỏng robot CoppeliaSim LQR Linear Quadratic Regulator Bộ điều khiển tuyến tính tối ưu RMSE Root Mean Square Error Sai số căn phương trung bình
Hiển thị 12 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!
Bình luận (0)
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!