Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa công nghiệp hiện đại, robot cộng tác (cobot) đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng mạnh mẽ với tỷ lệ mở rộng thị trường ước tính đạt hơn 25% mỗi năm. Không giống như các cánh tay robot công nghiệp truyền thống vận hành trong khu vực biệt lập, cobot được thiết kế để làm việc song hành và tương tác trực tiếp với con người trong không gian chung. Tuy nhiên, cơ cấu truyền động khớp cứng thông thường tiềm ẩn rủi ro chấn thương nghiêm trọng khi xảy ra va chạm bất ngờ và khó đạt được chất lượng điều khiển lực tối ưu. Cơ cấu chấp hành đàn hồi (Elastic Actuator) nổi lên như một giải pháp đột phá nhờ khả năng hấp thụ sốc, giảm xung lực va chạm tức thời trên 50% và nâng cao độ an toàn cho người vận hành.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học toàn diện, phát triển thiết kế cơ khí khớp đàn hồi chi phí thấp và chế tạo nguyên mẫu cánh tay robot hai bậc tự do (2-DOF) có khả năng tương tác an toàn. Bên cạnh đó, luận văn tập trung thiết kế, thử nghiệm và so sánh hiệu năng của hai cấu trúc điều khiển chính: điều khiển phi tập trung (kết hợp bộ điều khiển mờ tỉ lệ tích phân FPIC và bộ điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình MRAC) cùng điều khiển tập trung (điều khiển trượt thích nghi ASMC bậc hai và điều khiển bền vững H-vô hạn phi tuyến). Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM phối hợp cùng Đại học Agder (Na Uy) trong giai đoạn từ năm 2018 đến tháng 8 năm 2021. Công trình mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc cung cấp một giải pháp phần cứng mã nguồn mở, chế tạo nhanh bằng công nghệ in 3D kết hợp kim loại, vận hành ở tần số lấy mẫu 100 Hz với độ chính xác cao và khả năng mở rộng linh hoạt cho các hệ thống robot phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng động lực học giải tích Euler-Lagrange để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến mô tả tương tác giữa hệ thống phía động cơ và hệ thống phía tải thông qua phần tử đàn hồi. Cấu trúc hình học không gian của tay máy 2 bậc tự do được định nghĩa thông qua ma trận chuyển đổi Denavit-Hartenberg (DH) 4x4, từ đó suy dẫn Jacobian vận tốc tịnh tiến và vận tốc góc của các khâu.

Hệ thống điều khiển được xây dựng dựa trên các lý thuyết tiên tiến:

  • Điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình (MRAC): Thiết lập luật thích nghi trực tuyến dựa trên hàm thế năng Lyapunov nhằm đảm bảo tính ổn định tiệm cận của sai số bám trạng thái.
  • Điều khiển mờ tỉ lệ tích phân (FPIC): Ứng dụng hệ quy tắc suy diễn mờ Mamdani gồm 25 luật mờ nhằm bù trừ các thành phần bất định và nhiễu tải ngoài.
  • Điều khiển trượt thích nghi (ASMC): Ứng dụng thuật toán trượt bậc hai super-twisting nhằm loại bỏ hiện tượng rung lắc (chattering), kết hợp kỹ thuật vùng chết (dead zone) chống trôi tham số.
  • Điều khiển H-vô hạn phi tuyến (Nonlinear Robust H-infinity): Giải bất đẳng thức Hamilton-Jacobi thông qua kỹ thuật bất đẳng thức ma trận phi tuyến (NLMI) và bổ đề Schur nhằm tối ưu hóa độ tiêu tán năng lượng L2.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ quá trình đo đạc tín hiệu thực tế trên mô hình phần cứng gồm cảm biến góc quay tuyệt đối 12-bit AMT-20 (độ phân giải 4096 xung/vòng) đặt tại trục tải và encoder quang học 2 kênh tích hợp trên động cơ GA25.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 50 chu kỳ kiểm thử mô phỏng dạng sóng sin (biên độ 1 rad, chu kỳ 8 giây, thời gian khảo sát 50 giây), 200 chu kỳ dạng sóng vuông (thời gian khảo sát 200 giây), cùng 30 lượt kiểm thử thực nghiệm trên cánh tay robot vật lý dưới điều kiện bình thường và khi có ngoại lực tác động bất ngờ. Phương pháp chọn mẫu thử nghiệm được lựa chọn theo hình thức quét toàn diện miền tần số và biên độ làm việc danh định của robot. Lý do lựa chọn phương pháp này nhằm đánh giá chính xác khả năng kháng nhiễu, kiểm chứng tính ổn định của hệ thống trước sự biến thiên tham số quán tính (lên tới ±20%) và độ cứng lò xo (lên tới ±30%).

Dữ liệu mô phỏng được xử lý trên môi trường Matlab Simulink với bước tích phân cố định 1 ms. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý theo thời gian thực trên vi điều khiển STM32F446RE với chu kỳ điều khiển 10 ms (tần số 100 Hz), kết nối máy tính chủ qua cổng giao tiếp USB với độ trễ truyền thông dưới 2 ms.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình robot 2 bậc tự do với khớp đàn hồi đã mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, cấu trúc điều khiển phi tập trung FPIC-MRAC thể hiện khả năng thích nghi tham số vượt trội. Khi hệ số quán tính tải thay đổi 20% và độ cứng lò xo dao động 30%, bộ điều khiển giúp hệ thống hội tụ về quỹ đạo đặt sau khoảng 3,5 giây, giảm sai số bám trung bình tới 68% so với phương pháp PID truyền thống.

Thứ hai, bộ điều khiển bền vững H-vô hạn phi tuyến cho tốc độ đáp ứng tức thời nhanh nhất. Thời gian xác lập của phương pháp H-vô hạn đạt mức 0,8 giây ở điều kiện danh định, nhanh hơn khoảng 25% so với các thuật toán thích nghi. Tuy nhiên, điện áp điều khiển cực đại đạt ngưỡng 11,8 V (cao hơn 15% so với mức 10,2 V của FPIC-MRAC) và tồn tại sai số xác lập nhỏ khoảng 0,02 rad.

Thứ ba, thuật toán điều khiển trượt thích nghi bậc hai (Super-twisting ASMC) kết hợp vùng chết giải quyết triệt để bài toán rung giật điện áp. Biên độ chattering giảm hơn 85%, đồng thời các tham số ước lượng ma trận khối lượng và ma trận Coriolis giữ độ ổn định cao, không xảy ra hiện tượng phân kỳ sau 200 giây vận hành liên tục.

Thứ tư, thiết kế cơ khí khớp đàn hồi đối xứng sử dụng 2 lò xo kéo nén đường kính ngoài 8 mm kết hợp bộ truyền đai răng tỷ số 4:1 và hộp giảm tốc 217:1 vận hành bền bỉ. Cơ cấu hấp thụ hoàn toàn xung lực va đập ngoài với mô-men xoắn tức thời lên đến 1,5 Nm mà không gây quá dòng động cơ hay hư hỏng cơ khí.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm chứng minh rằng khớp đàn hồi đóng vai trò như một bộ lọc thông thấp cơ học, giúp triệt tiêu các thành phần lực va chạm tần số cao. Việc tích hợp bộ điều khiển thích nghi MRAC ở phía động cơ đã giải quyết bài toán phi tuyến do độ trễ truyền động và tính đàn hồi phi tuyến của lò xo gây ra.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hệ thống đồ thị đáp ứng góc quay khớp (Joint angle response) và đồ thị điện áp điều khiển (Control voltage) theo trục thời gian từ 0 đến 50 giây. Qua các biểu đồ so sánh sóng sin, dạng đáp ứng của FPIC-MRAC bám sát đường đặt lý thuyết với độ lệch pha tiệt triệt tiêu dần sau chu kỳ đầu tiên. Bảng số liệu tổng hợp sai số tích phân tuyệt đối (IAE) chỉ ra rằng FPIC-MRAC đạt giá trị IAE thấp nhất với 0,14 rad.s, trong khi bộ điều khiển H-vô hạn đạt 0,22 rad.s và ASMC đạt 0,18 rad.s. Điều này khẳng định rằng cấu trúc phi tập trung không chỉ giảm thiểu khối lượng tính toán trên vi điều khiển mà còn mang lại độ mềm dẻo cao cho việc mở rộng số bậc tự do của robot.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được từ luận văn, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng công nghệ khớp đàn hồi trong thực tiễn:

  1. Nâng cấp vật liệu và tối ưu hóa kết cấu cơ khí: Tiến hành gia công CNC chính xác bằng hợp kim nhôm 6061 cho các cụm mặt bích trục 8 mm và thân khớp chịu lực chính thay vì in 3D hoàn toàn. Giải pháp này giúp tăng giới hạn chịu mỏi của kết cấu lên 40%, giảm khối lượng khớp 15% trong vòng 6 tháng tới.
  2. Nâng cao tần số điều khiển và xử lý tín hiệu phần cứng: Tối ưu hóa mã nguồn nhúng trên dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao, nâng tần số lấy mẫu từ 100 Hz lên 500 Hz (chu kỳ 2 ms). Đồng thời tích hợp bộ lọc Kalman mở rộng nhằm triệt tiêu nhiễu đo lường từ encoder trong thời hạn 3 tháng.
  3. Mở rộng kiến trúc phi tập trung trên mạng truyền thông công nghiệp: Chuyển đổi giao tiếp USB sang chuẩn mạng CANopen hoặc EtherCAT có độ trễ dưới 1 ms. Giải pháp này cho phép liên kết đồng bộ từ 6 đến 7 module khớp đàn hồi độc lập để hình thành cánh tay robot công nghiệp 6-DOF hoàn chỉnh trong lộ trình 12 tháng.
  4. Tích hợp mạng nơ-ron thích nghi và bộ quan sát nhiễu phi tuyến: Ứng dụng mạng nơ-ron tích hợp bộ quan sát nhiễu phi tuyến (NDOB) vào tầng điều khiển tải nhằm tự động bù trừ ma sát phi tuyến và độ trễ đàn hồi, hướng tới mục tiêu giảm sai số bám quỹ đạo xuống dưới 0,5% trong các tác vụ phẫu thuật hoặc lắp ráp chính xác cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng chuyên môn sau:

  • Kỹ sư R&D Robot và Tự động hóa: Nắm bắt quy trình thiết kế hoàn chỉnh từ tính toán động lực học, thiết kế cơ khí 3D, lựa chọn động cơ, cảm biến đến chế tạo khớp đàn hồi chi phí thấp phục vụ phát triển cobot thương mại.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Điều khiển tự động: Tiếp cận phương pháp thiết kế các thuật toán điều khiển phi tuyến hiện đại như MRAC, Fuzzy PI, Super-twisting SMC và Nonlinear H-infinity giải bằng NLMI kèm mã nguồn mô phỏng trên Matlab Simulink.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề Robot học nâng cao, hệ thống điều khiển thích nghi, hoặc làm mô hình thí nghiệm thực hành về điều khiển chuyển động mềm dẻo.
  • Doanh nghiệp phát triển thiết bị y tế và robot phục hồi chức năng: Khai thác giải pháp cơ cấu chấp hành mềm an toàn và thuật toán bám lực/vị trí để chế tạo các khung xương trợ lực (exoskeleton) hoặc thiết bị tập phục hồi chức năng chi dưới và chi trên.

Câu hỏi thường gặp

1. Khớp đàn hồi mang lại lợi thế vượt trội gì so với khớp cứng truyền thống trong robot cộng tác?
Khớp đàn hồi tích hợp các phần tử đàn hồi cơ học giúp hấp thụ sốc và giảm lực va đập tức thời trên 50% khi va chạm với con người. Bên cạnh đó, cơ cấu này có trở kháng cơ học thấp, tích trữ thế năng đàn hồi giúp tiết kiệm năng lượng và hỗ trợ kiểm soát lực tiếp xúc mượt mà hơn.

2. Điểm khác biệt cốt lõi giữa cấu trúc điều khiển tập trung và phi tập trung trong nghiên cứu là gì?
Điều khiển tập trung xử lý toàn bộ ma trận động lực học của cả 2 khớp cùng lúc trên một bộ xử lý trung tâm, đòi hỏi năng lực tính toán cao. Ngược lại, điều khiển phi tập trung tách biệt từng khớp thành các module độc lập chạy trên vi điều khiển riêng, giúp giảm độ phức tạp nối dây và tăng khả năng mở rộng hệ thống.

3. Làm thế nào để thuật toán Super-twisting ASMC loại bỏ được hiện tượng rung lắc (chattering)?
Thuật toán Super-twisting sử dụng luật điều khiển trượt bậc hai liên tục với thành phần tích phân của hàm dấu, kết hợp hàm tanh trơn hóa. Nhờ đó, tín hiệu điều khiển điện áp thay đổi liên tục và êm thuận, giảm hơn 85% biên độ chattering so với điều khiển trượt bậc một thông thường.

4. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển mờ (FPIC) và MRAC xử lý bất định tham số như thế nào?
Bộ FPIC ở tầng ngoài sử dụng 25 luật mờ để tính toán vị trí góc động cơ mong muốn và bù trừ nhiễu tải ngoài. Bộ MRAC ở tầng trong liên tục cập nhật ước lượng quán tính và hệ số cản theo thời gian thực dựa trên sai số Lyapunov, đảm bảo hệ thống bám sát mô hình mẫu với sai số dưới 0,02 rad.

5. Cấu hình phần cứng thực nghiệm của cánh tay robot 2 bậc tự do gồm những thiết bị nào?
Hệ thống sử dụng động cơ một chiều 12V GA25 kèm hộp giảm tốc 217:1, bộ truyền đai răng 4:1, cảm biến góc tuyệt đối 12-bit AMT-20, mạch cầu H điều khiển công suất và bo mạch vi điều khiển STM32F446RE vận hành ở tần số 100 Hz.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học động lực học Euler-Lagrange và động học Denavit-Hartenberg toàn diện cho cánh tay robot hai bậc tự do với khớp đàn hồi.
  • Chế tạo thành công nguyên mẫu cơ khí khớp đàn hồi chi phí thấp sử dụng lò xo kéo nén đối xứng kết hợp công nghệ in 3D và trục kim loại chịu lực 8 mm.
  • Thiết kế và triển khai thành công 4 thuật toán điều khiển tiên tiến bao gồm FPIC-MRAC, Super-twisting ASMC, và Nonlinear Robust H-infinity.
  • Kiểm chứng tính chính xác qua mô phỏng Matlab Simulink và thực nghiệm phần cứng thời gian thực trên vi điều khiển STM32F446RE ở chu kỳ lấy mẫu 10 ms với độ ổn định cao.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc thương mại hóa các dòng robot cộng tác an toàn, khung xương trợ lực y tế và thiết bị tự động hóa công nghiệp thế hệ mới.

Quý độc giả, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến việc phát triển robot cộng tác hoặc nhận chuyển giao công nghệ điều khiển khớp đàn hồi có thể liên hệ trực tiếp với nhóm nghiên cứu tại Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM để hợp tác thử nghiệm và triển khai ứng dụng thực tế.