Đặt vấn đề Robot cấu trúc song song truyền động bằng dây cáp (Cable Driven Parallel Robot – CDPR) là một loại robot song song với cấu hình đặc biệt, có cấu tạo bao gồm một bệ di động được kết nối với các dây cáp có chiều dài được điều khiển bằng tời hoặc các dạng khác [1-3]. Các nghiên cứu về CDPR đã tăng lên trong những năm gần đây do một số lợi thế so với các hệ robot liên kết cứng truyền thống, nhìn chung, các CDPR dễ chế tạo hơn và có chi phí chế tạo thấp hơn các robot thông thường. So với các robot cấu trúc song song phổ biến như bệ Stewart, Delta,…, CDPR có quán tính nhỏ hơn nhiều và tỷ lệ tải trọng trên trọng lượng cao hơn, cung cấp tốc độ và gia tốc cao cho cơ cấu chấp hành cuối [4]. Ngoài ra, do khả năng dễ dàng mở rộng phạm vi làm việc và tính linh động của cáp, CDPR có thể được áp dụng trong các nhiệm vụ đầy thách thức đòi hỏi phải di chuyển bệ di động trong không gian làm việc lớn có thể tiếp cận và khả năng mang tải trọng lớn [1-5].
Nghiên cứu về CDPR có nguồn gốc từ Mỹ vào năm 1984, một cánh tay máy song song điều khiển bằng cáp được thiết kế cho mục đích hoạt động dưới nước. Năm 1989, dự án RoboCrane được Viện NIST (National Institute of Standards and Technology (NIST) khởi xướng tại Mỹ, kết cấu này có nhiều ưu điểm vì đơn giản, không gian làm việc lớn và được ứng dụng trong máy móc chế biến, xử lý hàng hóa ở cảng, xây dựng cầu, hàn và các lĩnh vực khác. CDPR có thể được cấu hình theo nhiều cách khác nhau, do đó CDPR đã được sử dụng cho nhiều ứng dụng, một số ví dụ bao gồm di chuyển vật liệu, điều khiển từ xa – haptics, nông nghiệp, quay phim sân vận động. Ví dụ nổi tiếng nhất về CDPR có lẽ là hệ thống SkyCam được nghiên cứu và triển khai vào cuối thập kỷ 80 bởi August Design Company, SkyCam được truyền động bởi 4 dây cáp và tốc độ tối đa lên tới 44,8 km/h.
Hiện tại, SkyCam vẫn được sử dụng nhiều để phát sóng trực tiếp ở quy mô lớn, đặc biệt là chụp ảnh và theo dõi tốc độ cao tại các sân vận động thể thao lớn và các địa điểm công cộng lớn khác. Một nghiên cứu từ từ Đại học Xidian Trung Quốc đã đề xuất một cấu hình CDPR mới cho hệ thống hỗ trợ di chuyển cabin của kính viễn vọng vô tuyến dạng 1 hình cầu có đường kính 500m (FAST) tại Trung Quốc. Với thiết kế cơ khí và điện tử tích hợp, cũng như công nghệ điều khiển cộng tác - Cooperative Control - làm cho FAST là một trong những ứng dụng tiêu biểu nhất của CDPR [6]. Trong những thập kỷ qua, nghiên cứu về CDPR thu hút được nhiều sự chú ý và được thúc đẩy mạnh mẽ bởi ưu điểm cho khả năng tải lớn và không gian làm việc lớn.
CDPR đã được áp dụng ngày càng nhiều trong các nhiệm vụ phù hợp như xây dựng, cứu hộ, phục hồi chức năng và in 3D kích thước lớn. Một CDPR dạng hoạt động hợp tác bao gồm nhiều cần cẩu di động đã được thiết kế để nâng các vật có kích thước và khối lượng lớn. Các vấn đề điều khiển hợp tác được xem xét và phân tích, bao gồm định vị nhiều cần cẩu di động, tránh chướng ngại vật và điều khiển đáp ứng của hướng và tải trọng [7]. Seriani và cộng sự [8] đề xuất một CDPR dạng mô-đun với không gian làm việc làm việc lớn, CDPR dạng mô-đun được đề cập có thể được áp dụng trong các nhiệm vụ kiểm tra trong khu vực và môi trường gồ ghề.
Varela và cộng sự [9] đã trình bày một thử nghiệm về đặc tính của cơ chế sinh học dáng đi của con người bằng hệ thống theo dõi Cassino, đây là một hệ thống truyền động bằng cáp có thể vận hành với chi phí thấp được sử dụng như một thiết bị đánh giá cho các quá trình chẩn đoán và phục hồi chức năng trong một số ứng dụng lâm sàng. Barnett và Gosselin [10] đã giới thiệu một máy in 3D điều khiển bằng cáp với không gian làm việc lớn thay vì máy in 3D truyền thống được điều khiển bởi các liên kết cứng. Cơ cấu truyền động sử dụng CDPR 6 DOF để định vị và cung cấp không gian làm việc lớn, do được trang bị hệ thống kiểm soát phản hồi tín hiệu, độ chính xác và độ ổn định của máy in 3D dạng CDPR được tăng cường. David Hahlbrock và cộng sự [11] đã nghiên cứu và phát triển một CDPR với sáu bậc tự do (DOF) được điều khiển bởi 8 cáp để in 3D tự động trong xây dựng, robot này có không gian hoạt động lên đến hơn 35m3, robot được điều khiển bởi giao thức EtherCAT với ngôn ngữ lập trình G code, thực nghiệp bước đầu cho kết quả khả quan với độ chính xác khá cao.
Các vấn đề ảnh hưởng đến độ chính xác của các hệ robot công nghiệp nói chung hay các CDPR nói riêng là không thể tránh khỏi và thường rất khó xác định. 2 Trong việc thiết kế và triển khai các CDPR, rung động của bệ di động gây ra bởi độ đàn hồi của dây cáp có thể được coi là nhiễu hệ thống. Sai số đo lường của tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển gây ra sai số trong các tính toán đầu vào điều khiển. Nhiễu gây ra bởi ma sát trong các cơ cấu phân phối cáp và các tác nhân nhiễu không xác định khác.
Ngoài ra, với đặc tính một chiều của dây cáp truyền động, ảnh hưởng gây ra bởi độ đàn hồi và độ võng của dây cáp truyền động đặc biệt quan trọng với các CDPR có kích thước lớn, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác vị trí của bộ điều khiển. Các vấn đề xử lý các ảnh hưởng do sai số đo lường, điều khiển, do ma sát hoặc các nguồn không xác định đã được nhiều nghiên cứu phân tích và giải quyết để cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển CDPR. Do đó nghiên cứu này sẽ xây dựng mô hình tính toán và phân tích ảnh hưởng của lực căng cáp, độ đàn hồi của các cơ cấu truyền động và độ võng cáp truyền động đến độ chính xác vị trí của CDPR. Trong phần sau, các nghiên cứu về phân phối lực căng cáp và độ võng cáp được phân tích, từ đó đề xuất các vấn đề nghiên cứu của đề tài.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về CDPR tập trung vào việc tối ưu cấu trúc, xác định không gian hoạt động, phân phối lực căng cáp, tính toán độ võng cáp, thiết kế bộ điều khiển và lập quỹ đạo chuyển động [12-14]. Huajie Hong và cộng sự [12] đã tổng hợp và phân tích các nghiên cứu điển hình về CDPR và trình bày các nghiên cứu về lý thuyết cơ bản cũng như ứng dụng của một số cấu hình CDPR. Bài báo đã hệ thống hóa các nghiên cứu về kiến trúc topo của CDPR, cấu hình tối ưu của robot phụ thuộc vào mối quan hệ giữa số số bậc tự do và số lượng cáp truyền động. Từ cấu trúc CDPR được tối ưu hóa, ma trận cấu trúc (chuyển vị của ma trận Jacobian) được xây dựng để tính bài toán phân phối lực căng và cân bằng động lực học.
Sen Qian và cộng sự [13] đã tóm tắt sự phát triển của CDPR và phân tích một số trường hợp ứng dụng thành công gần đây của CDPR, bài báo đã tổng hợp các nghiên cứu cơ bản về CDPR như thiết kế cơ khí, phân tích hiệu suất và phát triển bộ điều khiển. Hao Xiong và cộng sự [14] đã thực hiện một phân tích tổng quan về các thiết bị phục hồi chức năng dẫn động bằng cáp. Nghiên cứu chỉ ra rằng, mỗi loại CDPR đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, việc lựa chọn cấu hình CDPR phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng cụ thể. Về tính tiện lợi 3 khi thiết lập cấu hình CDPR để phục hồi chức năng, CDPR cấu hình song song thường có khả năng thích ứng tốt hơn CDPR nối tiếp.
Tuy nhiên, CDPR song song có nhiều ràng buộc phức tạp, khiến việc điều khiển CDPR song song trở nên khó khăn hơn, đây cũng là vấn đề nhiều công trình nghiên cứu tập trung giải quyết. Nhiễu ngoại lực - môi trường làm việc Sai số điều khiển Sai số cơ khí Lực căng cáp Khối lượng dây cáp Độ võng cáp Độ đàn hồi của dây cáp Nhiễu Ma sát Tín hiệu Vị trí đầu công đặt (SP) tác (PV) Bộ điều khiển vị trí Cơ cấu chấp hành CDPR Tín hiệu phản hồi Hình 1.1: Bộ điều khiển vị trí và các thông số ảnh hưởng đến sai số vị trí CDPR Trong quá trình nghiên cứu và triển khai CDPR, đặc biệt đối với các CDPR có không gian hoạt động lớn, việc giảm thiểu sai số vị trí đóng vai trọng trong việc điều khiển và vận hành CDPR. Bộ điều khiển vị trí và các thông số ảnh hưởng đến sai số vị trí CDPR được trình bày trên Hình 1.1, trong đó cơ cấu chấp hành là các bộ tời phân phối cáp được điều khiển bởi các động cơ điện như Hình 1.2, các bộ tời này được thiết kế khác với các tời cáp thông thường với tiêu chí bắt buộc là điều khiển được vận tốc và chiều dài cáp một cách chính xác. Do đó, ngoài cơ cấu thu nhả cáp, bộ tời phân phối cáp được thiết kế thêm cơ cấu dẫn cáp, cho phép xác định chính xác chiều dài cáp và vận tốc cáp từ tín hiệu điều khiển.
Các nguồn ảnh hưởng đến sai số vị trí của CDPR được miêu tả trong Hình 1.