Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, robot ngày càng trở nên đa dạng và thông minh hơn, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, giáo dục, giải trí và quốc phòng. Theo dữ liệu của Liên đoàn Robot Quốc tế, năm 2015 có khoảng 66 robot trên 10.000 người lao động trong ngành công nghiệp sản xuất, tăng lên 77 robot vào năm 2017, cho thấy xu hướng ứng dụng robot ngày càng gia tăng. Tại Việt Nam, thị trường robot công nghiệp cũng đang phát triển nhanh chóng với nhiều nhà máy sử dụng robot trong dây chuyền sản xuất, đặc biệt trong các khu công nghiệp thông minh.

Tuy nhiên, việc điều khiển robot trong môi trường phức tạp, đặc biệt là robot có nhiều bậc tự do hoạt động trong không gian hẹp và có nhiều vật cản, vẫn còn nhiều thách thức. Đề tài nghiên cứu này tập trung phát triển bộ điều khiển chính xác cho robot 3 bậc tự do sử dụng hướng tiếp cận phi tuyến thông minh nhằm giảm thiểu sai số và tăng tính linh hoạt trong vận hành. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình toán học, mô phỏng và áp dụng thuật toán điều khiển thông minh cho robot, từ đó nâng cao độ chính xác và độ bền vững của hệ thống trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào robot 3 bậc tự do với mô hình mô phỏng và bộ điều khiển phi tuyến thông minh, thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng robot trong các môi trường làm việc chật hẹp, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro va chạm, đồng thời đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghệ điều khiển và tự động hóa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Đây là nền tảng để thiết kế bộ điều khiển, bao gồm các nguyên tắc điều khiển phản hồi, điều khiển bù nhiễu, điều khiển san bằng sai lệch và điều khiển phối hợp. Lý thuyết này giúp tăng độ chính xác, tính bền vững và hiệu quả kinh tế của hệ thống điều khiển.

  • Lý thuyết điều khiển thông minh: Phương pháp điều khiển mô phỏng trí thông minh con người, có khả năng học, thích nghi, suy luận và tối ưu hóa trong môi trường không chắc chắn. Hệ thống điều khiển thông minh được phân cấp từ mức bù sai số đến mức hoạch định và tự cải thiện chức năng điều khiển.

  • Lý thuyết robot và động học: Bao gồm phân tích động học thuận và nghịch, động lực học Euler-Lagrange, thiết kế quỹ đạo chuyển động và các thuật toán điều khiển vận tốc. Các khái niệm chính gồm số bậc tự do, ma trận Jacobian, sai số vị trí điểm đầu cuối, và giới hạn vận động của các khớp.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng gồm: bậc tự do (DOF), động học thuận và nghịch, ma trận Jacobian, thuật toán gradient descent, bộ điều khiển PI, hàm ràng buộc phi tuyến, và thuật toán điều khiển phi tuyến thông minh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học và mô phỏng robot 3 bậc tự do, kết hợp với thử nghiệm thực tế trên mô hình vật lý. Cỡ mẫu nghiên cứu là một robot 3 bậc tự do với các thông số kỹ thuật cụ thể: chiều dài các khớp lần lượt là 0,171 m, 0,191 m và 0,153 m.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng chi tiết các trường hợp vận hành khác nhau, bao gồm điều kiện bình thường, ràng buộc các khớp với tham số cố định và tham số biến đổi phi tuyến, cũng như mô phỏng có nhiễu tín hiệu phản hồi. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán động học, mô phỏng quỹ đạo và kiểm chứng độ chính xác của bộ điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn xây dựng mô hình toán học (4 tháng), phát triển bộ điều khiển và mô phỏng (4 tháng), thử nghiệm và phân tích kết quả (3 tháng), và tổng kết, viết báo cáo (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác điều khiển cao với thuật toán phi tuyến thông minh: Sai số vị trí điểm đầu cuối của robot giảm từ khoảng 0,3 rad khi sử dụng tham số ràng buộc cố định xuống còn khoảng 0,1 rad khi áp dụng tham số ràng buộc biến đổi phi tuyến. Điều này chứng minh hiệu quả của thuật toán trong việc giảm sai số và duy trì hoạt động ổn định.

  2. Khả năng thích nghi với nhiễu tín hiệu: Khi thêm tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên với biên độ khoảng 0,1 rad vào phản hồi khớp 1, robot vẫn duy trì quỹ đạo chuyển động chính xác, thể hiện tính dự phòng và linh hoạt của bộ điều khiển trong môi trường có nhiễu.

  3. Phản hồi nhanh và ổn định: Thời gian phản hồi của hệ thống chỉ khoảng 1 giây sau khi khởi động, cho thấy bộ điều khiển có khả năng đáp ứng nhanh với các thay đổi trạng thái và điều kiện vận hành.

  4. Khả năng vận hành trong không gian giới hạn: Thuật toán điều khiển thông minh giúp robot hoạt động trong vùng an toàn, không vượt quá giới hạn vận động của các khớp, nhờ vào việc điều chỉnh vận tốc khớp giảm dần khi tiếp cận giới hạn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm thực tế cho thấy bộ điều khiển phi tuyến thông minh có khả năng cải thiện đáng kể độ chính xác và tính ổn định của robot 3 bậc tự do so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Việc sử dụng tham số ràng buộc biến đổi phi tuyến giúp giảm sai số cộng dồn và tránh hiện tượng vượt giới hạn vận động, điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về điều khiển robot trong môi trường phức tạp.

Khả năng thích nghi với nhiễu tín hiệu phản hồi là điểm mạnh của hệ thống, cho phép robot duy trì hoạt động chính xác ngay cả khi có sự cố hoặc nhiễu trong cảm biến. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong các ứng dụng thực tế, nơi môi trường làm việc thường không ổn định và có nhiều yếu tố gây nhiễu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh sai số vị trí điểm đầu cuối giữa các trường hợp tham số ràng buộc cố định và biến đổi, cũng như biểu đồ tín hiệu phản hồi khớp trong điều kiện nhiễu. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả sai số cũng giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của bộ điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển phi tuyến thông minh cho các robot công nghiệp có nhiều bậc tự do nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng vận hành trong môi trường phức tạp, với mục tiêu giảm sai số vị trí điểm đầu cuối xuống dưới 0,1 rad trong vòng 12 tháng, do các doanh nghiệp sản xuất robot thực hiện.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và kiểm thử thuật toán điều khiển tích hợp trong môi trường MATLAB hoặc tương tự, giúp các kỹ sư và sinh viên dễ dàng áp dụng và tùy chỉnh thuật toán, hoàn thành trong 6 tháng, do các trung tâm nghiên cứu và đào tạo đảm nhiệm.

  3. Nâng cao khả năng chống nhiễu và dự phòng cho hệ thống điều khiển bằng cách tích hợp các bộ lọc tín hiệu và thuật toán thích nghi nâng cao, nhằm duy trì độ chính xác trong môi trường có nhiều nhiễu, thực hiện trong 9 tháng, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển thông minh thực hiện.

  4. Mở rộng ứng dụng bộ điều khiển cho các cánh tay robot trong lĩnh vực y tế, quốc phòng và tự động hóa nhà máy thông minh, nhằm tăng tính linh hoạt và an toàn trong vận hành, với kế hoạch triển khai thử nghiệm trong 18 tháng, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và ứng dụng thực tiễn về điều khiển robot phi tuyến thông minh, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư phát triển robot và tự động hóa trong các doanh nghiệp công nghiệp: Tài liệu giúp hiểu rõ các thuật toán điều khiển tiên tiến, từ đó áp dụng để nâng cao hiệu suất và độ chính xác của robot trong sản xuất.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động và robot: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả thực nghiệm để tham khảo, phát triển các đề tài nghiên cứu mới.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành công nghiệp công nghệ cao: Hiểu rõ tiềm năng và ứng dụng của robot thông minh trong phát triển công nghiệp, từ đó xây dựng chiến lược đầu tư và phát triển phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển phi tuyến thông minh có ưu điểm gì so với điều khiển tuyến tính?
    Bộ điều khiển phi tuyến thông minh có khả năng xử lý các đặc tính phi tuyến thực tế của robot, giảm sai số và tăng tính ổn định trong môi trường phức tạp, trong khi điều khiển tuyến tính chỉ phù hợp với mô hình lý tưởng và giới hạn trong vùng hoạt động nhỏ.

  2. Làm thế nào để đảm bảo robot không vượt quá giới hạn vận động của các khớp?
    Thuật toán điều khiển sử dụng hàm ràng buộc phi tuyến với tham số tự điều chỉnh giúp giảm vận tốc khi các khớp tiếp cận giới hạn, giữ robot hoạt động trong vùng an toàn và tránh va chạm cơ học.

  3. Robot có thể hoạt động chính xác khi có nhiễu tín hiệu không?
    Kết quả mô phỏng cho thấy robot vẫn duy trì quỹ đạo chính xác với sai số nhỏ khi có nhiễu tín hiệu phản hồi, nhờ khả năng dự phòng và điều chỉnh linh hoạt của bộ điều khiển thông minh.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng bộ điều khiển?
    Phần mềm MATLAB được sử dụng để xây dựng mô hình toán học, mô phỏng quỹ đạo và kiểm chứng độ chính xác của bộ điều khiển, giúp phân tích chi tiết và trực quan kết quả.

  5. Ứng dụng thực tế của bộ điều khiển này là gì?
    Bộ điều khiển có thể áp dụng cho các cánh tay robot trong công nghiệp, y tế, quốc phòng, đặc biệt trong các môi trường làm việc chật hẹp, nhiều vật cản, giúp tăng độ chính xác và giảm thiểu rủi ro va chạm.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công bộ điều khiển phi tuyến thông minh cho robot 3 bậc tự do, giảm sai số vị trí điểm đầu cuối xuống khoảng 0,1 rad.
  • Thuật toán điều khiển có khả năng thích nghi với nhiễu tín hiệu và duy trì hoạt động ổn định trong môi trường phức tạp.
  • Mô hình toán học và phương pháp mô phỏng được xây dựng chi tiết, hỗ trợ kiểm chứng và ứng dụng thực tế.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền vững của robot trong các ứng dụng công nghiệp và dịch vụ.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng ứng dụng, nâng cao khả năng chống nhiễu và phát triển phần mềm hỗ trợ.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thử nghiệm thực tế trên các hệ thống robot phức tạp hơn và tích hợp các công nghệ điều khiển thông minh nâng cao. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác ứng dụng và phát triển công nghệ này nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp robot tại Việt Nam.