MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Robot 4 bậc tự do là một trong những mô hình robot song song được thiết kế xây dựng để đáp ứng yêu cầu mô hình hóa, mô phỏng lại các chuyển động thực tế trên tàu thuyền, máy bay, các phương tiện giao thông. Với hiệu quả rất lớn trong thực tiễn để phục vụ mục đích nghiên cứu, diễn tập, giải trí thì hệ thống robot 4 bậc tự do ngày càng được ứng dụng nhiều hơn nữa. Cụ thể trong đề tài này, hệ thống robot 4 bậc tự do được sử dụng để mô phỏng lại chuyển động trên tàu thủy với mục đích kiểm tra, hoàn thiện các tính năng hoạt động; chạy thử kiểm định các thiết bị trong điều kiện chuyển động với các thông số khác nhau tại phòng thí nghiệm. Việc chế tạo hệ thống robot này là rất cần thiết để phục vụ các nghiên cứu chạy thử nghiệm hệ thống trong phòng thí nghiệm trước khi cho vận hành trong điều kiện thực tế để kiểm soát và tối ưu được các thông số của thiết bị.
Chế tạo robot 4 bậc tự do là một trong các nhiệm vụ được đặt ra của đề tài “Nghiên cứu phát triển sản phẩm thương mại hóa trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh ứng dụng trên tàu biển” (QG.89) do nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện dưới sự chủ trì của GS. Nguyễn Hữu Đức. Đề tài này được phát triển từ đề tài nghiên cứu trong chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ và cho đến nay tiếp tục được đầu tư để phát triển thành sản phẩm thương mại. Để hoàn thiện sản phẩm thương mại thì việc đo đạc kiểm định hoạt động của hệ thống trong các điều kiện rung lắc, chuyển động với vận tốc, gia tốc khác nhau theo yêu cầu đặt ra là rất khó thực hiện trong điều kiện thực tế trên tàu biển do phụ thuộc vào thời tiết.
Thêm vào đó, việc chạy thử nghiệm trong điều kiện dã ngoại đòi hỏi chi phí cao và xác suất rủi ro thất bại là cao nếu không được vận hành thử nghiệm tốt trong phòng thí nghiệm với các điều kiện tương tự. Chính vì lý do này, luận văn đặt đề tài Thiết kế, chế tạo robot 4 bậc tự do mô phỏng chuyển động trên tàu thủy với mục tiêu tạo các chuyển động như chuyển động thực của tàu thủy trong không gian 3 chiều với các thông số chuyển động khác nhau phục vụ chạy thử thiết bị Trạm thu di động thông tin vệ tinh. Sản phẩm thiết kế chế tạo được trong luận văn này có thể tiếp tục được nghiên cứu phát triển hướng tới các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác cả trong nghiên cứu và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Việc chạy thử nghiệm hệ thống trạm thu di dộng thông tin vệ tin trong phòng thí nghiệm được mô phỏng như chạy thật của tàu biển với các chế độ rung, lắc, nghiêng, quay trái phải, chòng chành,… khác nhau ứng với các điều kiện thời tiết khác nhau chỉ có thể thực hiện được khi sử dụng một hệ thống robot được lập trình tự động điều khiển với các hệ thống cảm biến kèm theo.
Việc chế tạo thành công hệ robot này giúp tiết kiêm chi phí, thời gian, cho nội dung chạy thử hệ thống thiết bị trong điều kiện phòng thí nghiệm giống như điều kiện dã ngoại thực tế, kiểm tra được các thông số đáp ứng, làm việc, độ bền, độ linh hoạt của hệ thống, có thể thử nghiệm trong thời gian dài 24/7 để đánh giá mà trong điều kiện dã ngoại thực tế rất khó thực hiện. Với kiến thức được trang bị cũng như tìm tòi tham khảo được, việc thiết kế, chế tạo hoàn thiện hệ thống giúp học viên có cơ hội được vận dụng vào thực tế kiên thức đã được trang bị và tích lũy, đánh giá khả năng làm việc của bản thân cũng như của nhóm nghiên cứu. So sánh sản phẩm tự thiết kế với các sản phẩm nhập ngoại, qua đó có hướng phát triển cho sản phẩm trong tương lai đa dạng hóa thị trường ứng dụng của hệ thống, nhằm hạ giá thành và thay thế các sản phầm nhập ngoại đắt tiền, đưa tự động hóa đến gần với người sử dụng hơn. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các mô hình robot song song, cách thiết kế chế tạo ra hệ thống robot 4 bậc tự do.
Cùng với đó là các thuật toán điều khiển sử dụng PID, các phương pháp lọc số và các mô-đun, bộ KIT điều khiển mới. Phương pháp nghiên cứu: Tham khảo các tài liệu giới thiệu về robot, các cơ cấu robot và đặc biệt là các mô hình robot song song. Dựa trên đó để xây dựng được hệ thống robot 4 bậc tự do đáp ứng được yêu cầu đặt ra của đề tài. Nghiên cứu và áp dụng các giải thuật điều khiển, các phương pháp xử lý tín hiệu, các bộ lọc số.
Tìm kiếm các ví dụ tham khảo qua đó tối ưu và áp dụng vào bài toán thực tế. Nội dung nghiên cứu: Các nội dung nghiên cứu được thực hiện trong luận văn bao gồm: - Nghiên cứu, xây dựng mô hình lý thuyết cơ cấu chuyển động cho hệ thống robot 4 bậc tự do. - Thiết kế cơ khí, lựa chọn linh kiện, vật tư, cơ cấu truyền động chấp hành, motor, cảm biến…. - Lắp đặt, vận hành, chạy thử nghiệm hệ thống không tải và có tải hệ thống trạm thu di động.
- Đo kiểm và đánh giá hoạt động của hệ thống robot. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH Yêu cầu xây dựng mô hình Hình 1. Mô phỏng chuyển động trên tàu thủy bằng phương pháp thủ công Với mục đích thay thế việc mô phỏng các chuyển động, dao động trên tàu thủy khi chịu tác động của sóng bằng phương pháp thủ công như Hình 1.1 bằng một phương pháp nhanh chóng, đơn giản, thuận tiện, đáp ứng được các thông số đặt ra và tiết kiêm chi phí hơn. Do đó yêu cầu thiết kế của đề tài đó là xây dựng được một mô hình robot có khả năng mô phỏng lại được các chuyển động trên tàu thủy.
Cụ thể hơn, kết quả của đề tài sẽ mô phỏng lại sự thay đổi về các góc phương hướng của hệ thống antena thu phát sóng đặt trên thuyền. Vị trí và phương hướng trong không gian của một vật thể, trong trường hợp này là hệ thống antena thu phát sóng, được xác định như một vị trí và phương hướng của một khung tham chiếu chính đặt trong một khung tham chiếu khác cố định với vật thể. Để xác định được phương hướng của vật thể, ta cần ít nhất 03 giá trị độc lập mặc dù một vật thể có thể di chuyển tự do trong không gian (vật thể có 06 bậc tự do) sẽ có 06 giá trị để xác định vị trí và phương hướng. Do hệ thống antena thu phát sóng được đặt trên tàu thủy, nên tâm quay của hệ tọa độ tham chiếu (là antena) sẽ trùng với hệ tọa độ gốc (là tàu thủy).
Nếu như hệ tọa độ gốc 3 đặt cố định tại đất liền (gắn với trái đất) thì ta cần thêm 03 giá trị thể hiện sự tịnh tiến của hệ tọa độ tham chiếu theo hệ tọa độ gốc theo 03 phương vuông góc với nhau. Kết luận: mô hình robot của đề tài sẽ mô phỏng 03 giá trị góc phương hướng. Biểu diễn phương hướng của vật thể Để biểu diễn phương hướng có rất nhiều phương pháp, trong đó Leonhard Euler là người tiên phong trong việc này, ông đã tưởng tượng ra 03 khung tham chiếu có thể quay lần lượt vòng quanh nhau và nhận ra rằng bằng cách sử dụng một khung tham chiếu cố định và biểu diễn ba vòng quay, ông có thể dùng biểu diễn bất kỳ khung tham chiếu nào khác trong không gian. Giá trị thu được của biểu diễn ba vòng quay được gọi là các góc Euler [5].
Phép biểu diễn Euler [6] Việc biểu diễn các góc Euler này cũng có rất nhiều lựa chọn (12 lựa chọn) trong đó có 06 kiểu gọi là vòng quay nội tại (hay còn được gọi là góc Euler cổ điển) và 06 kiểu còn lại được gọi là vòng quay bên ngoài (hay còn được gọi là góc Tait-Bryan). Khác nhau cơ bản của vòng quay bên ngoài và vòng quay nội tại là các phép quay nguyên tố sẽ xảy ra ở các trục của hệ tọa độ cố định (gắn liền với trái đất); còn vòng quay nội tại thì các phép quay nguyên tố sẽ thay đổi theo trục của hệ tọa độ mới sinh ra sau mỗi phép quay [7]. Chính vì việc phép quay nguyên tố xảy ra ở trục tọa độ cố định (bên ngoài) nên vòng quay bên ngoài hay các góc Tait-Bryan được ứng dụng trong việc xác định phương hướng của các vật thể, phương tiện đi lại và hàng không vũ trụ như: tàu thuyền, máy bay, tên lửa… Các góc Tait-Bryan còn được biết đến dưới dạng các định nghĩa thông dụng hơn như: góc nghiêng (roll angle), góc ngẩng (pitch angle) và góc cuộn (yaw angle). Biểu diễn góc nghiêng, góc ngẩng và góc cuộn 1.
TỔNG QUAN VỀ ROBOT Giới thiệu và phân loại robot Khái niệm robot đã được các nhà khoa học đưa ra nhiều cách định nghĩa khác nhau nhưng tổng kết lại thì điểm thống nhất của các khái niệm này là đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Các robot xuất hiện ban đầu dưới dạng đơn giản như các tay máy công nghiệp, và sau đó phát triển bùng nổ ra nhiều dạng khác nhau để phục vụ nhiều mục đích của người sử dụng. Robot được phát triển không chỉ về mặt đa dạng về cấu trúc mà còn được phát triển cả về mặt điều khiển, hiện nay các nhà khoa học sáng tạo ra được cả những loại robot có khả năng “suy nghĩ” và có cảm xúc như con người [3]. Để phân loại robot ta có thể chia theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động hoặc theo kết cấu.
Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động Người ta phân loại robot theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi có thể bổ sung thêm các bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc. Robot tọa độ vuông góc: robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc. Robot tọa độ trụ: ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay.
5 Robot tọa độ cầu: ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay.