Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của độ võng cáp đến độ chính xác vị trí của CDPR" do nghiên cứu sinh Tưởng Phước Thọ thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, mã số 9520103), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh và PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ, hoàn thành vào tháng 11 năm 2024.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Robot cấu trúc song song truyền động bằng dây cáp (Cable-Driven Parallel Robot – CDPR) sử dụng các dây cáp cuộn nhả bởi hệ thống tời đặt cố định trên khung để điều khiển chuyển động của bệ di động (Moving Platform – MP). Nhờ ưu thế quán tính nhỏ, tỷ lệ tải trọng trên khối lượng cao, không gian vận hành mở rộng linh hoạt và chi phí chế tạo thấp hơn các cơ cấu liên kết cứng như bệ Stewart hay robot Delta, CDPR đã được ứng dụng trong các nhiệm vụ đòi hỏi không gian lớn như thiết bị ghi hình sân vận động, in 3D xây dựng, hỗ trợ di chuyển cabin kính viễn vọng vô tuyến, hoặc nâng chuyển tải trọng lớn.

Tuy nhiên, CDPR mang đặc tính phi tuyến và ràng buộc phức tạp do dây cáp chỉ truyền được lực kéo đơn hướng (lực căng dương) mà không truyền được lực đẩy. Khi triển khai các cấu hình CDPR kích thước lớn hoặc sử dụng dây cáp đàn hồi, độ đàn hồi cùng trọng lượng riêng của dây cáp sinh ra hiện tượng võng cáp (cable sagging). Hiện tượng này tác động trực tiếp đến chiều dài thực tế của cáp và vị trí bệ di động, làm suy giảm độ chính xác định vị và độ cứng vững của hệ thống. Mô hình giải tích độ võng cáp dựa trên phương trình xích Catenary của Irvine mang tính phi tuyến cao, đòi hỏi các thuật toán lặp số phức tạp, tốn thời gian tính toán và khó đáp ứng điều khiển thời gian thực. Khoảng trống kỹ thuật mà tác giả xác định là: cần phát triển một mô hình động học nghịch tích hợp thuật toán phân phối lực căng và giải thuật tính độ võng cáp có khả năng rút ngắn thời gian tính toán, đảm bảo tính liên tục theo quỹ đạo và duy trì sai số vị trí ở mức nhỏ nhằm phục vụ điều khiển thời gian thực trên robot thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu phát triển giải thuật tính toán bài toán động học nghịch tích hợp các giải thuật xác định lực căng cáp và độ võng cáp; phân tích và đánh giá tác động của độ võng cáp đến độ chính xác vị trí của CDPR.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Thiết kế giải thuật tính toán phân phối lực căng cáp phù hợp cho cấu hình CDPR thừa ràng buộc.
    • Thiết kế giải thuật tính toán độ võng cáp ứng dụng kỹ thuật tính toán mềm (Soft Computing Techniques – SCT) dựa trên mạng suy luận nơ-ron mờ thích nghi (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System – ANFIS) nhằm rút ngắn thời gian tính toán; đạt độ chính xác với sai số bình phương trung bình (Root-Mean-Square Error – RMSE) nhỏ hơn 0,5 mm và giảm thời gian tính toán xuống dưới 20% so với phương pháp số trong các điều kiện biên xác định.
    • Tích hợp bài toán lực căng cáp và độ võng cáp vào bài toán động học nghịch CDPR; đánh giá tác động của lực căng, tải trọng, kết cấu và điều kiện cân bằng đến độ chính xác vị trí.
    • Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm CDPR kích thước lớn 6 bậc tự do điều khiển bằng 8 dây cáp để thu thập số liệu và kiểm chứng mô hình toán học đã xây dựng.

Nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Khảo sát tổng quan về CDPR cấu hình song song; phân tích các công trình liên quan để tính toán cấu hình CDPR.
  2. Xây dựng, mô phỏng và đánh giá các giải thuật phân phối lực căng cáp.
  3. Nghiên cứu, xây dựng, mô phỏng và đánh giá các giải thuật tính toán độ võng cáp dựa trên giải thuật vùng tin cậy và hệ ANFIS.
  4. Tích hợp các mô hình toán học vào bộ điều khiển vị trí của CDPR.
  5. Thực nghiệm trên hệ CDPR thực tế để thu thập dữ liệu và đánh giá đáp ứng của các mô hình toán.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Robot truyền động bằng cáp cấu hình song song; trọng tâm là bài toán động học nghịch với các điều kiện ràng buộc về phân phối lực căng cáp, độ võng cáp và các điều kiện biên trên CDPR dạng thừa ràng buộc (Over-Constrained CDPR – OC-CDPR).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về kết cấu và thuật toán: Khảo sát và xây dựng giải thuật phân phối lực căng cáp và độ võng cáp cho CDPR 6 bậc tự do (Degree of Freedom – DOF) được truyền động bởi 8 dây cáp (bậc tự do thừa $DOR = m - n = 8 - 6 = 2$).
    • Về điều kiện biên: Giới hạn trong các điều kiện về lực căng cáp, chiều dài cáp, ngoại lực tác dụng, kết cấu hình học của robot; không tính đến các tác động ngoại cảnh từ môi trường bên ngoài như gió và biến thiên nhiệt độ.
    • Về không gian và kiểm chứng: Đánh giá sai số vị trí và sai số góc xoay tại các điểm nút và quỹ đạo kiểm tra (hình tròn, hình vuông, quỹ đạo xoắn ốc) bên trong không gian hoạt động của mô hình thực nghiệm được chế tạo tại phòng thí nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại lịch sử phát triển của CDPR từ năm 1984 với cánh tay máy song song điều khiển bằng cáp phục vụ dưới nước tại Mỹ; dự án RoboCrane năm 1989 do Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) khởi xướng ứng dụng trong gia công, xử lý hàng hóa cảng biển và xây dựng; hệ thống ghi hình SkyCam cuối thập niên 1980 của August Design Company vận hành bằng 4 dây cáp với tốc độ đạt 44,8 km/h; đến hệ thống hỗ trợ cabin của kính viễn vọng vô tuyến FAST đường kính 500 m tại Đại học Xidian (Trung Quốc). Các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo được tác giả tổng hợp gồm: hệ thống cần cẩu di động hợp tác nâng vật nặng [7], CDPR mô-đun cho vùng địa hình gồ ghề của Seriani và cộng sự [8], hệ thống Cassino phân tích cơ sinh học dáng đi người của Varela và cộng sự [9], máy in 3D cáp 6 DOF của Barnett và Gosselin [10], và hệ thống in 3D xây dựng 6 DOF 8 cáp không gian hơn 35 m dùng mạng EtherCAT và G-code của David Hahlbrock và cộng sự [11].

Tác giả hệ thống hóa các công trình nghiên cứu cơ sở theo ba nhóm vấn đề trọng tâm:

  1. Nghiên cứu về không gian hoạt động và tối ưu hóa kết cấu:

    • Các phương pháp xác định không gian làm việc kiểm soát được (Controllable Workspace), không gian làm việc khả thi lực (Wrench Feasible Workspace – WFW, Force Feasible Workspace – FFW), và không gian làm việc đóng kín lực (Wrench Closure Workspace – WCW).
    • Phương pháp điểm (Pointwise) được Verhoeven và Hiller [21-23], Jason Pusey và cộng sự [24], Bo Ouyang và Wei-Wei Shang [27] áp dụng để kiểm tra từng điểm rời rạc dựa trên phân tích không gian null của ma trận cấu trúc. Yang và cộng sự [16], Xiumin Diao và Ou Ma [25], Lim và cộng sự [26], Cong Bang Pham và cộng sự [28] ứng dụng lý thuyết tập lồi và phân tích hạng ma trận Jacobian.
    • Phương pháp giải tích xác định ranh giới mặt bao WCW thông qua các mặt nón và mặt cắt phụ trợ của Marc Gouttefarde và cộng sự [29], Azizian và cộng sự [30], Andreas Pott [31-32], Perreault và cộng sự [33], Rezazadeh [34], Zhiyu Sheng và cộng sự [35].
    • Phương pháp phân tích khoảng (Interval Analysis) xác định không gian liên tục của Tobias Bruckmann và cộng sự [36], Marc Gouttefarde và cộng sự [37], Khalilpour và cộng sự [38], Loloei và cộng sự [39], Lamine và cộng sự [40].
    • Phương pháp phân tích tia (Ray-based method) phát triển bởi Andreas Pott và Werner Kraus [41], Pott [32], Darwin Lau và cộng sự [42-44].
    • Các nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu và đánh giá khả năng tạo lực của Cong Bang Pham và cộng sự [15], Giovanni Boschetti và Alberto Trevisani [46] (chỉ số Wrench Exertion Capability).

  2. Nghiên cứu về giải thuật phân phối lực căng cáp:

    • Tối ưu hóa tuyến tính (Linear Programming): Wei-Jung Shiang và cộng sự [47], Cong Bang Pham và cộng sự [48], So-Ryeok Oh và Sunil K. Agrawal [49], Per Henrik Borgstrom và cộng sự [50], Maryam Agahi và Leila Notash [51]. Phương pháp này tính toán nhanh trên từng điểm nhưng lực căng không liên tục dọc theo quỹ đạo.
    • Tối ưu hóa bậc hai (Quadratic Programming – QPA) và phi tuyến: Tobias Bruckmann và cộng sự [53-54], Hui Li và cộng sự [55], Alexis Fortin-Côté và cộng sự [56], Richard Verhoeven [23]. Phương pháp này mang lại giải pháp lực căng liên tục nhưng tiêu tốn tài nguyên xử lý khi số cáp tăng.
    • Phương pháp dạng đóng (Closed-Form Force Distribution – FDCF) và biến thể cải tiến: Andreas Pott và cộng sự [57, 65], Clément Gosselin và Martin Grenier [58] (tối ưu hóa chuẩn p), Roland Boumann và Tobias Bruckmann [64] (phương pháp Nearest Corner), Lars Mikelsons và cộng sự [66] (phương pháp Barycentric), Johann Lamaury và Marc Gouttefarde [67-68] (Fast/Versatile Tension Distribution Algorithm cho robot 6 DOF 8 cáp), Tahir Rasheed và cộng sự [69], Da Song và cộng sự [70], Katharina Müller và cộng sự [71] (Improved Puncture Method). Phương pháp dạng đóng giải quyết rất nhanh và liên tục, song dễ mất nghiệm tại các vùng biên không gian hoạt động.
    • Các nghiên cứu xác định giới hạn lực căng cáp của Andreas Pott [72], Barroso và Saltaren [74], Einar Ueland và cộng sự [75].

  3. Nghiên cứu về tính toán độ võng cáp:

    • Mô hình cáp xích đàn hồi Catenary của Irvine [76] được coi là chuẩn giải tích mô tả hình học sợi cáp chịu trọng lượng bản thân và lực căng. Yu Su và cộng sự [73] ứng dụng mô hình võng cáp vào phân tích SP-CDPR cho camera. Tuy nhiên, tính phi tuyến phức tạp khiến phương pháp số lặp truyền thống không đáp ứng được tần số lấy mẫu của bộ điều khiển thời gian thực.

Khoảng trống và vị trí của luận án: Luận án chọn giải quyết mâu thuẫn giữa độ chính xác hình học và tốc độ tính toán trong bài toán động học nghịch CDPR thừa ràng buộc. Tác giả không tách rời bài toán phân phối lực căng với bài toán võng cáp mà tích hợp đồng thời: sử dụng giải thuật tối ưu phân phối lực căng để cung cấp đầu vào chính xác cho mô hình võng cáp; thay thế các thuật toán lặp số chậm chạp bằng giải thuật vùng tin cậy (TRDA) và các cấu trúc tính toán mềm ANFIS (CSPA, ICSPA), từ đó đưa mô hình bù trừ độ võng cáp vào điều khiển quỹ đạo thực nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình động học vị trí và vận tốc: Thiết lập hệ tọa độ gốc cố định $B(O_B, x_B, y_B, z_B)$ gắn tại khung bệ và hệ tọa độ động $E(O_P, x_E, y_E, z_E)$ gắn tại tâm bệ di động (MP). Vị trí và hướng của MP được biểu diễn qua vector vị trí $\mathbf{r}$ và ma trận quay $\mathbf{R}$ theo các góc Euler $(\alpha, \beta, \gamma)$. Tọa độ điểm mắc cáp cố định trên khung là $\mathbf{a}_i$, điểm mắc cáp trên MP là $\mathbf{b}_i$. Vector chiều dài và hướng cáp thứ $i$ được xác định qua biểu thức: $$\mathbf{l}_i = \mathbf{a}_i - \mathbf{r} - \mathbf{R}\mathbf{b}_i = l_i \mathbf{u}_i$$ với $\mathbf{u}_i$ là vector đơn vị chỉ hướng cáp. Ma trận Jacobian $\mathbf{J}$ biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc khớp cáp $\mathbf{i}$ và vận tốc dài, vận tốc góc của MP: $\mathbf{i} = \mathbf{J} \mathbf{v}$. Ma trận cấu trúc CDPR được định nghĩa qua chuyển vị của Jacobian: $\mathbf{A} = \mathbf{J}^T$.
  • Hệ phương trình cân bằng tĩnh và động lực học: Phương trình cân bằng giữa lực căng cáp $\mathbf{T} = [t_1, t_2, \dots, t_m]^T$ và ngoại lực, mô-men tác dụng lên tâm MP ($\mathbf{W}p$): $$\mathbf{A} \mathbf{T} + \mathbf{W}p = \mathbf{0}, \quad \text{với } \mathbf{t}{\min} \le \mathbf{T} \le \mathbf{t}{\max}$$ Phương trình động lực học tổng quát có tính đến ma trận quán tính $\mathbf{M}(\mathbf{x})$, ma trận lực Coriolis và ly tâm $\mathbf{C}(\mathbf{x}, \mathbf{\dot{x}})$, cùng trọng lực $\mathbf{W}_g$: $$\mathbf{M}(\mathbf{x})\mathbf{\ddot{x}} + \mathbf{C}(\mathbf{x}, \mathbf{\dot{x}})\mathbf{\dot{x}} + \mathbf{W}_g = \mathbf{A}\mathbf{T} + \mathbf{W}_e$$
  • Mô hình cáp xích Catenary của Irvine [76]: Dây cáp có tiết diện $A$, mô-đun đàn hồi $E$, khối lượng riêng trên đơn vị chiều dài $p_L$. Cáp treo giữa hai điểm cố định và di động chịu lực căng ngang $T_x$ và lực căng đứng $T_z$. Tọa độ các điểm trên dây cáp và chiều dài thực tế biến dạng được mô tả qua hệ phương trình tích phân phi tuyến chứa các hàm hyperbolic.
  • Giải thuật tối ưu phân phối lực căng:
    • Giải thuật đối ngẫu Simplex (Dual Simplex Algorithm – DSA) cho bài toán quy hoạch tuyến tính tối thiểu hóa tổng lực căng cáp.
    • Thuật toán quy hoạch bậc hai (Quadratic Programming Algorithm – QPA) tối ưu hóa hàm mục tiêu năng lượng hoặc sai lệch lực căng so với mức an toàn trung bình.
    • Thuật toán dạng đóng (Forces Distribution in Closed-Form – FDCF) xác định nghiệm nhanh dựa trên giả nghịch đảo Moore-Penrose và chiếu vector trực giao.
  • Giải thuật giải hệ phi tuyến và tính toán mềm:
    • Giải thuật vùng tin cậy (Trust-Region-Dogleg Algorithm – TRDA) dùng phương pháp số lặp giải hệ phi tuyến của mô hình Catenary.
    • Hệ suy luận nơ-ron mờ thích nghi (ANFIS): Tích hợp mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp và hệ suy luận mờ Takagi-Sugeno với hàm liên thuộc Gauss (Gaussian Membership Function – GMF) để học mối quan hệ phi tuyến giữa lực căng cáp, chiều dài cáp hình học và độ võng thực tế. Tác giả phát triển hai phiên bản: CSPA (Cable Sagging Prediction Algorithm based on ANFIS) và phiên bản cải tiến ICSPA (Improved Cable Sagging Prediction Algorithm based on ANFIS).
  • Mô hình đàn hồi của hệ truyền động: Tính toán chiều dài cáp bù trừ $\Delta l$ do biến dạng đàn hồi của cáp, độ võng, biến dạng cơ cấu tời (bước quấn trên tang trống $\Delta p_w$, bán kính tang tời $r_w$, tỷ số truyền hộp giảm tốc $K_{gi}$), và góc tiếp xúc trên rãnh ròng rọc $\theta_i$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp:

  1. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân tích có chọn lọc các tài liệu học thuật trong và ngoài nước; chuẩn hóa hệ phương trình động học, cân bằng lực và phương trình Catenary thành hệ thống giải thuật lập trình được.
  2. Phương pháp nghiên cứu, phân tích và mô phỏng số: Xây dựng mô hình tính toán không gian làm việc bằng phương pháp Pointwise trên phần mềm chuyên dụng; mô phỏng so sánh các thuật toán phân phối lực căng (DSA, QPA, FDCF); mô phỏng kiểm tra sai số và tốc độ của các giải thuật xác định độ võng cáp (TRDA, CSPA, ICSPA) theo các quỹ đạo mẫu (hình tròn đường kính 1600 mm, hình vuông cạnh 1600 mm, quỹ đạo xoắn ốc).
  3. Phương pháp thực nghiệm khoa học: Chế tạo hệ thống CDPR thực nghiệm 6 DOF truyền động bởi 8 cáp tại phòng thí nghiệm; trang bị hệ thống cảm biến lực căng, động cơ AC Servo kèm bộ mã hóa xung tuyệt đối, thiết bị đo góc nghiêng và cảm biến định vị laser để đo đạc sai số vị trí thực tế tại 17 điểm nút không gian, so sánh đối chứng giữa trường hợp có bù và không bù độ võng cáp.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu bao gồm:

  • Các thông số hình học, giới hạn lực căng cáp, thông số cơ tính của vật liệu cáp và động cơ của hệ CDPR được tính toán trong mô phỏng số.
  • Bộ dữ liệu mẫu huấn luyện và kiểm định cho hệ ANFIS thu được từ kết quả giải số hệ phương trình Catenary bằng giải thuật TRDA.
  • Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ mô hình CDPR: tín hiệu phản hồi biến khớp từ encoder động cơ, tín hiệu lực căng từ cảm biến lực (loadcell) gắn trên đường truyền cáp, và tọa độ vị trí 3D thực tế đo bằng máy đo khoảng cách laser chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1 trình bày tổng quan về nguồn gốc, cấu tạo và ưu thế của robot song song truyền động bằng dây cáp (CDPR). Tác giả làm rõ các thành phần gây sai số vị trí trong hệ thống CDPR qua mô hình cấu trúc bộ điều khiển vị trí (Hình 1.1), gồm: sai số gia công lắp ráp cơ khí; sai số điều khiển và độ phân giải cơ cấu chấp hành; nhiễu ngoại lực môi trường; ma sát trong cơ cấu truyền động cáp - ròng rọc - tang tời; và đặc biệt là hiện tượng võng cáp do khối lượng riêng và tính đàn hồi của sợi cáp. Từ đó, chương 1 xác định rõ đối tượng, mục tiêu, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu, phạm vi áp dụng, ý nghĩa khoa học - thực tiễn và bố cục 6 chương của luận án.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG CÁP

Chương 2 tổng hợp và phân tích sâu các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đề tài:

  • Phân loại cấu hình CDPR theo số bậc tự do ($n$) và số cáp ($m$): cơ cấu định vị không hoàn toàn ($m < n$ hoặc $m \le 6$ thiếu ràng buộc – UC-CDPR), định vị hoàn toàn động học (KFC-CDPR), định vị hoàn toàn (Fully-Constrained – FC-CDPR, $m = n+1$), thừa ràng buộc (Over-Constrained – OC-CDPR, $m > n+1$), và cấu hình cáp treo (Suspended CDPR – SP-CDPR).
  • Khảo sát các phương pháp xác định không gian hoạt động (Pointwise, giải tích đường biên, phân tích khoảng, và Ray-based), phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp đối với các cấu hình CDPR khác nhau.
  • Phân tích chi tiết các thuật toán phân phối lực căng cáp: Quy hoạch tuyến tính (DSA), Quy hoạch bậc 2 (QPA), Quy hoạch phi tuyến, giải thuật Gradient, thuật toán Dykstra, các phương pháp dạng đóng (Closed-form, Barycentric, Puncture, Versatile Tension Distribution). Tác giả tổng hợp đặc tính so sánh của các phương pháp phân phối lực căng qua Bảng 2.1 của luận án:
Phương pháp Thời gian tính toán Đáp ứng thời gian thực Tính liên tục theo quỹ đạo Lực phân bố Bao phủ không gian hoạt động Bậc tự do thừa tối đa (DOR)
Tối ưu hóa tuyến tính Chậm Kém Không Bất kỳ Có Bất kỳ
Tối ưu hóa bậc 2 Trung bình Khá tốt Có Cao, thấp N/A Bất kỳ
Gradient method Trung bình Kém Có Trong giới hạn Không Bất kỳ
Dykstra method Chậm Kém Không Bất kỳ Có Bất kỳ
Phương pháp Closed-form Nhanh Rất tốt Có Bất kỳ Không Bất kỳ
Phương pháp Closed-form cải tiến Nhanh Rất tốt Có Bất kỳ Có Bất kỳ
Phương pháp Barycentric Nhanh Tốt Có Trung bình Có DOR = 2
Kernel (nullspace) Translation Nhanh Tốt Có Cao, trung bình, thấp Có DOR = 1
Puncture method Nhanh Tốt Có Thấp Không Bất kỳ
  • Tổng quan các phương pháp tính toán độ võng cáp từ phương trình Catenary giải tích, chỉ ra giới hạn về thời gian tính toán khi áp dụng cho CDPR kích thước lớn và cơ sở cần thiết phải ứng dụng kỹ thuật tính toán mềm.

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CDPR

Chương 3 thiết lập nền tảng toán học hoàn chỉnh cho CDPR:

  • Xây dựng bài toán động học vị trí và vận tốc thông qua thiết lập ma trận Jacobian $\mathbf{J}$ và ma trận cấu trúc $\mathbf{A} = \mathbf{J}^T$.
  • Thiết lập hệ phương trình cân bằng tĩnh giữa các lực căng cáp $\mathbf{T}$ và vector ngoại lực/mô-men $\mathbf{W}_p$.
  • Xây dựng phương trình động lực học tổng quát của MP có tính đến tensor quán tính của bệ di động $\mathbf{I}_p$, ma trận đường chéo đối xứng liên quan đến động lượng thứ nhất $\mathbf{M}_G$, các thành phần Coriolis, lực ly tâm $\mathbf{C}$ và trọng lực $\mathbf{W}_g$.
  • Ứng dụng phương pháp Pointwise kết hợp kiểm tra điều kiện cân bằng để tính toán và mô phỏng không gian hoạt động cho hai cấu hình CDPR: cấu hình CDPR dạng treo (6 DOF, 8 cáp) theo các mức tải trọng thay đổi (Hình 3.5), và cấu hình OC-CDPR 2 (6 DOF, 8 cáp) với tải trọng 80 kg kèm các mức giới hạn lực căng cáp từ $150 \times 10^3 \text{ N}$ đến $10 \text{ N}$ (Bảng 3.1, Bảng 3.2, Hình 3.7).
  • Trình bày cơ sở thuật toán đối ngẫu Dual Simplex và giải thuật vùng tin cậy Trust-Region [101-102] phục vụ giải các bài toán tối ưu và phi tuyến ở các chương tiếp theo.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGHỊCH VỚI LỰC CĂNG CÁP VÀ ĐỘ VÕNG CÁP

Chương 4 là chương đóng góp học thuật trọng tâm của luận án, tập trung giải quyết bài toán động học nghịch tích hợp lực căng và võng cáp:

  • Thiết kế và mô phỏng ba giải thuật phân phối lực căng cáp:
    1. Thuật toán đối ngẫu Dual Simplex Algorithm (DSA) cho bài toán quy hoạch tuyến tính;
    2. Thuật toán quy hoạch bậc hai Quadratic Programming Algorithm (QPA);
    3. Giải thuật dạng đóng Forces Distribution in Closed-Form (FDCF). Các thuật toán được kiểm tra trên mô hình CDPR phẳng và CDPR không gian theo quỹ đạo xoắn ốc và quỹ đạo hình tròn đường kính 1600 mm (Bảng 4.1, Bảng 4.2, Bảng 4.3). Kết quả cho thấy QPA mang lại lực căng biến thiên êm thuận, liên tục theo quỹ đạo, trong khi FDCF đạt tốc độ cao nhưng có nguy cơ mất nghiệm tại biên.
  • Xây dựng mô hình động học nghịch với độ võng cáp dựa trên phương trình Catenary Irvine [76]. Ứng dụng giải thuật vùng tin cậy Trust-Region-Dogleg Algorithm (TRDA) để giải lặp số chính xác hệ phương trình võng cáp, làm mô hình chuẩn đối sánh.
  • Phát triển giải thuật xác định độ võng cáp dựa trên ANFIS (CSPA): Kiến trúc ANFIS nhận dữ liệu đầu vào gồm lực căng cáp, chiều dài hình học và góc nghiêng để dự đoán lượng võng. Tác giả kiểm tra độ chính xác dự đoán của CSPA so với TRDA trên 8 dây cáp (Bảng 4.5), cho thấy mức độ tương quan cao.
  • Phát triển giải thuật xác định độ võng cáp dựa trên ANFIS cải tiến (ICSPA): Tối ưu hóa cấu trúc tập luật và hàm liên thuộc mờ GMF, giảm số lượng biến đầu vào không cần thiết (Bảng 4.6).
  • Mô phỏng so sánh 3 giải thuật TRDA, CSPA và ICSPA (Bảng 4.7, Bảng 4.8): Giải thuật ICSPA đạt sai số bình phương trung bình (RMSE) nhỏ hơn 0,5 mm, hệ số tương quan (Correlation Coefficient – CC) xấp xỉ 1, chỉ số phân tán (Scatter Index – SI) ở mức rất thấp, đồng thời giảm thời gian tính toán hơn 80% so với phương pháp số TRDA (đáp ứng mục tiêu ban đầu đặt ra là giảm thời gian dưới 20%). Tích hợp ICSPA vào bài toán động học nghịch CDPR kích thước lớn chạy quỹ đạo hình tròn đường kính 1600 mm cho thấy đáp ứng khớp và lực căng hoàn toàn ổn định.

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương 5 hiện thực hóa các mô hình lý thuyết lên mô hình thực nghiệm CDPR:

  • Xây dựng mô hình truyền động hoàn chỉnh: khảo sát biến dạng đàn hồi của hệ thống phân phối cáp, độ dãn dài cáp do lực căng đàn hồi $\Delta l_e$, độ võng $\Delta l_s$, ma sát nhớt $F_v$, ma sát khô $F_s$, quán tính động cơ và tang tời $J_M$, cùng góc tiếp xúc trên rãnh ròng rọc $\theta_i$.
  • Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí tích hợp khối giải thuật: Quỹ đạo – Động lực học – Phân phối lực căng cáp – Bù độ võng cáp (Trajectory – Dynamic – Tension Distribution – Sagging) chạy thời gian thực.
  • Chế tạo hệ thống CDPR thực nghiệm 6 DOF điều khiển bởi 8 cáp: gồm khung cơ khí chịu lực, bệ di động mang khối bê tông tải (Hình 5.11), 8 cụm cơ cấu phân phối cáp trang bị động cơ AC Servo, hộp giảm tốc, tang tời dẫn hướng cáp chống chồng chéo lớp (Hình 5.12), tủ điện điều khiển PLC và giao diện giám sát máy tính.
  • Tiến hành thực nghiệm:
    1. Đo độ chính xác vị trí theo quỹ đạo hình tròn đường kính 1600 mm: Thu thập biến khớp phản hồi, lực căng cáp phản hồi và giá trị bù võng cáp. So sánh sai số vị trí giữa hai trường hợp: không bù độ võng cáp và có bù độ võng cáp bằng giải thuật đề xuất. Kết quả cho thấy trường hợp có bù độ võng làm giảm rõ rệt độ lệch quỹ đạo thực tế so với quỹ đạo đặt.
    2. Thực nghiệm đo vị trí không gian và góc xoay tại 17 điểm nút: Sử dụng thiết bị đo góc và máy đo khoảng cách laser chuyên dụng (Bảng 5.3, Bảng 5.4, Hình 5.23, Hình 5.24). Sai số vị trí trung bình và sai số góc xoay (Roll, Pitch, Yaw) tại các điểm nút khi có bù độ võng cáp giảm đáng kể so với khi không bù.
    3. Thực nghiệm vận hành tốc độ cao cho ứng dụng mô phỏng chuyển động thực tế ảo: Kết nối CDPR với dữ liệu game tương tác mô phỏng người chuyển động (Hình 5.26, Hình 5.27). Hệ thống đáp ứng các biến động tọa độ trục Z, góc Roll và Pitch ở tốc độ cao, lực căng trên 8 dây cáp phản hồi nằm trong phạm vi an toàn, bệ di động chuyển động ổn định không xảy ra hiện tượng chùng cáp.

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt khoa học lý thuyết và giải pháp thực nghiệm của đề tài; khẳng định việc giải quyết trọn vẹn bài toán động học nghịch CDPR có xét đến độ võng cáp và đàn hồi truyền động; chỉ ra phạm vi ứng dụng trong công nghiệp, xây dựng, thiết bị mô phỏng; nêu rõ các hạn chế chưa khảo sát (nhiễu gió, nhiệt độ ngoài trời); và định hướng nghiên cứu tiếp theo về phân tích dao động và mở rộng cấu hình robot.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết kế và đánh giá có hệ thống các giải thuật phân phối lực căng cáp (DSA, QPA, FDCF) cho CDPR cấu hình song song dạng thừa ràng buộc (OC-CDPR); thiết lập mối liên hệ giữa phương pháp phân phối lực căng, giới hạn lực căng cáp và biên không gian hoạt động khả thi (WFW) của hệ thống.
  2. Xây dựng giải thuật TRDA dựa trên giải thuật vùng tin cậy để giải hệ phương trình phi tuyến Catenary Irvine, thiết lập bộ dữ liệu chuẩn xác định độ võng cáp.
  3. Đề xuất hai giải thuật mới xác định độ võng cáp dựa trên hệ nơ-ron mờ thích nghi: CSPA và giải thuật cải tiến ICSPA. Giải thuật ICSPA đạt sai số RMSE nhỏ hơn 0,5 mm và giảm thời gian tính toán hơn 80% so với phương pháp lặp số truyền thống, vượt chỉ tiêu đặt ra ban đầu (giảm dưới 20%), giải quyết được trở ngại tính toán chậm của mô hình xích Catenary trong các ứng dụng điều khiển thời gian thực.
  4. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình bài toán động học nghịch tích hợp đồng thời bài toán phân phối lực căng cáp, bài toán bù độ võng cáp bằng ANFIS và các thành phần đàn hồi cơ cấu truyền động (tang tời, rãnh cáp, puly).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình CDPR 6 DOF truyền động bởi 8 cáp có kích thước lớn tại phòng thí nghiệm, bao gồm kết cấu cơ khí, cơ cấu tời phân phối cáp chống rối, hệ thống điều khiển tích hợp PLC và AC Servo.
  2. Kiểm chứng thực nghiệm thành công giải thuật bù độ võng cáp trên robot thực: số liệu đo đạc bằng laser và cảm biến góc tại 17 điểm nút không gian cùng quỹ đạo hình tròn đường kính 1600 mm chứng minh việc bù độ võng cáp giúp cải thiện độ chính xác vị trí và độ ổn định định hướng của bệ di động.
  3. Triển khai thử nghiệm thành công hệ thống CDPR trong ứng dụng mô phỏng chuyển động thời gian thực tốc độ cao kết nối dữ liệu mô phỏng tương tác, khẳng định tính khả thi của giải thuật đề xuất trong các ứng dụng tải trọng lớn và vận tốc cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Theo phạm vi và các nội dung tồn tại được tác giả nêu trong văn bản:

  • Mô hình tính toán động học và độ võng cáp chỉ khảo sát trong điều kiện phòng thí nghiệm kín, chưa tính đến các tác động môi trường ngoài trời phức tạp như tải trọng gió thay đổi ngẫu nhiên tác động lên dây cáp và bệ di động, cũng như sự dãn nở nhiệt của dây cáp do biến thiên nhiệt độ môi trường.
  • Luận án mới tập trung giải quyết bài toán động học nghịch và bù sai số tĩnh/chuẩn tĩnh, chưa đi sâu giải quyết bài toán phân tích động lực học rung động (vibration analysis) của dây cáp và bệ di động ở các dải tần số kích thích khác nhau.
  • Cấu hình thực nghiệm được cố định ở dạng OC-CDPR 6 DOF 8 cáp, chưa kiểm chứng trên các cấu hình CDPR có thể thay đổi vị trí các cột treo cáp (reconfigurable CDPR).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Xây dựng các mô hình mới để tiếp tục tối ưu hóa không gian hoạt động và phân phối lực căng cáp cho các cấu hình CDPR phức tạp hơn, CDPR có khả năng tái cấu trúc điểm treo cáp.
  • Nghiên cứu mô hình phân tích rung động cáp và xây dựng các bộ điều khiển chủ động triệt tiêu dao động cho bệ di động khi vận hành ở tốc độ và gia tốc cực lớn.
  • Bổ sung các yếu tố môi trường (nhiễu gió, nhiệt độ) vào mô hình tính toán độ võng và lực căng để triển khai CDPR trong các ứng dụng ngoài trời như cẩu hàng cảng biển, in 3D công trình xây dựng quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và kỹ thuật chuyên sâu đối với các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Có thể tham khảo phương pháp thiết lập ma trận Jacobian, ma trận cấu trúc, động lực học robot song song nhiều bậc tự do thừa ràng buộc (Chương 3); phương pháp giải hệ phương trình Catenary bằng TRDA và kỹ thuật tích hợp mạng nơ-ron mờ ANFIS (CSPA, ICSPA) để giải quyết các bài toán kỹ thuật phi tuyến phức tạp trong cơ điện tử (Chương 4).
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp chế tạo máy: Có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế cơ cấu tời phân phối cáp có cơ cấu dẫn cáp định hướng (Chương 1, Chương 5), phương pháp tính toán bù trừ độ đàn hồi của cơ cấu truyền động và giải thuật phân phối lực căng liên tục QPA để chế tạo các hệ thống CDPR phục vụ in 3D kích thước lớn, cẩu trục cáp nâng chuyển vật liệu nặng, hệ thống camera thể thao tự động hoặc các sàn mô phỏng chuyển động thực tế ảo.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot cấu trúc song song truyền động bằng dây cáp (CDPR) trong luận án gặp phải những nguồn sai số chính nào ảnh hưởng đến độ chính xác vị trí?
Trả lời: Theo sơ đồ Hình 1.1 và phân tích tại Chương 1, có 5 nguồn thông số chính ảnh hưởng đến sai số vị trí của CDPR gồm:

  • Sai số gia công và lắp ráp cơ khí (khung cố định, bệ di động, vị trí các điểm mắc cáp);
  • Sai số của bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành (độ phân giải encoder, vận tốc, sai số cảm biến đo lường phản hồi);
  • Nhiễu do ngoại lực tác động từ môi trường làm việc bên ngoài (gió, biến thiên nhiệt độ làm sai lệch điều kiện biên cân bằng);
  • Ma sát trong các thành phần truyền động cơ khí (cáp, puly dẫn hướng, tang tời cuốn cáp);
  • Độ võng cáp (cable sagging) sinh ra do khối lượng riêng của cáp và tính chất đàn hồi dưới tác dụng của lực căng và chiều dài dây cáp.

2. Tại sao luận án phải xây dựng các giải thuật tính độ võng cáp mới (CSPA, ICSPA) dựa trên ANFIS thay vì sử dụng trực tiếp phương trình Catenary Irvine?
Trả lời: Phương trình cáp xích Catenary của Irvine là hệ phương trình phi tuyến phức tạp, chỉ có thể giải bằng các phương pháp lặp số (như giải thuật vùng tin cậy TRDA). Phương pháp số lặp này đòi hỏi thời gian tính toán lớn, không đáp ứng được yêu cầu về chu kỳ điều khiển thời gian thực của robot. Giải thuật CSPA và ICSPA ứng dụng hệ suy luận nơ-ron mờ thích nghi ANFIS đã học trước quan hệ phi tuyến giữa lực căng, chiều dài hình học và độ võng cáp từ dữ liệu số; nhờ đó giải thuật ICSPA vừa đảm bảo độ chính xác cao với sai số bình phương trung bình RMSE < 0,5 mm, vừa giảm thời gian tính toán hơn 80% so với phương pháp số, cho phép nhúng trực tiếp vào bộ điều khiển quỹ đạo thời gian thực.

3. Luận án đã so sánh những giải thuật phân phối lực căng cáp nào và đặc tính của chúng ra sao?
Trả lời: Luận án đã phân tích và mô phỏng 3 giải thuật chính:

  • Dual Simplex Algorithm (DSA): Dựa trên quy hoạch tuyến tính; tính toán nhanh trên từng điểm nhưng lực căng bị gián đoạn, không liên tục dọc theo quỹ đạo chuyển động.
  • Quadratic Programming Algorithm (QPA): Dựa trên quy hoạch bậc hai; cho kết quả lực căng biến thiên êm thuận, liên tục theo quỹ đạo, phân phối lực tốt, phù hợp cho điều khiển quỹ đạo thực tế.
  • Forces Distribution in Closed-Form (FDCF): Thuật toán dạng đóng không lặp; tốc độ tính toán rất nhanh nhưng có nhược điểm dễ bị mất nghiệm hoặc lực căng vượt ngưỡng tại các vị trí gần biên không gian hoạt động.

4. Mô hình thực nghiệm CDPR trong luận án có cấu hình kỹ thuật cụ thể như thế nào?
Trả lời: Mô hình thực nghiệm được tác giả thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh tại phòng thí nghiệm là dạng robot song song thừa ràng buộc (OC-CDPR) có 6 bậc tự do (3 tịnh tiến, 3 xoay) được truyền động bởi 8 dây cáp độc lập ($DOR = 2$). Hệ thống gồm: khung thép chịu lực; bệ di động mang tải trọng khối bê tông; 8 cụm phân phối cáp điều khiển bởi động cơ AC Servo kết hợp hộp giảm tốc và tang cuốn cáp có rãnh bước xoắn cùng cơ cấu dẫn hướng cáp; tủ điện trung tâm dùng bộ điều khiển PLC kết nối mạng truyền thông công nghiệp; các cảm biến lực loadcell đo lực căng cáp; thiết bị đo góc nghiêng và máy đo laser chuyên dụng để kiểm tra tọa độ không gian.

5. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của việc bù độ võng cáp như thế nào?
Trả lời: Kết quả thực nghiệm đo đạc quỹ đạo hình tròn đường kính 1600 mm và kiểm tra tọa độ tại 17 điểm nút không gian bằng thiết bị laser cho thấy: khi không bù võng cáp, bệ di động bị lệch đáng kể so với quỹ đạo đặt do cáp bị võng và biến dạng đàn hồi; khi kích hoạt mô hình động học nghịch tích hợp thuật toán ICSPA bù độ võng cáp kết hợp bù biến dạng đàn hồi cơ cấu truyền động, sai số vị trí 3 chiều và sai số góc xoay (Roll, Pitch, Yaw) của bệ di động giảm rõ rệt, quỹ đạo chuyển động bám sát đường cong đặt trước và hệ thống vận hành ổn định trong thử nghiệm mô phỏng chuyển động tốc độ cao.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Tưởng Phước Thọ đã giải quyết trọn vẹn bài toán động học nghịch tích hợp lực căng và độ võng cáp cho robot song song truyền động bằng cáp cấu hình thừa ràng buộc 6 bậc tự do 8 cáp. Bằng việc kết hợp phương pháp tối ưu hóa phân phối lực căng QPA và giải thuật tính toán mềm ICSPA dựa trên hệ mờ nơ-ron ANFIS, công trình đã khắc phục hạn chế về thời gian tính toán chậm của mô hình giải tích Catenary truyền thống mà vẫn duy trì sai số bình phương trung bình dưới 0,5 mm. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình vật lý kích thước lớn đã khẳng định tính chính xác của mô hình toán, cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển và ứng dụng CDPR trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và mô phỏng chuyển động thực tế.