Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa và công nghiệp hóa hiện đại, các quy trình sản xuất như chế tạo ô tô, lắp ráp thiết bị, phân loại sản phẩm hay phẫu thuật y khoa đòi hỏi độ chính xác và tính phối hợp ngày càng cao. Việc ứng dụng một robot đơn lẻ trong các tác vụ nâng chuyển vật nặng hoặc cồng kềnh thường dẫn đến tình trạng quá tải, gia tăng hao mòn cơ khí, tiềm ẩn rủi ro rơi vỡ hàng hóa và gây mất an toàn lao động. Do đó, việc phối hợp nhiều cánh tay robot cùng chia sẻ không gian làm việc và đồng bộ hóa thao tác là giải pháp kỹ thuật cần thiết để tối ưu hóa năng suất và nâng cao tính ổn định của hệ thống.

Trên thế giới, các tập đoàn tự động hóa lớn (như Fanuc, KUKA, YASKAWA, ABB, AUBO, HITACHI) đã phát triển và thương mại hóa các hệ thống robot nhiều bậc tự do có khả năng làm việc đồng bộ. Tại Việt Nam, các nghiên cứu trong nước trước đây đa phần tập trung vào động học, động lực học của robot đơn lẻ hoặc hệ hai cánh tay robot 2 bậc tự do (2-DOF) sử dụng động cơ bước với giải thuật Chủ - Tớ (Master-Slave). Đề tài "Thiết kế mô hình và bộ điều khiển đồng bộ cho hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do dựa trên mạng CAN" do sinh viên Nguyễn Tấn Lực và Hà Thiên Tranh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Đức Thiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 8/2022) nhằm giải quyết bài toán đồng bộ hóa hai chiều cho hệ robot 3 bậc tự do (3-DOF) trong không gian làm việc chung.

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm và phát triển thuật toán điều khiển đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling Control) kết hợp cấu trúc điều khiển phân tán qua mạng CAN Bus. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Thiết kế mô hình 3D cho hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do và lựa chọn linh kiện phần cứng phù hợp (kích thước, động cơ, cơ cấu truyền động).
  2. Chuyển đổi hệ tọa độ cục bộ của hai robot về hệ tọa độ không gian làm việc chung.
  3. Tính toán động học thuận, động học nghịch và quy hoạch quỹ đạo chuyển động trong không gian làm việc chung.
  4. Nhúng dữ liệu quỹ đạo từ MATLAB/Simulink sang mô hình mô phỏng Simscape Multibody và phần cứng thực tế.
  5. Nghiên cứu giao thức mạng CAN Bus và thiết kế hệ thống điều khiển phân tán cho hai robot.
  6. Thiết kế, chế tạo mạch in (PCB) và tủ điện điều khiển phục vụ giao tiếp CAN Bus giữa các vi điều khiển.
  7. Thi công cơ khí mô hình hai cánh tay robot 3 bậc tự do và lắp ráp hoàn thiện tủ điều khiển.
  8. Nghiên cứu và mô hình hóa giải thuật điều khiển đồng bộ Chủ - Tớ (Master-Slave).
  9. Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling).
  10. Kiểm chứng và đánh giá giải thuật Master-Slave trên mô phỏng và thực nghiệm.
  11. Kiểm chứng và đánh giá giải thuật Cross-Coupling trên mô phỏng và thực nghiệm với các thông số hệ số điều chỉnh khác nhau.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Hệ thống điều khiển đồng bộ hai cánh tay robot kiểu SCARA 3 bậc tự do phẳng (chuyển động trong mặt phẳng Oxy).
  • Phạm vi không gian và thông số kỹ thuật ban đầu:
    • Kích thước phủ bì hệ thống: $1500 \times 500 \times 400\text{ mm}$ (Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao).
    • Khối lượng tổng thể toàn hệ thống: khoảng $60\text{ kg}$.
    • Miền làm việc chung: diện tích $30\text{ cm}^2$, cách tâm đế dưới $145\text{ mm}$.
    • Điều kiện vận hành thực nghiệm: Hệ thống hoạt động ở chế độ không tải (chưa tích hợp ngoại lực nâng vật nặng), tập trung vào khảo sát sai số bám quỹ đạo và sai số đồng bộ vị trí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết toán học và kỹ thuật điều khiển dựa trên các phương pháp chuẩn trong kỹ thuật robot và mạng truyền thông công nghiệp:

1. Phương pháp mô hình hóa động học

  • Động học thuận: Sử dụng phương pháp biểu diễn thông số Denavit-Hartenberg (D-H) để gắn hệ trục tọa độ lên từng khớp quay. Thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất $^{i-1}i T$ giữa khâu $i$ và khâu $i-1$: $$^{i-1}i T = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i & 0 & a{i-1} \ \sin\theta_i\cos\alpha{i-1} & \cos\theta_i\cos\alpha_{i-1} & -\sin\alpha_{i-1} & -\sin\alpha_{i-1}d_i \ \sin\theta_i\sin\alpha_{i-1} & \cos\theta_i\sin\alpha_{i-1} & \cos\alpha_{i-1} & \cos\alpha_{i-1}d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$ Nhân liên tiếp các ma trận chuyển vị để xác định ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ đến khâu tác động cuối $^0_3 T = ^0_1 T \cdot ^1_2 T \cdot ^2_3 T$.
  • Động học nghịch: Sử dụng kết hợp phương pháp đại số và phương pháp hình học để tính toán giá trị các biến khớp $(\theta_1, \theta_2, \theta_3)$ từ tọa độ vị trí $(P_x, P_y)$ và hướng tiếp cận mong muốn trong mặt phẳng.

2. Phương pháp quy hoạch quỹ đạo

Sử dụng đa thức bậc 3 (Cubic Polynomial) để nội suy quỹ đạo điểm - điểm trong không gian làm việc. Phương trình vị trí khớp có dạng $q(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$, với các hệ số được xác định dựa trên điều kiện biên tại thời điểm ban đầu $t_0$ ($q(t_0) = q_0, \dot{q}(t_0) = v_0$) và thời điểm kết thúc $t_f$ ($q(t_f) = q_f, \dot{q}(t_f) = v_f$).

3. Phương pháp điều khiển phân tán và mạng CAN Bus

Hệ thống sử dụng mạng điều khiển khu vực CAN (Controller Area Network) chuẩn CAN 2.0 (tốc độ High Speed lên đến 1 Mbps) tuân theo tiêu chuẩn ISO-11898. Dữ liệu được truyền qua cặp dây xoắn vi sai CAN_H và CAN_L với hai điện trở phối hợp trở kháng $120\ \Omega$ ở hai đầu bus. Khung truyền dữ liệu (Data Frame) định dạng chuẩn 11-bit ID gồm 7 trường: Start of Frame (SOF), Arbitration Field, Control Field, Data Field (0-8 bytes), CRC Field, ACK Field và End of Frame (EOF).

4. Lý thuyết điều khiển đồng bộ

Phương pháp Cơ chế hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng phù hợp
Đồng bộ Chủ - Tớ (Master-Slave) Robot Tớ (Slave) lấy vị trí thực tế hoặc tín hiệu ra của Robot Chủ (Master) làm giá trị đặt. Cấu trúc điều khiển đơn giản, dễ cài đặt và tính toán. Phụ thuộc hoàn toàn một chiều; nếu Robot Tớ gặp sự cố hoặc sai lệch, Robot Chủ không tự điều chỉnh theo. Dây chuyền sản xuất phân loại hoặc cấp phôi theo chuỗi đơn giản.
Đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling) Xác định sai số vị trí từng robot $e_i(t) = x_{id}(t) - x_i(t)$ và sai số đồng bộ tương hỗ $\epsilon_1(t) = e_1(t) - e_2(t)$, $\epsilon_2(t) = e_2(t) - e_1(t)$. Bù tín hiệu đặt hai chiều: $X_i = X_{id} + \alpha_{ix} \epsilon_{ix}$. Tương tác hai chiều, cả sai số bám quỹ đạo và sai số đồng bộ đều tiệm cận 0; khả năng chống nhiễu cao. Cần hiệu chỉnh hệ số ghép kênh $\alpha$, thuật toán phức tạp hơn. Các hệ thống phối hợp nâng hạ vật nặng, lắp ráp chính xác cao.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và triển khai theo quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh từ mô hình hóa cơ khí, điện tử điều khiển đến lập trình nhúng phần mềm.

1. Thiết kế cơ khí

  • Cấu trúc: Hai cánh tay robot cấu hình SCARA 3 bậc tự do phẳng quay quanh trục thẳng đứng, vận hành trong mặt phẳng Oxy.
  • Vật liệu: Các chi tiết thân, khâu nối (Link 1, Link 2, Link 3) và vỏ hộp động cơ được gia công cắt laser từ tấm Mica dày nhằm giảm trọng lượng bản thân mà vẫn đảm bảo độ cứng vững hình học.
  • Truyền động: Sử dụng cơ cấu dây đai răng (timing belt) và bánh đai puly để truyền chuyển động từ động cơ đến các trục khớp. Toàn bộ các động cơ chấp hành được bố trí tập trung tại hộp đế để giảm thiểu tối đa mô-men quán tính tĩnh và động tác dụng lên các khâu chuyển động.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển phân tán

  • Phần cứng điều khiển:
    • Khối Master: Vi điều khiển trung tâm STM32F407 đảm nhiệm tính toán quy hoạch quỹ đạo, thuật toán đồng bộ Cross-Coupling và phân phối lệnh.
    • Khối Slave (Slave 1 và Slave 2): Sử dụng các module STM32F407 và Arduino Nano để nhận lệnh qua bus CAN, trực tiếp phát xung điều khiển driver và đọc tín hiệu phản hồi.
  • Cơ cấu chấp hành: Động cơ AC Servo đi kèm driver điều khiển vị trí chính xác cao.
  • Giao tiếp mạng: Bộ thu phát CAN Transceiver chuyển đổi tín hiệu logic TTL sang mức điện áp vi sai trên 2 dây CAN_H, CAN_L; đường truyền gắn 2 điện trở đầu cuối $120\ \Omega$.
  • Giao diện giám sát: Sử dụng giao tiếp UART qua cổng COM ảo (USB-to-Serial) kết nối với máy tính, thu thập dữ liệu vị trí góc và tọa độ theo thời gian thực bằng chương trình viết trên ngôn ngữ Python.

3. Quy trình phần mềm và nhúng hệ thống

  • Xây dựng mô hình 3D chi tiết trên phần mềm SolidWorks 2021.
  • Xuất dữ liệu hình học và vật lý sang Simscape Multibody trong môi trường MATLAB/Simulink.
  • Thiết lập giải thuật động học, mô phỏng phản hồi vòng kín và thuật toán đồng bộ trên Simulink.
  • Nhúng chương trình điều khiển thời gian thực trực tiếp xuống vi điều khiển STM32F407 thông qua thư viện Waijung Blockset.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong tự động hóa sản xuất, phân tích bối cảnh nghiên cứu phối hợp đa robot trên thế giới và tại Việt Nam. Xác định rõ mục tiêu, 11 nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và công cụ đánh giá (SolidWorks, MATLAB-Simulink, Simscape, Python Serial). Đưa ra bảng phân tích ưu - nhược điểm của hai phương pháp điều khiển đồng bộ và khảo sát các sản phẩm thương mại của các hãng công nghiệp hàng đầu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết nền tảng phục vụ tính toán và thiết kế:

  • Định nghĩa robot và nguyên lý hoạt động của tay máy công nghiệp.
  • Phương pháp thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất theo quy ước D-H và giải bài toán động học thuận/nghịch.
  • Quy hoạch quỹ đạo hàm bậc 3 (Cubic Polynomial).
  • Lý thuyết cấu trúc điều khiển phân tán so với điều khiển tập trung.
  • Giao thức mạng CAN BUS 2.0 (thông số kỹ thuật, cấu trúc 4 loại frame: Data, Remote, Error, Overload; dạng chuẩn 11-bit ID và dạng mở rộng 29-bit ID; cơ chế phân xử bit Dominant/Recessive và chuẩn CAN High Speed).
  • Nguyên lý giải thuật đồng bộ Master-Slave và Cross-Coupling.
  • Giao thức truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART (cấu trúc gói tin: Start bit, Data bits, Parity bit, Stop bit).

Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng

Chi tiết hóa quá trình tính toán, lựa chọn linh kiện và gia công chế tạo:

  • Xác định yêu cầu kỹ thuật phần cứng cho robot SCARA 3-DOF phẳng Oxy.
  • Thiết kế bản vẽ 2D/3D các chi tiết mặt đáy, mặt sau, mặt trên, mặt bên của hộp động cơ và các khâu liên kết (Link 1, Link 2, Link 3) trên SolidWorks để cắt Mica.
  • Tính toán lựa chọn dây curoa quanh hai puly và tính toán mô-men xoắn, vận tốc góc yêu cầu cho từng khớp của Robot 1 và Robot 2 để chọn động cơ AC Servo phù hợp.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ nối dây phần điện (sơ đồ Master kết nối các Slave) và layout mạch in PCB.
  • Thi công lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển, gá đặt cơ khí hai robot và thiết kế 4 màn hình giao diện điều khiển vận hành.

Chương 4: Tính toán động học và thuật toán điều khiển robot đồng bộ

  • Thiết lập sơ đồ khối tổng quan của hệ thống điều khiển đồng bộ hai cánh tay robot 3 bậc tự do.
  • Xây dựng bảng thông số D-H và thiết lập phương trình động học thuận cho từng robot đơn lẻ.
  • Giải bài toán động học nghịch bằng phương pháp kết hợp hình học - đại số để tìm nghiệm góc khớp.
  • Xây dựng phép biến đổi tọa độ để đưa hai robot về không gian làm việc chung.
  • Xác định không gian làm việc (Workspace) dựa trên hai bộ nghiệm động học nghịch và tính toán vùng giao thoa làm việc chung.
  • Thiết lập cấu trúc toán học của bộ điều khiển đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling Controller) với các hệ số hiệu chỉnh sai số $\alpha_{ix}, \alpha_{iy}$.

Chương 5: Mô phỏng kết quả tính toán

  • Chuyển đổi mô hình CAD từ SolidWorks sang Simscape Multibody trong môi trường MATLAB/Simulink.
  • Mô phỏng động học bám quỹ đạo cho robot đơn lẻ theo các dạng hình học: từ điểm tới điểm, tam giác (3 điểm), tứ giác (4 điểm) và đường tròn.
  • Xây dựng khối mô phỏng tạo lỗi/nhiễu tác động vào Link 1 của hai robot.
  • Thực hiện mô phỏng so sánh đáp ứng chuyển động theo trục X và Y giữa:
    1. Trường hợp không có bộ điều khiển đồng bộ.
    2. Trường hợp áp dụng thuật toán Master-Slave.
    3. Trường hợp áp dụng thuật toán Cross-Coupling.

Chương 6: Phương pháp điều khiển phân tán áp dụng mạng CAN BUS

  • Xây dựng sơ đồ khối chi tiết hệ thống điều khiển phân tán phân tầng sử dụng CAN BUS.
  • Cài đặt cấu hình mạng, phân chia bit timing ($t_q$) và thiết lập định dạng dữ liệu truyền nhận giữa Master và các Slave.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho từng khối chức năng:
    • Khối Master và khối xử lý nút nhấn giao diện.
    • Khối Slave 1 và Slave 2 điều khiển các khớp.
    • Khối định vị gốc tọa độ (Home) và bù điểm đặt (offset).
    • Khối giao tiếp CAN giữa Arduino Nano và STM32F407.
    • Khối phát xung điều khiển động cơ AC Servo.

Chương 7: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

  • Hoàn thiện mô hình thực nghiệm và tủ điện điều khiển thực tế.
  • Đo đạc và thu thập dữ liệu đáp ứng góc khớp và tọa độ thực tế của hai robot khi chạy các quỹ đạo: đường thẳng, hình tam giác, hình tứ giác và đường tròn.
  • Đánh giá khả năng đồng bộ thực tế qua các kịch bản:
    • Khi không áp dụng thuật toán đồng bộ.
    • Khi áp dụng thuật toán đồng bộ Master-Slave.
    • Khi áp dụng thuật toán đồng bộ Cross-Coupling với các giá trị hệ số $\alpha$ khác nhau ($\alpha = 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9$).
  • Đồ thị hóa và tổng hợp sai số vị trí, sai số đồng bộ theo hai trục X và Y để đối chứng hiệu quả giữa mô phỏng và thực tế.

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Tóm tắt toàn bộ các mục tiêu đã hoàn thành về phần cứng, giải thuật và mạng truyền thông; thẳng thắn chỉ ra các giới hạn về độ rung cơ khí và vắng mặt mô hình động lực học có tải; đề xuất phương hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Cơ khí & Phần cứng: Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hai cánh tay robot SCARA 3-DOF bằng vật liệu Mica, dẫn động đai răng, đi kèm tủ điều khiển công nghiệp tích hợp vi điều khiển STM32F407, Arduino Nano và động cơ AC Servo.
  • Mạng truyền thông: Thiết lập thành công mạng CAN Bus chuẩn CAN 2.0 tốc độ cao, hoạt động ổn định giữa vi điều khiển trung tâm Master và các vi điều khiển Slave để điều khiển phân tán các khớp mà không xảy ra nghẽn bus hay mất gói tin.
  • Thuật toán & Quy hoạch: Thực thi thành công thuật toán quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc 3 cho các quỹ đạo chuẩn (đường thẳng, tam giác, tứ giác, đường tròn) trên không gian làm việc chung.
  • Kết quả điều khiển đồng bộ thực nghiệm:
    • Khi không có bộ điều khiển đồng bộ: Dưới tác động của sai số cơ khí và trễ truyền thông, sai số lệch pha vị trí giữa hai cánh tay robot duy trì ở mức cao và không tự triệt tiêu.
    • Khi áp dụng thuật toán Master-Slave: Robot Slave bám theo Robot Master nhưng đáp ứng bị trễ pha một khoảng thời gian; khi tạo nhiễu cưỡng bức lên Robot Master, Robot Slave bị lệch theo mà Master không có phản hồi bù trừ.
    • Khi áp dụng thuật toán Cross-Coupling: Cả hai robot đều tự động điều chỉnh vận tốc và vị trí khi có sai lệch. Khi khảo sát hệ số $\alpha$ từ $0.1$ đến $0.9$, giá trị $\alpha$ thích hợp giúp sai số đồng bộ $\epsilon_i(t)$ và sai số vị trí $e_i(t)$ nhanh chóng hội tụ về 0, đảm bảo độ bám quỹ đạo chính xác giữa hai đầu công tác.

2. Đóng góp khoa học và thực tiễn của đồ án

  • Nâng cấp thành công cấu trúc mô hình từ 2 bậc tự do (của các nghiên cứu trước tại trường) lên hệ hai cánh tay robot 3 bậc tự do, cho phép điều khiển định hướng khâu cuối (End-Effector) và mở rộng không gian làm việc.
  • Ứng dụng thành công giao thức CAN Bus công nghiệp vào hệ điều khiển robot phân tán nhiều bậc tự do, giải quyết triệt để việc giảm thiểu số lượng dây dẫn và nâng cao khả năng kháng nhiễu so với kết nối song song truyền thống.
  • Làm chủ quy trình thiết kế mô hình hóa liên kết: từ bản vẽ CAD (SolidWorks) $\to$ mô phỏng vật lý đa vật thể (Simscape Multibody) $\to$ nhúng mã tự động xuống vi điều khiển ARM Cortex-M4 (Waijung Blockset trên STM32F407).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Kết cấu cơ khí: Do gia công bằng vật liệu Mica và truyền động thông qua hệ thống dây curoa dài, hệ thống vẫn tồn tại độ rơ cơ khí và hiện tượng rung nhẹ khi chuyển hướng hoặc vận hành ở dải vận tốc cao.
  • Mô hình toán: Đề tài chỉ dừng lại ở bài toán động học và khảo sát thực nghiệm ở chế độ không tải (chưa xây dựng mô hình động lực học phi tuyến hoàn chỉnh có xét ma sát khớp và quán tính biến thiên khi mang tải nặng).

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Cải tiến kết cấu cơ khí bằng vật liệu kim loại (nhôm định hình, hợp kim gia công CNC) và cơ cấu truyền động độ chính xác cao (hộp giảm tốc Harmonic hoặc Cycloid) nhằm triệt tiêu độ rơ và rung lắc.
  • Xây dựng mô hình động lực học đầy đủ (phương pháp Lagrange hoặc Newton-Euler), tích hợp bộ điều khiển bù mô-men phi tuyến (Computed Torque Control) hoặc điều khiển trượt (Sliding Mode Control) kết hợp đồng bộ Cross-Coupling.
  • Gắn thêm cơ cấu kẹp (End-Effector) và cảm biến lực/mô-men để thực nghiệm bài toán hai robot cùng nâng, vận chuyển vật nặng có khối lượng thay đổi trong môi trường thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot:

  • Về mặt thuật toán điều khiển: Phương pháp thiết lập không gian làm việc chung và triển khai thuật toán đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling Controller) tại Chương 4 và Chương 5 cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết cho các đề tài về điều khiển đa tác tử, đa cánh tay robot hợp tác.
  • Về mặt kỹ thuật mạng nhúng: Cấu hình mạng CAN BUS 2.0, quy cách đóng gói dữ liệu và lưu đồ giải thuật điều khiển phân tán tại Chương 6 là hướng dẫn thực tiễn cho việc phát triển các hệ thống điều khiển công nghiệp nhiều trục phân tán.
  • Về mặt công cụ kỹ thuật: Quy trình liên kết mô phỏng từ SolidWorks qua Simscape Multibody và nhúng mã tự động xuống kit STM32F407 qua Waijung Blockset là quy trình mẫu giúp rút ngắn thời gian phát triển các hệ thống cơ điện tử thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình cơ khí và không gian làm việc của hệ hai cánh tay robot trong đề tài được thiết kế như thế nào?

Hệ thống gồm hai cánh tay robot kiểu SCARA 3 bậc tự do phẳng (3-DOF), các khớp quay trong mặt phẳng Oxy. Toàn bộ thân khâu được cắt từ Mica, truyền động bằng đai răng và puly. Các động cơ AC Servo được gắn cố định tại đế hộp để giảm quán tính. Hệ thống có kích thước $1500 \times 500 \times 400\text{ mm}$, nặng $60\text{ kg}$, với miền làm việc chung có diện tích $30\text{ cm}^2$ cách tâm đế dưới $145\text{ mm}$.

2. Mạng CAN BUS trong hệ thống được thiết lập với các thông số kỹ thuật nào?

Hệ thống sử dụng mạng CAN chuẩn CAN 2.0 High Speed với tốc độ truyền tối đa 1 Mbps, định dạng khung dữ liệu tiêu chuẩn (Standard Frame) sử dụng ID 11-bit, dữ liệu Data Field tối đa 8 bytes. Đường truyền vật lý sử dụng cặp dây xoắn vi sai CAN_H và CAN_L cùng 2 điện trở đầu cuối $120\ \Omega$ để chống phản xạ tín hiệu, liên kết vi điều khiển Master (STM32F407) với các vi điều khiển Slave (STM32F407, Arduino Nano).

3. Thuật toán điều khiển đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling) có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp Chủ - Tớ (Master-Slave)?

Phương pháp Chủ - Tớ chỉ là điều khiển một chiều (Robot Tớ bám theo Robot Chủ), nếu Robot Tớ gặp sự cố hoặc sai số lớn thì Robot Chủ không thể nhận biết để tự điều chỉnh. Ngược lại, thuật toán Cross-Coupling tính toán sai số vị trí riêng lẻ $e_i(t)$ và sai số tương hỗ $\epsilon_i(t)$ giữa cả hai robot, sau đó bù tín hiệu đặt hai chiều ($X_i = X_{id} + \alpha_{ix}\epsilon_{ix}$), giúp cả hai robot cùng tự điều chỉnh để đưa sai số vị trí và sai số đồng bộ tiệm cận về 0.

4. Quy trình chuyển đổi và nhúng mô hình từ thiết kế sang vi điều khiển thực tế được thực hiện qua các bước nào?

Mô hình 3D được thiết kế ban đầu trên SolidWorks 2021, sau đó được xuất trực tiếp sang mô hình vật lý Simscape Multibody trong MATLAB. Sau khi tính toán động học và kiểm chứng thuật toán điều khiển trên Simulink, chương trình được cấu hình và nhúng trực tiếp xuống vi điều khiển STM32F407 thông qua bộ công cụ Waijung Blockset.

5. Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống được thu thập và giám sát bằng công cụ gì?

Dữ liệu góc khớp và tọa độ chuyển động thực tế từ vi điều khiển được truyền nối tiếp qua giao thức UART (cổng COM ảo) lên máy tính và được ghi nhận, trích xuất, vẽ đồ thị phân tích theo thời gian thực bằng chương trình viết trên ngôn ngữ Python (sử dụng thư viện Serial).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Tấn Lực và Hà Thiên Tranh đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống điều khiển đồng bộ cho hai cánh tay robot 3 bậc tự do dựa trên cấu trúc mạng CAN BUS phân tán. Bằng việc áp dụng thành công thuật toán đồng bộ ràng buộc chéo (Cross-Coupling), đề tài đã chứng minh được tính ưu việt trong việc giảm thiểu sai số bám quỹ đạo và sai số đồng bộ hai chiều so với phương pháp Chủ - Tớ truyền thống. Công trình là một tài liệu tham khảo hoàn chỉnh, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích động học, mô phỏng Simscape chuyên sâu và thi công phần cứng thực nghiệm trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.