Nghiên Cứu Điều Khiển Phối Hợp Hai Tay Máy

Lịch sử hình thành và phát triển của tay máy trải qua nhiều giai đoạn khác nhau với những bước ngoặt quan trọng để hình thành nên tay máy hiện đại như ngày nay. Nguồn gốc của tay máy gắn liền với nguồn gốc của robot công nghiệp. Thuật ngữ robot công nghiệp (Industrial Robot) được hình thành năm 1954. Năm 1956, George Devol và Joe Engelberger đã thành lập công ty Unimation. Robot công nghiệp đầu tiên ở châu Âu tên là Unimate ra đời năm 1959. Robot công nghiệp đầu tiên với vi điều khiển đã xuất hiện trên thị trường năm 1974, được phát triển bởi Richard Hohn. Tiếp theo đó nhiều robot mới ra đời như PUMA, SCARA, DENSO.

Thuật ngữ phối hợp trong kỹ thuật robot được hiểu là sự thực thi đồng thời của các tay máy để thực hiện một công việc cho trước. Vấn đề phối hợp giữa các tay máy đã được nhiều nhà khoa học và các công ty sản xuất robot lớn quan tâm nghiên cứu. Ví dụ về ứng dụng: sự kết hợp giữa hai robot hàn LR Mate của hãng FANUC, COMAU Robots sử dụng POWERLINK để đồng bộ tất cả các trục, hệ thống của SAS Berthaud sử dụng trong robot Motoman của YASKAWA, robot humanoid Ocean One của Trường Đại học Stanford.

Các vấn đề của tay máy phối hợp bao gồm: Vật cần thao tác là cứng hay mềm, bị ràng buộc hay không bị ràng buộc. Các tay cùng thao tác hay tay giữ vật, tay thao tác. Điều khiển tập trung hay phi tập trung. Tiếp xúc điểm hay tiếp xúc mặt. Theo luận văn của Đàm Thành Long, bài toán tập trung vào nghiên cứu di chuyển vật bị ràng buộc để giảm độ phức tạp, đồng thời hướng tới ứng dụng trong các lĩnh vực như lắp ráp sản phẩm, sơn.

Điều khiển chuyển động ràng buộc của một tay máy đã được giải quyết rõ ràng. Những kết quả này đã góp phần mở đường cho sự phát triển của sơ đồ điều khiển cho hệ thống nhiều tay máy ràng buộc. Số bậc tự do của hệ thống phụ thuộc vào những giả thuyết được áp dụng trên bề mặt ràng buộc và điều kiện tương tác. Hầu hết các nghiên cứu đều dựa trên giả thuyết bề mặt tương tác là cứng và không có ma sát, và tương tác giữa khâu tác động cuối và vật là tương tác điểm.

Hệ thống phối hợp phải đảm bảo việc thực thi trên một vật theo một quỹ đạo định trước mà không làm rơi và phá hủy vật tùy theo phạm vi hoạt động, lượng công việc và bản chất đặc thù của các hệ thống phối hợp trên một vật thì công việc thường thay nâng, di chuyển, hạ, kẹp chặt. Luận văn của Đàm Thành Long hướng tới thiết kế luật điều khiển để di chuyển vật bị ràng buộc đến vị mong muốn đồng thời vẫn kiểm soát được lực tác dụng vào vật.

Mô hình động lực học của hệ thống hai tay máy được xây dựng. Sau đó, mô hình được giảm bậc để đơn giản hóa quá trình tính toán và điều khiển. Mô hình giảm bậc giúp giảm số lượng biến cần điều khiển, từ đó giảm độ phức tạp của thuật toán điều khiển. Điều kiện vật không bị trượt cũng được xem xét để đảm bảo tính ổn định của hệ thống.

Luật điều khiển thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình động lực học giảm bậc. Luật điều khiển này đảm bảo sự hội tụ tiệm cận của vị trí, lực nội tại và lực ràng buộc đến giá trị mong muốn. Luật điều khiển sử dụng thông tin phản hồi từ cảm biến lực và cảm biến vị trí để điều chỉnh các thông số điều khiển một cách tự động.

Luật điều khiển được kiểm chứng bằng mô phỏng trên hai tay máy ba bậc tự do di chuyển một vật bị ràng buộc. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của luật điều khiển trong việc di chuyển vật theo quỹ đạo mong muốn và kiểm soát lực tác dụng lên vật. Mô phỏng bao gồm cả trường hợp vật di chuyển trên mặt phẳng và trên bề mặt cong.

Kiến trúc xử lý dữ liệu đảm bảo rằng thông tin từ các cảm biến được thu thập và xử lý một cách chính xác. Dữ liệu sau đó được truyền đến bộ điều khiển của mỗi tay máy. Bộ điều khiển sử dụng thông tin này để tính toán các lệnh điều khiển và gửi chúng đến các động cơ của tay máy.

Mô phỏng động học được sử dụng để kiểm tra khả năng của hệ thống trong việc di chuyển vật theo quỹ đạo mong muốn. Mô phỏng động lực học được sử dụng để đánh giá hiệu quả của luật điều khiển trong việc kiểm soát lực tác dụng lên vật. Mô phỏng được thực hiện với các thông số khác nhau để đánh giá tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống.

Lưu đồ giải thuật mô phỏng di chuyển vật được xây dựng chi tiết, bao gồm cả các khối tính toán động học ngược, động lực học và luật điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống có khả năng di chuyển vật theo quỹ đạo mong muốn với độ chính xác cao và kiểm soát lực tác dụng lên vật trong phạm vi cho phép.

Hai tay máy có thể được sử dụng để gắp đặt và lắp ráp các sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác. Ví dụ, hệ thống có thể được sử dụng để lắp ráp các bộ phận của ô tô hoặc các thiết bị điện tử. Điều khiển phối hợp giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm.

Hệ thống hai tay máy có thể được sử dụng để nâng chuyển các vật nặng và cồng kềnh một cách an toàn và hiệu quả. Điều này đặc biệt hữu ích trong các ngành công nghiệp như xây dựng và kho vận. Phối hợp chuyển động robot giúp giảm nguy cơ tai nạn lao động và cải thiện năng suất.

Việc tối ưu hóa quỹ đạo robot có thể giúp giảm lực tác dụng lên các khớp của tay máy, từ đó kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Tối ưu hóa cũng có thể giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành. Các thuật toán tối ưu hóa có thể được sử dụng để tìm quỹ đạo tốt nhất dựa trên các tiêu chí như thời gian di chuyển, lực tác dụng và năng lượng tiêu thụ.

Luận văn đã xây dựng mô hình động lực học của hệ thống hai tay máy, thiết kế luật điều khiển thích nghi dựa trên mô hình giảm bậc, và kiểm chứng luật điều khiển bằng mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống có khả năng điều khiển chính xác và ổn định.

Một số vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu, chẳng hạn như việc xử lý các yếu tố không chắc chắn trong hệ thống thực tế và việc tối ưu hóa các thông số điều khiển. Hướng khắc phục trong tương lai là sử dụng các thuật toán trí tuệ nhân tạo và học máy để cải thiện khả năng điều khiển thích nghi của hệ thống.

Đề xuất phát triển ứng dụng thực tế của hệ thống trong các lĩnh vực như lắp ráp, vận chuyển và sản xuất. Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề như điều khiển hệ thống với nhiều tay máy hơn, điều khiển hệ thống trong môi trường có nhiều nhiễu và điều khiển hệ thống với các loại vật liệu khác nhau.