I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điều Khiển Phối Hợp Hai Tay Máy
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, robot công nghiệp nói chung và tay máy nói riêng ngày càng chiếm một vai trò hết sức quan trọng trong nền công nghiệp. Ở nước ta, robot công nghiệp cũng như tay máy đã được sử dụng trong một số lĩnh vực then chốt như lắp ráp, vận chuyển, sơn, hàn. Tuy nhiên, việc sử dụng và phối hợp nhiều tay máy vẫn còn hạn chế. Do đó, đề tài luận văn được đề xuất: “Nghiên cứu điều khiển hai tay máy phối hợp”. Trọng tâm của luận văn hướng đến giải quyết vấn đề thiết kế luật điều khiển thích hợp và mô phỏng sự phối hợp của hai tay máy để di chuyển vật bám theo quỹ đạo mong muốn. Theo luận văn thạc sỹ của Đàm Thành Long (2017), mục tiêu là thiết kế luật điều khiển và mô phỏng sự phối hợp của hai tay máy để di chuyển vật bị ràng buộc bám theo quỹ đạo cho trước với độ chính xác cao.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Tay Máy Công Nghiệp
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.
1.2. Ứng Dụng Phối Hợp Tay Máy Trong Công Nghiệp Hiện Đại
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.
II. Vấn Đề Thách Thức Điều Khiển Phối Hợp Tay Máy
Việc phối hợp các tay máy trong công nghiệp vẫn còn mới mẻ. Trong một số ngành chủ chốt như lắp ráp, nâng chuyển, sự phối hợp đã hình thành nhưng chưa phát triển. Mặt khác, vấn đề phối hợp giữa các tay máy là vấn đề phức tạp. Điểm cơ bản trong sự phối hợp các tay máy là điều khiển vị mà không làm rơi cũng như hư hỏng vật. Bài toán cần giải quyết là nghiên cứu và thiết kế luật điều khiển làm sao cho hai tay máy di chuyển vật thể theo quỹ đạo mong muốn mà không làm rơi vật và không phá hủy vật.
2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Điều Khiển Phối Hợp
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.
2.2. Khó Khăn Trong Điều Khiển Chuyển Động Ràng Buộc
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.
2.3. Bài Toán Điều Khiển Quỹ Đạo Lực Độ Ổn Định
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.
III. Phương Pháp Điều Khiển Thích Nghi Hai Tay Máy Phối Hợp
Luật điều khiển thích nghi được áp dụng để điều khiển hai tay máy phối hợp di chuyển vật bị ràng buộc. Mục tiêu chính là di chuyển vật đến vị trí mong muốn đồng thời kiểm soát lực tác dụng lên vật. Luật điều khiển thích nghi cho phép hệ thống tự điều chỉnh các thông số điều khiển dựa trên thông tin phản hồi từ hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng khi đối phó với các yếu tố không chắc chắn trong hệ thống, chẳng hạn như sự thay đổi về khối lượng vật hoặc ma sát.
3.1. Xây Dựng Mô Hình Động Lực Học Giảm Bậc
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.
3.2. Thiết Kế Luật Điều Khiển Thích Nghi
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.
3.3. Kiểm Chứng Luật Điều Khiển Bằng Mô Phỏng
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.
IV. Đồng Bộ Dữ Liệu Mô Phỏng Hệ Thống Hai Tay Máy
Việc đồng bộ dữ liệu giữa hai tay máy là rất quan trọng để đảm bảo sự phối hợp chính xác. Kiến trúc xử lý dữ liệu trong hệ thống hai tay máy được thiết kế để đảm bảo rằng cả hai tay máy đều có thông tin chính xác về vị trí và trạng thái của vật. Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả của luật điều khiển và kiến trúc xử lý dữ liệu.
4.1. Kiến Trúc Xử Lý Dữ Liệu Hệ Hai Tay Máy
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.
4.2. Mô Phỏng Động Học và Động Lực Học Hai 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.
4.3. Lưu Đồ Giải Thuật Kết Quả Mô Phỏng Chi Tiết
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.
V. Ứng Dụng Thực Tế Tối Ưu Hóa Hệ Thống Điều Khiển
Nghiên cứu về điều khiển phối hợp hai tay máy có nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như lắp ráp, vận chuyển và sản xuất. Việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển có thể cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời giảm chi phí vận hành. Việc sử dụng trí tuệ nhân tạo và học máy có thể giúp cải thiện khả năng điều khiển thích nghi của hệ thống.
5.1. Ứng Dụng Robot Gắp Đặt Lắp Ráp Sản Phẩm
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.
5.2. Robot Hỗ Trợ Nâng Chuyển Vật Nặng Cồng Kềnh
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.
5.3. Tối Ưu Quỹ Đạo Robot Để Giảm Lực Tiết Kiệm Năng Lượng
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.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Điều Khiển
Luận văn đã nghiên cứu và thiết kế luật điều khiển thích nghi cho hệ thống hai tay máy phối hợp. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của luật điều khiển trong việc di chuyển vật bị ràng buộc theo quỹ đạo mong muốn và kiểm soát lực tác dụng lên vật. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là áp dụng luật điều khiển vào hệ thống thực tế và tối ưu hóa các thông số điều khiển.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được
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.
6.2. Vấn Đề Tồn Tại Hướng Khắc Phục Trong Tương Lai
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.
6.3. Đề Xuất Phát Triển Ứng Dụng Thực Tế Nghiên Cứu Sâu
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.
