Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển tự động hóa tại Việt Nam, việc ứng dụng robot công nghiệp ngày càng trở nên thiết yếu nhằm thay thế lao động thủ công trong các công đoạn như đóng gói, hàn, phun sơn và lắp ráp. Theo ước tính, các hệ thống robot công nghiệp hiện chiếm tỷ lệ lớn trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, góp phần nâng cao năng suất và giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống truyền động và điều khiển robot tại Việt Nam vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu, với chi phí đầu tư và bảo trì cao, đồng thời gặp khó khăn trong việc sửa chữa và nâng cấp do thiếu sự chủ động về công nghệ.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển phân tán cho robot công nghiệp SHEPHENT, một robot SCARA tiêu biểu, nhằm phát triển giải pháp điều khiển nội địa với chi phí thấp, linh hoạt và có khả năng mở rộng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế thuật toán nội suy quỹ đạo, vận tốc, xây dựng nền tảng truyền thông công nghiệp dựa trên chuẩn CAN mở, và triển khai phần cứng điều khiển phân tán phù hợp với điều kiện Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào robot SHEPHENT tại môi trường công nghiệp trong nước, với thời gian nghiên cứu từ năm 2005 đến 2006.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí đầu tư, nâng cao khả năng tự chủ công nghệ, đồng thời tạo nền tảng phát triển các hệ thống robot công nghiệp phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam. Các chỉ số hiệu quả như chi phí thiết bị, độ chính xác điều khiển và khả năng mở rộng hệ thống được đặt ra làm tiêu chí đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển phân tán và lý thuyết động học robot SCARA. Lý thuyết điều khiển phân tán cho phép phân chia nhiệm vụ điều khiển thành các bộ điều khiển nhỏ, kết nối qua mạng truyền thông công nghiệp, giúp tăng tính linh hoạt và giảm chi phí so với hệ thống tập trung truyền thống. Lý thuyết động học robot SCARA cung cấp mô hình toán học cho chuyển động của robot SHEPHENT, bao gồm động học thuận và động học ngược, giúp xác định vị trí và góc quay các khớp dựa trên tọa độ tay robot.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm:

  • Điều khiển phân tán (Distributed Control): Hệ thống điều khiển được phân chia thành nhiều bộ điều khiển nhỏ, hoạt động độc lập nhưng phối hợp qua mạng truyền thông.
  • Động học thuận và ngược (Forward and Inverse Kinematics): Phương pháp tính toán vị trí tay robot từ các góc khớp và ngược lại.
  • Thuật toán nội suy quỹ đạo (Trajectory Interpolation Algorithm): Phương pháp tính toán các điểm trung gian trên quỹ đạo chuyển động để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.
  • Chuẩn truyền thông CAN (Controller Area Network): Giao thức truyền thông công nghiệp mở, có khả năng chống nhiễu cao và chi phí thấp, phù hợp với điều khiển phân tán.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu kỹ thuật, mô hình toán học của robot SHEPHENT, và các chuẩn truyền thông công nghiệp. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa và phân tích động học robot: Sử dụng ma trận DH để xây dựng mô hình động học thuận và giải bài toán động học ngược bằng phương pháp hình học.
  • Phát triển thuật toán nội suy quỹ đạo: Triển khai thuật toán nội suy đa thức bậc 2 qua 3 điểm, kết hợp các đoạn nội suy để tạo quỹ đạo liên tục, đảm bảo vận tốc và gia tốc phù hợp.
  • Thiết kế hệ thống truyền thông VCCAN dựa trên chuẩn CAN: Nghiên cứu kiến trúc giao thức, phần cứng vi xử lý Atmel AT89C51CC02 và dsPic30F4011 để xây dựng nền tảng truyền thông tin hiệu quả.
  • Triển khai phần cứng và phần mềm điều khiển phân tán: Phát triển bộ điều khiển động cơ servo DC, bộ chuyển đổi USB-CAN, và phần mềm điều khiển trên máy tính PC với giao diện hỗ trợ tạo quỹ đạo và giám sát hệ thống.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1/2005 đến tháng 8/2006, với cỡ mẫu là robot SHEPHENT và các bộ điều khiển phát triển thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công hệ thống điều khiển phân tán cho robot SHEPHENT: Hệ thống gồm các bộ điều khiển động cơ riêng biệt kết nối qua mạng truyền thông VCCAN, cho phép điều khiển đồng bộ 4 khớp với độ chính xác vị trí đạt khoảng 0.1 độ, giảm chi phí thiết bị xuống khoảng 30% so với hệ thống tập trung truyền thống.

  2. Phát triển thuật toán nội suy quỹ đạo đa điểm hiệu quả: Thuật toán nội suy đa thức bậc 2 qua 3 điểm được triển khai trên C++ cho phép tính toán quỹ đạo rời rạc với sai số vị trí dưới 0.5 mm, vận tốc và gia tốc liên tục, đảm bảo chuyển động mượt mà và giảm mài mòn cơ khí.

  3. Thiết kế và triển khai thành công nền tảng truyền thông VCCAN dựa trên chuẩn CAN: Hệ thống truyền thông đạt tốc độ truyền dữ liệu 1 Mbps, khả năng chống nhiễu cao, đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu thời gian thực cho điều khiển robot, với chi phí phần cứng giảm khoảng 40% so với các chuẩn truyền thông đắt tiền như Profibus DP.

  4. Phần mềm điều khiển trên PC hỗ trợ tạo và giám sát quỹ đạo hiệu quả: Giao diện đồ họa thân thiện, cho phép người dùng nhập các điểm tựa, vận tốc, gia tốc, và theo dõi mô phỏng chuyển động robot theo thời gian thực, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng điều khiển phân tán với nền tảng truyền thông CAN mở là phù hợp với điều kiện kỹ thuật và kinh tế tại Việt Nam. So với các hệ thống tập trung truyền thống, hệ thống phân tán giảm đáng kể chi phí dây dẫn và bộ vi xử lý trung tâm, đồng thời tăng tính linh hoạt trong mở rộng và nâng cấp. Thuật toán nội suy quỹ đạo đa điểm đảm bảo chuyển động liên tục, giảm rung lắc và mài mòn cơ khí, phù hợp với yêu cầu vận hành robot trong công nghiệp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ thống VCCAN phát triển có hiệu suất tương đương các chuẩn CANOpen và DeviceNet, nhưng ưu thế về chi phí và khả năng tùy biến cao hơn. Việc triển khai phần cứng dựa trên vi xử lý Atmel và dsPic phù hợp với nguồn lực kỹ thuật trong nước, tạo điều kiện thuận lợi cho sản xuất và bảo trì.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chi phí, độ chính xác và tốc độ truyền thông giữa các hệ thống điều khiển tập trung và phân tán, cũng như bảng thống kê sai số vị trí và vận tốc trong quá trình thử nghiệm robot SHEPHENT.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi hệ thống điều khiển phân tán dựa trên chuẩn CAN trong các nhà máy sản xuất: Tập trung vào các dây chuyền có yêu cầu độ chính xác trung bình, nhằm giảm chi phí đầu tư và tăng tính linh hoạt. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các đơn vị kỹ thuật trong nước đảm nhận.

  2. Phát triển thêm các thuật toán nội suy quỹ đạo nâng cao: Bao gồm đa thức bậc cao và thuật toán mềm hóa các đoạn gấp khúc để nâng cao chất lượng chuyển động, giảm rung lắc và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng, phối hợp với các viện nghiên cứu.

  3. Mở rộng nền tảng truyền thông VCCAN tích hợp các chuẩn quốc tế khác: Để tăng khả năng tương thích và mở rộng hệ thống, đồng thời phát triển phần mềm điều khiển đa nền tảng. Thời gian thực hiện 1 năm, phối hợp với các nhà sản xuất thiết bị.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực đội ngũ kỹ thuật vận hành, bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về điều khiển phân tán, truyền thông CAN và lập trình điều khiển robot nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Thời gian liên tục, ưu tiên trong 6 tháng đầu triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về điều khiển phân tán và thuật toán nội suy quỹ đạo để thiết kế các hệ thống robot và máy CNC phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp: Hiểu rõ lợi ích kinh tế và kỹ thuật của việc phát triển công nghệ điều khiển robot nội địa, từ đó có chính sách hỗ trợ phù hợp.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ khí, tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và giảng dạy về điều khiển robot và truyền thông công nghiệp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị công nghiệp và robot: Áp dụng các giải pháp điều khiển phân tán và truyền thông CAN để phát triển sản phẩm mới, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điều khiển phân tán có ưu điểm gì so với hệ thống tập trung?
    Hệ thống phân tán giảm chi phí dây dẫn và bộ vi xử lý trung tâm, tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Ví dụ, trong robot SHEPHENT, chi