Tên luận án:
PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LAI CHO ROBOT SONG SONG 3 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG CHO PHẪU THUẬT KHOAN XƯƠNG
Ngành:
Kỹ thuật điện tử (Mã số: 9520203)
Tóm tắt nội dung tài liệu:
Luận án tập trung vào việc phát triển thuật toán điều khiển lai vị trí/lực cho robot song song 3 bậc tự do, ứng dụng cụ thể trong phẫu thuật khoan xương chỉnh hình. Xuất phát từ thực trạng thao tác khoan xương thủ công hiện nay, nghiên cứu đặt mục tiêu xây dựng mô hình toán học robot song song Delta, đề xuất thuật toán điều khiển lai vị trí/lực và chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm chứng.
Về phương pháp, luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết về đặc điểm khoan xương và ứng dụng robot song song, với phương pháp điều khiển lai vị trí/lực. Các mô phỏng động học, động lực học và thuật toán điều khiển được thực hiện trên Matlab/Simulink và ADAMS. Đồng thời, một mô hình robot Delta vật lý được chế tạo để tiến hành thử nghiệm.
Các đóng góp khoa học chính bao gồm việc đề xuất phương pháp tối ưu hóa không gian làm việc của robot Delta dựa trên thuật toán tối ưu PSO, giúp giải quyết bài toán kích thước nhỏ gọn và tối đa hóa không gian làm việc. Luận án cũng phát triển thuật toán PSO để tự động lựa chọn hệ số điều khiển và xây dựng phương pháp tính gần đúng ma trận Jacobi, qua đó giảm độ phức tạp tính toán và nâng cao độ chính xác của hệ thống điều khiển robot.
Về mặt thực tiễn, luận án đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình robot song song Delta, sử dụng các thiết bị thông dụng như STM32F4 Discovery, HX711 và BTS7960, đảm bảo tính kinh tế và độ chính xác cao cho các kết quả thực nghiệm. Hệ thống điều khiển được chứng minh có khả năng giảm độ phức tạp tính toán và tăng độ chính xác. Luận án cũng giải quyết vấn đề đáp ứng thời gian thực thông qua việc sử dụng bộ chuyển đổi AD rời và phương pháp tính xấp xỉ ma trận Jacobi. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra một số hạn chế về độ trễ và tính không ổn định của các nhánh robot, mở ra hướng phát triển tiếp theo.
Mục lục chi tiết:
- MỞ ĐẦU
- 1. Tính cấp thiết của luận án
- 2. Mục tiêu của luận án
- 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
- 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- 5. Những đóng góp của luận án
- 6. Bố cục luận án
- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- 1.1 Đặc điểm thao tác khoan xương trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình
- 1.2 Thực trạng thiết bị khoan xương phẫu thuật chấn thương chỉnh hình trong nước
- 1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng robot hỗ trợ khoan xương trên thế giới
- 1.4 Đặc điểm của robot song song và ứng dụng trong phẫu thuật
- 1.4.1 Robot song song
- 1.4.2 Các nghiên cứu ứng dụng robot song song trong phẫu thuật xương và chỉnh hình
- 1.5 Tổng quan các nghiên cứu điều khiển robot song song
- 1.5.1 Các nghiên cứu điều khiển vị trí robot song song
- 1.5.1.1 Các nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển PID
- 1.5.1.2 Các nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển mô-men tính toán (Computed Torque Control- CTC)
- 1.5.1.3 Các nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển mờ/nơ ron
- 1.5.1.4 Các nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển bền vững
- 1.5.1.5 Các phương pháp điều khiển phức hợp
- 1.5.2 Các nghiên cứu điều khiển lực cho robot
- 1.5.2.1 Các nghiêu cứu điều khiển lực sử dụng điều khiển trở kháng
- 1.5.2.2 Các nghiên cứu điều khiển lực có phản hồi trực tiếp
- 1.5.2.3 Các nghiên cứu điều khiển lực bền vững và thích nghi
- 1.5.2.4 Các nghiên cứu điều khiển lai lực/vị trí
- 1.6 Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu
- CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT SONG SONG DELTA
- 2.1 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của robot song song kiểu Delta
- 2.2 Mô hình toán học
- 2.2.1 Mô hình động học robot song song Delta
- 2.2.1.1 Phương trình động học ngược
- 2.2.1.2 Phương trình động học thuận
- 2.2.2 Xây dựng phương trình động lực học robot song song delta
- 2.2.2.1 Phương trình động lực học robot song song Delta
- 2.2.2.2 Một số kết quả mô phỏng
- 2.3 Đề xuất cấu trúc cơ khí phục vụ điều khiển vị trí/lực
- 2.3.1 Bố trí cảm biến
- 2.3.2 Tối ưu không gian làm việc dựa trên thuật toán PSO
- 2.4.1.1 Thuật toán tối ưu PSO
- 2.4.1.2 Tính toán không gian làm việc của robot song song Delta
- 2.4.1.3 Tối ưu không gian làm việc của robot song song Delta bằng thuật toán PSO
- 2.4 Kết luận chương 2
- CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ/LỰC ROBOT SONG SONG DELTA
- 3.1 Đặt vấn đề
- 3.2 Thiết kế và tối ưu bộ điều khiển lai vị trí/lực cho robot song song Delta
- 3.2.1 Xây dựng và tối ưu mô hình điều khiển vị trí dựa trên thuật toán PSO
- 3.2.2 Xây dựng mô hình điều khiển lực cho robot song song Delta dựa trên ma trận Jacobi cải tiến
- 3.2.3 Xây dựng ma trận hệ số hiệu chỉnh
- 3.2.4 Một số kết quả mô phỏng
- 3.2.4.1 Mô phỏng phân hệ điều khiển bám quỹ đạo
- 3.2.4.2 Mô phỏng phân hệ điều khiển lực
- 3.3 Kết luận chương 3
- CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG 3 BẬC TỰ DO VÀ THỬ NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LAI VỊ TRÍ/LỰC
- 4.1 Đặt vấn đề
- 4.2 Thiết kế chế tạo robot song song Delta
- 4.2.1 Kết cấu cơ khí và các thông số động học
- 4.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển
- 4.2.2.1 Vi điều khiển trung tâm
- 4.2.2.2 Mạch chuyển đổi ADC
- 4.2.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ
- 4.2.2.4 Sơ đồ kết nối điều khiển
- 4.2.3 Nguyên lý hoạt động của robot và vấn đề truyền thông khi đọc dữ liệu, xử lý dữ liệu từ cảm biến
- 4.2.3.1 Nguyên lý hoạt động của robot
- 4.2.3.2 Vấn đề truyền thông và tốc độ xử lý dữ liệu từ cảm biến
- 4.3 Các kết quả thực nghiệm
- 4.3.1 Xây dựng ma trận hiệu chỉnh
- 4.3.2 Thực nghiệm điều khiển bám quỹ đạo
- 4.3.3 Thực nghiệm điều khiển lực
- 4.4 Kết luận chương 4
- KẾT LUẬN