Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, ngành công nghiệp robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y tế, quốc phòng, và sản xuất công nghiệp. Theo ước tính, các robot bốn chân có khả năng di chuyển linh hoạt đang trở thành xu hướng nổi bật nhờ khả năng vận hành hiệu quả trên địa hình phức tạp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng loại robot này còn hạn chế do tính phức tạp trong thiết kế và điều khiển. Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển bộ điều khiển thông minh cho robot bốn chân nhằm nâng cao khả năng di chuyển linh hoạt, đáp ứng yêu cầu tự hành trên địa hình đa dạng. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm bộ điều khiển trên mô hình robot bốn chân tại thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2021. Mục tiêu chính là tối ưu hóa bộ điều khiển dựa trên nền tảng PID truyền thống, cải thiện tốc độ xử lý và giảm thiểu sai số trong quá trình vận hành. Nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển robot mà còn có ý nghĩa quan trọng trong phát triển công nghệ tự động hóa, hỗ trợ các ứng dụng trong giáo dục, kinh tế, an ninh và quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tự động và mô hình động học robot. Lý thuyết điều khiển tự động cung cấp các khái niệm cơ bản về hệ thống điều khiển, bao gồm các phần tử như bộ điều khiển, cơ cấu đo lường và hồi tiếp, cùng các loại hệ thống điều khiển như hệ tuyến tính, phi tuyến, hệ điều khiển trực tiếp và không trực tiếp. Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) được sử dụng làm cơ sở để phát triển bộ điều khiển thông minh mới, với các thông số tỉ lệ, tích phân và vi phân nhằm giảm thiểu sai số và tăng tốc độ đáp ứng. Mô hình động học robot được xây dựng dựa trên bảng Denavit-Hartenberg (DH) để xác định vị trí và hướng chuyển động của từng khớp chân robot, bao gồm động học thuận và động học nghịch. Phương trình động lực học Lagrangian được áp dụng để mô phỏng chuyển động và lực tác động lên robot, giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Dữ liệu thu thập từ mô hình robot bốn chân được thiết kế và gia công bằng công nghệ CNC, in 3D và cắt laze với vật liệu nhôm và tôn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm một mô hình robot một chân và mô hình robot bốn chân squad được thử nghiệm trong môi trường mô phỏng Matlab/Simulink. Phương pháp chọn mẫu là mô hình robot do nhóm tự thiết kế và chế tạo, phù hợp với mục tiêu kiểm nghiệm bộ điều khiển. Phân tích dữ liệu sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh dựa trên bộ điều khiển PID nâng cao, với hệ số học tự động K0 điều chỉnh liên tục theo sai số e. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, với các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, thử nghiệm và đánh giá kết quả. Việc mô phỏng giúp khắc phục hạn chế do dịch bệnh, không thể thực hiện thử nghiệm trực tiếp tại phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả bộ điều khiển thông minh trên mô hình một chân robot: Kết quả mô phỏng cho thấy sai số phương X dao động trong khoảng [-0.8; 1] cm, phương Y gần như bằng 0 cm, và phương Z trong khoảng [-0.7; 1] cm khi robot thực hiện động tác squat. Sai số này thấp hơn đáng kể so với bộ điều khiển PID truyền thống, chứng tỏ khả năng giảm thiểu sai số xác lập.

  2. Khả năng điều khiển vẽ elip trên không theo phương X: Sai số xác lập được ghi nhận là khoảng -1.9 cm ở phương X, 0 cm ở phương Y và -1.6 cm ở phương Z, cho thấy bộ điều khiển thông minh duy trì độ chính xác cao trong các chuyển động phức tạp.

  3. Tốc độ đáp ứng và bám sát tín hiệu đặt: Bộ điều khiển thông minh thể hiện tốc độ xử lý nhanh hơn, với khả năng cập nhật tín hiệu liên tục theo thời gian lấy mẫu 0.01 giây, giúp robot phản ứng kịp thời với các thay đổi vị trí mong muốn.

  4. Phạm vi hoạt động rộng: Bộ điều khiển có thể hoạt động hiệu quả ở nhiều tần số khác nhau, mở rộng vùng làm việc so với bộ điều khiển PID truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do bộ điều khiển thông minh tích hợp hệ số học tự động K0, điều chỉnh linh hoạt các thông số Kp, Ki, Kd dựa trên sai số hiện tại, giúp giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định. So với các nghiên cứu trước đây về robot bốn chân tại Việt Nam, kết quả này đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc ứng dụng bộ điều khiển tối ưu cho robot tự hành. Việc mô phỏng chi tiết các góc khớp và sai số qua biểu đồ giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của bộ điều khiển, đồng thời cung cấp cơ sở để tiếp tục hoàn thiện phần cứng và thuật toán. Kết quả cũng phù hợp với các mô hình robot bốn chân nổi tiếng trên thế giới như Spot của Boston Dynamics và Cheetah của MIT, tuy nhiên vẫn còn hạn chế về tính năng và phạm vi ứng dụng do điều kiện vật liệu và thiết kế cơ khí.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phát triển bộ điều khiển thông minh: Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển với hệ số học tự động, nhằm giảm thiểu thời gian chọn hệ số và tăng độ chính xác, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu và các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

  2. Mở rộng thử nghiệm trên mô hình robot thực tế: Áp dụng bộ điều khiển thông minh lên mô hình robot bốn chân hoàn chỉnh, tiến hành thử nghiệm thực tế trên địa hình phức tạp để đánh giá hiệu quả vận hành, dự kiến trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu robot và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Phát triển phần cứng đồng bộ: Cải tiến cơ cấu truyền động, sử dụng động cơ và cảm biến encoder có độ chính xác cao hơn, nhằm nâng cao độ bền và khả năng chịu tải của robot. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do nhóm kỹ thuật và đối tác sản xuất đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo về bộ điều khiển thông minh và thiết kế robot cho sinh viên và kỹ sư, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết để phổ biến rộng rãi trong ngành công nghiệp tự động hóa. Thời gian triển khai trong 6 tháng, do trường đại học và các tổ chức đào tạo thực hiện.

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 chuyên sâu về bộ điều khiển PID và bộ điều khiển thông minh, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến robot và tự động hóa.

  2. Kỹ sư và nhà thiết kế robot: Tài liệu chi tiết về thiết kế cơ khí, động học và thuật toán điều khiển giúp kỹ sư nâng cao kỹ năng thiết kế và tối ưu hóa hệ thống robot bốn chân.

  3. Doanh nghiệp công nghệ và sản xuất robot: Các công ty có nhu cầu phát triển robot tự hành có thể áp dụng bộ điều khiển thông minh để cải thiện hiệu suất sản phẩm, giảm chi phí vận hành và tăng tính cạnh tranh.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa: Luận văn là nguồn tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các dự án ứng dụng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển thông minh khác gì so với bộ điều khiển PID truyền thống?
    Bộ điều khiển thông minh bổ sung hệ số học tự động K0, giúp điều chỉnh linh hoạt các thông số Kp, Ki, Kd dựa trên sai số hiện tại, từ đó giảm thiểu sai số và tăng tốc độ đáp ứng so với PID truyền thống.

  2. Phương pháp mô phỏng được sử dụng trong nghiên cứu là gì?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng chuyển động và điều khiển robot, giúp kiểm tra hiệu quả bộ điều khiển trong điều kiện không thể thực hiện thử nghiệm thực tế do dịch bệnh.

  3. Sai số điều khiển robot bốn chân đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Sai số xác lập trong các thử nghiệm mô phỏng dao động trong khoảng từ -1.9 cm đến 1 cm tùy theo phương di chuyển, thấp hơn đáng kể so với các bộ điều khiển truyền thống.

  4. Phạm vi ứng dụng của bộ điều khiển này là gì?
    Bộ điều khiển thích hợp cho các robot bốn chân tự hành trên địa hình phức tạp, có thể mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như cứu hộ, khảo sát địa hình và công nghiệp tự động hóa.

  5. Những hạn chế hiện tại của nghiên cứu là gì?
    Do điều kiện dịch bệnh, nhóm chưa thể thực hiện thử nghiệm trực tiếp trên mô hình robot hoàn chỉnh, đồng thời phần cứng còn hạn chế về tính năng và độ bền so với các robot quốc tế.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công bộ điều khiển thông minh dựa trên nền tảng PID với hệ số học tự động, cải thiện đáng kể độ chính xác và tốc độ đáp ứng.
  • Mô phỏng trên mô hình robot một chân và robot bốn chân squad cho thấy sai số điều khiển được giảm thiểu trong phạm vi dưới 2 cm.
  • Phương pháp điều khiển trực tiếp không cần giải động học nghịch giúp tiết kiệm thời gian tính toán và đơn giản hóa thuật toán.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao kiến thức và kỹ năng thiết kế bộ điều khiển cho robot tự hành tại Việt Nam, mở ra hướng phát triển mới cho ngành robot.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện thuật toán, mở rộng thử nghiệm thực tế và phát triển phần cứng đồng bộ trong các giai đoạn tiếp theo nhằm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và nghiên cứu.

Hãy liên hệ với nhóm nghiên cứu để nhận bản đầy đủ luận văn và tham gia các khóa đào tạo chuyên sâu về bộ điều khiển robot bốn chân.