I. Tổng Quan Về Robot và Điều Khiển Hiện Đại Khám Phá
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Kỹ thuật Robot là một ngành khoa học tổng hợp, đòi hỏi kiến thức từ nhiều lĩnh vực như toán học, cơ học, điện tử, điều khiển tự động, tin học và trí tuệ nhân tạo. Trong đó, điều khiển tự động là yếu tố then chốt, thúc đẩy sự phát triển của Robot. Thuật ngữ 'Robot' xuất phát từ chữ 'Robota' trong tiếng Czech, có nghĩa là công việc tạp dịch. Từ những năm 1960, Robot được áp dụng rộng rãi để thay thế sức người trong nhiều lĩnh vực, giúp tổ chức lại dây chuyền sản xuất và tăng năng suất. Cùng với đó, các phương pháp điều khiển hiện đại cũng được phát triển để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Robot.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Robot và Ứng Dụng Thực Tiễn
Robot đã trải qua một quá trình phát triển từ các cơ cấu điều khiển từ xa và máy công cụ điều khiển số. Sự ra đời của máy công cụ điều khiển số giữa thế kỷ XX đã đáp ứng nhu cầu gia công chi tiết trong ngành hàng không. Các Robot đầu tiên là sự kết hợp giữa cơ khí và khả năng lập trình. Cùng với sự phát triển của điện tử và vi xử lý, Robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, dịch vụ và các lĩnh vực khác. Ngày nay, Robot ngày càng thông minh hơn, với hệ thống điều khiển số hóa và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhân tạo.
1.2. Vai Trò Của Cánh Tay Robot Trong Hệ Thống Tổng Thể
Cánh tay Robot đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Robot. Khả năng linh hoạt và ổn định của cánh tay Robot quyết định khả năng ứng dụng của Robot. Các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot đã được nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, bao gồm điều khiển kinh điển sử dụng bộ điều khiển PID và điều khiển hiện đại như điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững (ví dụ: điều khiển mờ, điều khiển trượt).
II. Các Phương Pháp Điều Khiển Hiện Đại Cho Robot Tổng Quan
Việc điều khiển Robot đòi hỏi sự kết hợp của nhiều hệ truyền động khác nhau, bao gồm truyền động điện, truyền động thủy lực và truyền động khí nén. Mỗi loại truyền động có ưu và nhược điểm riêng. Truyền động điện được sử dụng phổ biến nhờ tính đơn giản, ít gây ô nhiễm và khả năng lắp trực tiếp trên các khớp. Động cơ điện một chiều (DCM) và động cơ bước thường được sử dụng nhiều nhất. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học điều khiển, động cơ điện xoay chiều và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM) cũng đang được ưu tiên sử dụng.
2.1. Ưu và Nhược Điểm của Hệ Truyền Động Điện
Hệ truyền động điện có nhiều ưu điểm như đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ, không gây ô nhiễm môi trường đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp. Tuy nhiên, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhược điểm như thường cần hộp giảm tốc, công suất thấp. Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn động (điều khiển) Robot.
2.2. Lựa Chọn Hệ Truyền Động Phù Hợp Cho Robot
Ngoài truyền động điện, các loại truyền động khí nén và/hoặc thuỷ lực cũng thường được dùng. Truyền động khí nén tận dụng các hệ thống khí nén sẵn có, gọn nhẹ và dễ sử dụng. Tuy nhiên, chuyển động của chất khí thường kèm dao động và cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn. Truyền động thuỷ lực có ưu điểm là khả năng vận hành với tải trọng lớn và dễ điều khiển tự động. Nhược điểm là đòi hỏi bộ nguồn cồng kềnh.
2.3. Các Thành Phần Chính Trong Cấu Trúc Robot
Cấu trúc của Robot thường bao gồm các thành phần chính như: Cánh tay Robot, Hệ thống, Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối, Các cảm biến, Các bộ điều khiển, Các phần mềm lập trình. Cánh tay Robot là một hệ thống bao gồm các khâu (links) được liên kết với nhau bằng các khớp nối động (joints). Các khớp nối thường gồm hai loại: khớp nối cứng và khớp nối mềm. Trong thiết kế và sử dụng cánh tay Robot, ta cần quan tâm đến số bậc tự do (DOF), trường công tác, độ chính xác, khả năng nâng tải.
III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ Lai Cascade Hướng Dẫn Chi Tiết
Điều khiển cánh tay Robot là điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators) để tạo ra lực hoặc mô men, làm dịch chuyển các khâu. Lực hoặc mô men này được gọi là véc-tơ = [1, 2, ... , n]T. Mục tiêu là làm cho khâu tác động cuối dịch chuyển theo quỹ đạo (CP) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP). Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot hai khâu quay (2DOF) sử dụng hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập, dịch chuyển theo quỹ đạo.
3.1. Phương Pháp Dịch Chuyển Robot Theo Quỹ Đạo CP và PTP
Tuỳ mục đích ứng dụng mà việc điều khiển cánh tay Robot nhằm thực hiện một tác vụ nào đó, khâu tác động cuối có dịch chuyển theo một trong hai phương thức: dịch chuyển theo một quĩ đạo (CP-Continuous Path) hoặc từ điểm này đến điểm khác (PTP-Point To Point) theo yêu cầu. CP có vị trí bắt đầu và kết thúc và chuyển đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc rất quan trọng. PTP có vị trí bắt đầu và kết thúc là quan trọng nhưng đường dịch chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc là không.
3.2. Mô Hình Hóa Động Học Cánh Tay Robot 2DOF
Nghiên cứu động lực học Robot là cần thiết để phục vụ cho việc phân tích và tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Có nhiều phương pháp nghiên cứu như: sử dụng các định luật Newton-Euler hoặc nguyên lý D’Alembert, nhưng thường dùng hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là phương trình Lagrange- Euler. Xét cánh tay Robot 2DOF như Hình 1.2, gọi là véc-tơ vị trí của hai khớp, khi đó: = [ 1 2]T.
3.3. Giải Bài Toán Động Học Thuận và Động Học Ngược
Động học thuận Robot 2DOF là việc xác định toạ độ của điểm tác động cuối trên cơ sở góc quay của trục khớp. Tức là xác định [x, y] thông qua [ 1, 2]. Giả sử quan hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm . Mô hình động học ngược của Robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp từ toạ độ (x, y) cho trước hoặc mong muốn.
IV. Ứng Dụng Bộ Điều Khiển Mờ Lai vào Robot 2DOF Hiệu Quả
Phương trình Lagrange-Euler được sử dụng để mô tả động lực học của cánh tay Robot 2DOF. Với Robot 2DOF, động năng T và thế năng V được xác định để xây dựng phương trình động lực học. Phương trình này thể hiện mối quan hệ giữa mô-men tác động lên các khớp và vị trí, vận tốc, gia tốc của các khớp. Mô hình động lực học là cơ sở quan trọng để thiết kế bộ điều khiển cho cánh tay Robot.
4.1. Động Lực Học Cánh Tay Robot Phương Pháp Lagrange Euler
Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot ma. Trong cơ học Lagrange, việc xác định động năng T và thế năng V của hệ thống là bước quan trọng. Với cánh tay Robot 2DOF, động năng T được tính dựa trên vận tốc của các khâu và mô-men quán tính. Thế năng V được tính dựa trên vị trí và khối lượng của các khâu, liên quan đến gia tốc trọng trường.
4.2. Xây Dựng Phương Trình Động Lực Học Cho Robot 2DOF
Từ động năng T và thế năng V, ta áp dụng phương trình Lagrange-Euler để thiết lập phương trình động lực học của cánh tay Robot 2DOF. Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố như vị trí khớp, vận tốc khớp, gia tốc khớp và mô-men tác động lên các khớp. Phương trình này có dạng ma trận, thể hiện sự phức tạp của hệ thống.
V. Mô Phỏng và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển Robot So Sánh
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ tính đơn giản và hiệu quả. Tuy nhiên, khi điều khiển các hệ thống phi tuyến như cánh tay Robot, bộ điều khiển PID có thể gặp khó khăn. Do đó, các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển mờ lai (Fuzzy-PID) được áp dụng để cải thiện hiệu suất. Điều khiển mờ có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn.
5.1. Tổng Hợp Bộ Điều Chỉnh Vị Trí PID Cho Robot
Động cơ điện một chiều được sử dụng để dẫn động các khớp của cánh tay Robot. Cần xác định các thông số ban đầu của động cơ điện một chiều để thiết kế bộ điều khiển. Cảm biến vị trí được sử dụng để đo vị trí của các khớp. Mạch vòng điều chỉnh dòng (RI) và mạch vòng điều chỉnh tốc độ (Rω) cũng cần được tổng hợp.
5.2. Ưu Điểm Của Bộ Điều Khiển Mờ Lai Trong Điều Khiển Robot
Bộ điều khiển mờ lai cascade được xây dựng để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ lai cascade bao gồm bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó được xác định. Hàm liên thuộc (membership function) được xác định và các luật điều khiển được xây dựng.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tương Lai
Luận văn đã trình bày nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển các chuyển động của Robot theo quỹ đạo phẳng. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ lai có khả năng điều khiển cánh tay Robot bám theo quỹ đạo mong muốn với độ chính xác cao. Nghiên cứu này có thể được mở rộng để áp dụng cho các loại Robot khác và các ứng dụng thực tế khác.
6.1. Kết Quả và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển
Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0). Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai.
6.2. Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Của Nghiên Cứu
Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0). So sánh quỹ đạo giữa PID và Mờ lai. Cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trong môi trường thực tế. Nghiên cứu cũng có thể được mở rộng để xét đến các yếu tố nhiễu và sai số.
