Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng robot trong lĩnh vực xây dựng ngày càng trở nên cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí. Theo ước tính, hơn 1 tỷ người trên thế giới hiện không có chỗ ở phù hợp, trong khi phương pháp xây dựng truyền thống vẫn còn nhiều hạn chế về hiệu quả và chi phí. Đặc biệt, tại các đô thị lớn như Hong Kong, giá nhà cao gấp 19 lần thu nhập trung bình khiến người thu nhập thấp khó tiếp cận nhà ở. Trước thực trạng này, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống robot tự động, như robot cable, phục vụ cho các công việc xây dựng và tưới tiêu trong nông nghiệp là một hướng đi mới đầy tiềm năng.

Luận văn tập trung nghiên cứu và xây dựng phương trình động học thuận nghịch cho robot cable phục vụ tưới trong nông nghiệp, với mục tiêu tính toán chính xác phương trình động học để điều khiển robot di chuyển trong không gian ba chiều. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2020, với phạm vi tập trung vào thiết kế cơ khí, hệ thống điện điều khiển và phát triển phần mềm điều khiển cho robot cable cấu hình 8 dây.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển một loại robot mới có khả năng ứng dụng trong nông nghiệp mà còn mở rộng tiềm năng ứng dụng trong xây dựng, vận chuyển hàng hóa và các lĩnh vực công nghiệp khác. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí lao động và tăng tính linh hoạt trong các quy trình tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Động học robot cable: Robot cable là loại robot song song sử dụng dây cáp làm liên kết điều khiển, trong đó các dây cáp chỉ chịu lực kéo, không chịu lực nén. Phân loại robot cable dựa trên số lượng dây cáp (m) và bậc tự do (n) của đầu công tác, với các nhóm như cơ chế định vị hoàn toàn hạn chế (IRPM), cơ chế định vị hạn chế (CRPM) và cơ chế định vị thừa ràng buộc (RRPM).

  • Mô hình động học thuận nghịch: Phương trình động học thuận nghịch được xây dựng để tính toán lực căng dây cáp dựa trên vị trí và vận tốc của đầu công tác, từ đó điều khiển chính xác chuyển động của robot.

  • Công nghệ in 3D và vật liệu xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ in 3D (FDM, Resin, SLS) trong việc tạo mẫu và xây dựng cấu trúc bê tông, kết hợp với vật liệu xi măng, cát, đá theo tỷ lệ chuẩn để đảm bảo chất lượng công trình.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do của robot, lực căng dây cáp, phương trình động học thuận nghịch, công nghệ in 3D, và vật liệu xây dựng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu khoa học về robot cable, công nghệ in 3D, vật liệu xây dựng và các thiết bị điện tử điều khiển. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình thiết kế, gia công, lắp ráp và kiểm tra robot cable tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích cấu hình robot cable, lựa chọn cấu hình tối ưu (8 dây mắc chéo) dựa trên yêu cầu về bậc tự do và không gian làm việc. Tính toán động học thuận nghịch để xây dựng phương trình điều khiển.

  • Phương pháp thực nghiệm: Thực hiện các thí nghiệm kiểm tra sai số vị trí, sai số lặp lại, lực căng dây cáp và khả năng in 3D vật liệu vữa bê tông. Sử dụng cảm biến loadcell để đo lực căng dây, động cơ servo và DC để điều khiển chuyển động và đẩy vật liệu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn: khảo sát lý thuyết, thiết kế cơ khí và điện, lập trình điều khiển, thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm robot cấu hình 8 dây với tải trọng đầu công tác tối đa 50kg, vận tốc điều khiển 0,1 m/s trong không gian làm việc 4x3.5x2 m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn cấu hình robot cable tối ưu: Qua phân tích và so sánh 4 phương án cấu hình (3 dây, 4 dây, 8 dây mắc song song và 8 dây mắc chéo), cấu hình 8 dây mắc chéo được chọn là tối ưu nhất, đáp ứng được 6 bậc tự do và không gian làm việc rộng, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong xây dựng và tưới tiêu. Cấu hình này cho phép điều khiển chính xác và linh hoạt hơn so với các cấu hình khác.

  2. Phương trình động học thuận nghịch: Đã xây dựng thành công phương trình động học thuận nghịch cho robot cable, cho phép tính toán lực căng dây dựa trên vị trí đầu công tác. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số vị trí trung bình dưới 5 mm, sai số lặp lại dưới 3 mm, đảm bảo độ chính xác trong phạm vi yêu cầu.

  3. Thiết kế cơ khí và hệ thống điện: Hộp giảm tốc trục vít bánh vít NMRV050 với tỉ số truyền 1:30 được sử dụng để tăng mô men cho động cơ servo 400W, đảm bảo lực kéo và độ bền cho tang cuốn cáp. Động cơ DC 90W được dùng cho đầu công tác để trộn và đẩy vật liệu vữa bê tông đều đặn. Hệ thống điện điều khiển hoạt động ổn định, giao diện điều khiển đơn giản, dễ thao tác.

  4. Thí nghiệm vật liệu in 3D: Nghiên cứu vật liệu xây dựng phù hợp cho in 3D, thử nghiệm pha trộn xi măng với cát theo tỷ lệ 1:8 đến 1:10, đánh giá thời gian đông đặc và khả năng hoạt động hiệu quả của đầu công tác. Kết quả cho thấy vật liệu đáp ứng yêu cầu về độ bền và tính liên kết, phù hợp cho ứng dụng xây dựng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của nghiên cứu nằm ở việc lựa chọn cấu hình robot cable phù hợp với yêu cầu thực tế, kết hợp với thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển điện tử đồng bộ. So với các nghiên cứu trước đây, robot cable dạng 8 dây mắc chéo cho phép kiểm soát 6 bậc tự do, mở rộng phạm vi ứng dụng so với các cấu hình 3 hoặc 4 dây chỉ kiểm soát được 3 bậc tự do.

Sai số vị trí và lực căng dây được kiểm soát tốt nhờ vào việc sử dụng cảm biến loadcell và động cơ servo có độ chính xác cao. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về robot cable trong công nghiệp, đồng thời mở rộng ứng dụng vào lĩnh vực nông nghiệp và xây dựng tại Việt Nam.

Việc ứng dụng công nghệ in 3D kết hợp với robot cable giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu, tăng tốc độ thi công và nâng cao chất lượng công trình. Các biểu đồ sai số vị trí và lực căng dây có thể được trình bày để minh họa độ chính xác và ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn toàn: Tăng cường tích hợp cảm biến và thuật toán điều khiển thông minh để robot cable có thể tự động điều chỉnh lực căng dây và quỹ đạo di chuyển, nâng cao độ chính xác và an toàn trong vận hành. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư tự động hóa thực hiện.

  2. Mở rộng ứng dụng robot cable trong xây dựng: Nghiên cứu và phát triển các module đầu công tác đa năng để phục vụ các công việc khác nhau như vận chuyển vật liệu, lắp ráp cấu kiện, in 3D bê tông quy mô lớn. Thời gian triển khai 18 tháng, phối hợp với các doanh nghiệp xây dựng.

  3. Nâng cao chất lượng vật liệu in 3D: Tiếp tục nghiên cứu pha trộn vật liệu xi măng với các phụ gia cải thiện độ bền, thời gian đông kết và khả năng chống thấm, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Thời gian nghiên cứu 6-9 tháng, do nhóm vật liệu xây dựng thực hiện.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành và bảo trì robot cable cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thời gian thực hiện 6 tháng, do nhà trường và các đối tác công nghiệp phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ điện tử, Robot và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và điều khiển robot cable, phương trình động học thuận nghịch, giúp nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp chế tạo: Tham khảo để áp dụng công nghệ robot cable và in 3D trong các quy trình sản xuất, thi công, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa và robot: Tài liệu hữu ích cho việc phát triển sản phẩm robot cable đa năng, mở rộng thị trường ứng dụng trong nông nghiệp, xây dựng và logistics.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về công nghiệp và nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chương trình hỗ trợ phát triển công nghệ tự động hóa, thúc đẩy công nghiệp hóa nông nghiệp và xây dựng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot cable là gì và có ưu điểm gì so với robot truyền thống?
    Robot cable là robot song song sử dụng dây cáp làm liên kết điều khiển, có ưu điểm về không gian làm việc lớn, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và khả năng điều chỉnh linh hoạt không gian hoạt động so với robot cơ cấu cứng.

  2. Phương trình động học thuận nghịch có vai trò gì trong điều khiển robot cable?
    Phương trình này giúp tính toán lực căng dây cáp dựa trên vị trí và vận tốc đầu công tác, từ đó điều khiển chính xác chuyển động của robot, đảm bảo độ chính xác và an toàn trong vận hành.

  3. Tại sao chọn cấu hình 8 dây mắc chéo cho robot cable?
    Cấu hình này cung cấp 6 bậc tự do, cho phép điều khiển linh hoạt và chính xác hơn so với các cấu hình 3 hoặc 4 dây, đồng thời mở rộng không gian làm việc phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong xây dựng và nông nghiệp.

  4. Công nghệ in 3D nào được áp dụng trong nghiên cứu và ưu nhược điểm của chúng?
    Ba công nghệ chính là FDM (giá rẻ, dễ sử dụng nhưng độ mịn thấp), Resin (độ mịn cao, phù hợp mẫu nhỏ tinh xảo nhưng quy trình phức tạp), và SLS (khả năng in vật thể phức tạp, màu sắc đa dạng nhưng chi phí cao).

  5. Làm thế nào để đảm bảo lực căng dây cáp không vượt quá giới hạn gây đứt?
    Sử dụng cảm biến loadcell để đo lực căng dây trong quá trình vận hành, kết hợp thuật toán điều khiển tự động điều chỉnh lực căng, đồng thời chọn cáp thép inox có đường kính 4 mm với hệ số an toàn 5 để đảm bảo độ bền.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công phương trình động học thuận nghịch cho robot cable cấu hình 8 dây mắc chéo, đáp ứng yêu cầu điều khiển 6 bậc tự do với độ chính xác cao.
  • Thiết kế cơ khí và hệ thống điện đồng bộ, sử dụng động cơ servo 400W và động cơ DC 90W, đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả.
  • Thí nghiệm thực tế cho thấy sai số vị trí dưới 5 mm và lực căng dây được kiểm soát tốt, phù hợp với ứng dụng tưới tiêu và xây dựng.
  • Nghiên cứu vật liệu in 3D phù hợp với công nghệ in vữa bê tông, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong xây dựng tự động hóa.
  • Đề xuất phát triển hệ thống điều khiển tự động, mở rộng ứng dụng và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới.

Luận văn là cơ sở khoa học quan trọng để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng robot cable trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là xây dựng và nông nghiệp. Đề nghị các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm phối hợp phát triển công nghệ này nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.