Tổng quan nghiên cứu

Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, y tế và giáo dục nhờ khả năng tự động hóa, làm việc trong môi trường khắc nghiệt và thực hiện các tác vụ nhanh chóng, chính xác. Trong đó, robot song song truyền động bằng cáp (Cable-Driven Parallel Robots - CDPRs) nổi bật với đặc tính quán tính thấp, tốc độ di chuyển nhanh và không gian làm việc lớn, phù hợp cho các ứng dụng như cần cẩu thông minh, lắp ráp cấu trúc lớn và mô phỏng chuyển động máy bay. Tuy nhiên, việc điều khiển các sợi cáp đồng bộ trong CDPRs là thách thức lớn do hiện tượng xung đột giữa các cáp khi điều khiển độc lập, làm giảm chất lượng bám quỹ đạo và hiệu suất hệ thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển đồng bộ nhằm đồng bộ hóa chuyển động các sợi cáp, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển và tránh xung đột. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và triển khai bộ điều khiển đồng bộ chính xác, hiệu quả, ổn định cho robot cáp song song 3 bậc tự do với 4 sợi cáp, áp dụng trong không gian cáp để tăng tốc độ điều khiển và giảm chi phí triển khai. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống robot cáp song song ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học, góp phần nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống tự động hóa hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Mô hình động học và động lực học CDPRs: Mô hình hóa robot 3 bậc tự do với 4 sợi cáp, trong đó chiều dài cáp được điều khiển thông qua các tời kéo. Phương trình động lực học được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange, bao gồm các thành phần quán tính, ma sát nhớt, ma sát Coulomb và lực căng cáp. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác chuyển động và lực tác động trong hệ thống.

  • Không gian cáp (Cable Space - CS) và không gian tác vụ (Task Space - TS): Điều khiển trong không gian cáp dựa trên việc đo chiều dài cáp bằng encoder, giúp tăng tốc độ điều khiển và giảm chi phí so với đo trực tiếp vị trí đế di động trong không gian tác vụ bằng camera hoặc laser.

  • Phương pháp điều khiển đồng bộ: Bao gồm các khái niệm sai số bám, sai số đồng bộ và sai số liên kết giữa các sợi cáp. Bộ điều khiển đồng bộ được thiết kế dựa trên việc bù lực căng mong muốn (SC-DTC) và bù lực căng thực tế (SC-RTC), đảm bảo sai số đồng bộ và sai số bám hội tụ về 0, từ đó đồng bộ hóa chuyển động các sợi cáp, tránh xung đột và nâng cao chất lượng bám quỹ đạo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp mô hình hóa, mô phỏng và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình robot 3 bậc tự do với 4 sợi cáp, thông số vật lý như khối lượng đế di động 500g, mô-men tối đa động cơ 2Nm, hệ số ma sát nhớt và Coulomb được xác định qua đo đạc thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng động lực học và điều khiển đồng bộ trên Matlab/Simulink với chu kỳ lấy mẫu 15ms, sử dụng các thuật toán SC-DTC và SC-RTC để đánh giá hiệu quả điều khiển. So sánh kết quả với bộ điều khiển PD truyền thống về sai số bám và sai số đồng bộ.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 9/2023 với việc xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển, tiếp tục mô phỏng và đánh giá trong tháng 11, cuối cùng thực nghiệm và hoàn thiện luận văn vào tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ điều khiển đồng bộ SC-DTC: Mô phỏng cho thấy SC-DTC giúp robot bám theo quỹ đạo đường xoắn ốc với sai số bám trung bình giảm khoảng 30% so với bộ điều khiển PD. Lực căng cáp luôn duy trì ở mức dương, giảm thiểu hiện tượng xung đột giữa các sợi cáp.

  2. Bộ điều khiển SC-RTC đảm bảo tính thực tiễn: Khi sử dụng lực căng thực tế đo bằng cảm biến, SC-RTC vẫn duy trì sai số đồng bộ và sai số bám hội tụ về 0, với sai số bám giảm khoảng 25% so với PD. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tế cao của SC-RTC.

  3. So sánh sai số đồng bộ và sai số bám: Cả hai phương pháp SC-DTC và SC-RTC đều giảm sai số đồng bộ xuống gần 0 trong thời gian ngắn, trong khi bộ điều khiển PD không thể đồng bộ hóa các sợi cáp hiệu quả, dẫn đến sai số bám lớn hơn 15% trong không gian cáp.

  4. Tăng tốc độ điều khiển và giảm chi phí: Điều khiển trong không gian cáp với bộ điều khiển đồng bộ giúp tăng tốc độ điều khiển lên đến 13 m/s, đồng thời giảm độ phức tạp và chi phí triển khai so với các phương pháp đo trực tiếp vị trí đế di động.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển đồng bộ SC-DTC và SC-RTC vượt trội hơn hẳn so với bộ điều khiển PD truyền thống về khả năng đồng bộ hóa chuyển động các sợi cáp, giảm sai số bám và tránh xung đột. Nguyên nhân chính là do việc tích hợp sai số đồng bộ và sai số liên kết trong luật điều khiển, giúp các sợi cáp phối hợp nhịp nhàng hơn.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung điều khiển độc lập từng cáp, phương pháp đồng bộ hóa này nâng cao đáng kể chất lượng bám quỹ đạo và ổn định hệ thống. Việc triển khai trong không gian cáp cũng giúp tăng tốc độ điều khiển và giảm chi phí phần cứng, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sai số đồng bộ, sai số bám theo thời gian và lực căng cáp trong quá trình di chuyển theo quỹ đạo xoắn ốc, giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện của bộ điều khiển đồng bộ so với phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển đồng bộ SC-RTC trong các hệ thống CDPRs công nghiệp: Đề xuất áp dụng SC-RTC để tận dụng lực căng thực tế đo được, nâng cao độ chính xác và ổn định trong các ứng dụng cần độ tin cậy cao. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật tự động hóa đảm nhiệm.

  2. Phát triển hệ thống cảm biến lực căng chất lượng cao: Để hỗ trợ bộ điều khiển SC-RTC, cần đầu tư nghiên cứu và sản xuất cảm biến lực căng có độ nhạy và độ bền cao, giảm sai số đo lường. Dự kiến hoàn thành trong 1 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển đồng bộ cho các robot đa bậc tự do: Mở rộng nghiên cứu để áp dụng cho các CDPRs có nhiều bậc tự do và số lượng cáp lớn hơn, nhằm nâng cao tính linh hoạt và ứng dụng rộng rãi. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu thực hiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các kỹ sư vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế, vận hành và bảo trì bộ điều khiển đồng bộ CDPRs, giúp nâng cao năng lực nhân lực trong ngành tự động hóa. Thời gian triển khai liên tục, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, điều khiển đồng bộ CDPRs, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu mới và ứng dụng thực tế.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành robot công nghiệp: Tham khảo để áp dụng bộ điều khiển đồng bộ nâng cao hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống robot cáp song song trong sản xuất và lắp ráp.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa: Nắm bắt công nghệ điều khiển tiên tiến giúp cải tiến sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  4. Các trung tâm đào tạo và phát triển công nghệ robot: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu, hỗ trợ đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực robot và tự động hóa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điều khiển đồng bộ trong CDPRs là gì?
    Điều khiển đồng bộ là phương pháp điều khiển các sợi cáp chuyển động phối hợp, giảm sai số đồng bộ và tránh xung đột giữa các cáp, từ đó nâng cao chất lượng bám quỹ đạo của robot.

  2. Tại sao điều khiển trong không gian cáp lại ưu việt hơn không gian tác vụ?
    Điều khiển trong không gian cáp sử dụng đo chiều dài cáp bằng encoder, giúp tăng tốc độ điều khiển lên đến 13 m/s và giảm chi phí so với đo trực tiếp vị trí đế di động bằng camera hoặc laser.

  3. Bộ điều khiển SC-DTC và SC-RTC khác nhau như thế nào?
    SC-DTC sử dụng lực căng mong muốn tính toán từ mô hình động học, trong khi SC-RTC sử dụng lực căng thực tế đo bằng cảm biến, giúp tăng tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tế.

  4. Sai số đồng bộ và sai số bám có ý nghĩa gì trong điều khiển CDPRs?
    Sai số bám là sai số giữa chiều dài cáp mong muốn và thực tế, còn sai số đồng bộ thể hiện sự chênh lệch chuyển động giữa các sợi cáp liền kề. Cả hai đều ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển và cần được giảm thiểu.

  5. Ứng dụng thực tế của CDPRs có điều khiển đồng bộ là gì?
    CDPRs được sử dụng trong cần cẩu thông minh, lắp ráp cấu trúc lớn như tàu thủy, máy bay, và mô phỏng chuyển động máy bay, nơi yêu cầu tốc độ cao, không gian làm việc lớn và độ chính xác cao.

Kết luận

  • Phương pháp điều khiển đồng bộ SC-DTC và SC-RTC hiệu quả trong việc đồng bộ hóa chuyển động các sợi cáp, giảm sai số bám và sai số đồng bộ trong CDPRs.
  • Điều khiển trong không gian cáp giúp tăng tốc độ điều khiển lên đến 13 m/s, giảm chi phí và độ phức tạp so với điều khiển trong không gian tác vụ.
  • Bộ điều khiển SC-RTC sử dụng lực căng thực tế đo bằng cảm biến, phù hợp với ứng dụng thực tế và nâng cao độ chính xác hệ thống.
  • Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính ổn định và hiệu quả của bộ điều khiển đồng bộ trong robot 3 bậc tự do với 4 sợi cáp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng trong công nghiệp, phát triển cảm biến lực căng, tối ưu thuật toán cho robot đa bậc tự do và đào tạo nhân lực chuyên môn.

Tiếp theo, các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp có thể phối hợp để ứng dụng bộ điều khiển đồng bộ trong các hệ thống robot cáp song song thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và phát triển công nghệ tự động hóa hiện đại.