Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng hệ thống máy móc tự động và cánh tay robot vào quy trình sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm giá thành. Đặc biệt, nhu cầu thay thế con người trong các công việc nặng nhọc hoặc môi trường làm việc khắc nghiệt (nơi có nhiệt độ cao, nhiều bụi mịn và nguy cơ mất an toàn lao động) ngày càng gia tăng. Robot song song cấu trúc Tripteron với sáu bậc tự do là một dạng cơ cấu cơ điện tử có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian, mang lại tiềm năng ứng dụng trong các tác vụ công nghiệp như gia công cơ khí, khoan, in 3D sáu bậc, phun sơn và giảng dạy học thuật.

Đề tài "Nghiên cứu, chế tạo và điều khiển robot Tripteron sáu bậc tự do" (Mã số: CDT-18) được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM dưới sự hướng dẫn của TS. Huỳnh Quang Duy.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu về robot có cấu trúc Tripteron 6 bậc tự do.
  2. Thiết kế và gia công hệ thống phần cứng của robot.
  3. Xây dựng hệ thống điện điều khiển.
  4. Chạy thử nghiệm và hoàn thiện mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hình học của robot song song Tripteron sáu bậc tự do, hệ thống điện và giải thuật điều khiển chuyển động, cùng khả năng ứng dụng thực tế của robot.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, gia công và lắp ráp mô hình robot Tripteron 6 bậc tự do theo kích thước tiêu chuẩn đã tính toán; thử nghiệm điều khiển vị trí, quỹ đạo chuyển động điểm - điểm, đường thẳng, cung tròn và thực nghiệm vẽ biên dạng hình ảnh trong không gian giới hạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng các khối kiến thức liên ngành về cơ khí chế tạo, động học robot, kỹ thuật vi điều khiển nhúng, mạng truyền thông và thị giác máy tính:

  • Cơ sở cơ học và truyền động: Vận dụng nguyên lý chi tiết máy, dung sai lắp ghép, độ bền vật liệu và truyền động trục vít me - đai ốc bi để tính toán kết cấu khung chịu lực, hệ thống dẫn hướng tuyến tính và cụm khớp xoay thụ động.
  • Động học và động lực học robot: Nghiên cứu bài toán động học thuận (Forward Kinematics) và động học nghịch (Inverse Kinematics) bằng phương pháp hình học kết hợp đại số; xây dựng ma trận Jacobi vận tốc để phân tích không gian làm việc (Workspace) của cơ cấu song song Tripteron; khảo sát cơ sở động lực học dựa trên phương pháp Lagrange và Newton - Euler.
  • Kỹ thuật đọc Encoder: Phân tích các chế độ đọc xung lệch pha $90^\circ$ (pha A và pha B) gồm x1, x2, x4. Đề tài lựa chọn chế độ x2 (đọc cạnh lên/xuống của pha A và cạnh lên của pha B) và sử dụng bộ định thời (Timer) phần cứng trên vi điều khiển thay vì ngắt ngoài (External Interrupt) nhằm giảm tải cho CPU, tránh nghẽn ngắt và hạn chế sai số do nhiễu xung.
  • Mạng truyền thông và máy chủ nhúng: Sử dụng vi điều khiển ESP32 kết hợp thư viện ESPAsyncWebServer để xây dựng Webserver hoạt động theo cơ chế bất đồng bộ, hỗ trợ giao thức HTTP và WebSocket phục vụ giám sát và điều khiển thủ công từ xa mà không làm gián đoạn luồng xử lý chính.
  • Thị giác máy tính và xử lý ảnh: Ứng dụng thư viện OpenCV trên môi trường Python để xử lý ảnh đầu vào: chuyển đổi ảnh màu sang ảnh xám, áp dụng bộ lọc làm mịn Gauss (cv.GaussianBlur) để khử nhiễu và phân ngưỡng nhị phân (cv.threshold với các chế độ THRESH_BINARY, THRESH_BINARY_INV, THRESH_TRUNC, THRESH_TOZERO) nhằm trích xuất tọa độ biên nét phục vụ kiểm nghiệm chuyển động của robot.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát tài liệu học thuật, mô phỏng động học trên phần mềm chuyên dụng (SolidWorks, MATLAB), lập trình điều khiển nhúng trên môi trường Keil C và Arduino IDE, cùng phương pháp thực nghiệm đo kiểm trực tiếp trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống robot Tripteron

Hệ thống robot Tripteron sáu bậc tự do được phân thành hai phân hệ chính: hệ thống cơ khí chịu lực - truyền động và hệ thống điện - điều khiển tự động.

Thiết kế cơ khí và kết cấu truyền động

Kết cấu hình học tổng thể của robot Tripteron gồm 3 nhánh động học độc lập kết nối từ khung máy đến khâu chấp hành cuối (End-Effector). Mỗi nhánh gồm một cụm dẫn hướng tuyến tính chủ động điều khiển một cụm khớp xoay thụ động có 5 trục xoay tự do.

Thành phần cơ khí Quy cách / Mã hiệu Vật liệu Đặc tính kỹ thuật
Trục vít me bi SFU01204-4 Thép Chiều dài $L = 600\text{ mm}$, đường kính ngoài $d = 12\text{ mm}$, bước vít $p = 4\text{ mm}$, profil ren $1\text{ mm}$
Ray trượt & Con trượt HIWIN HGR15 / HGW15CC Thép carbon / Hợp kim Kích thước ray $500 \times 15 \times 15\text{ mm}$, con trượt mặt bích lớn tăng khả năng chịu tải
Khớp nối trục mềm CPJC20-WH-6-8 Nhôm + Nhựa đệm Kích thước $10 \times 30\text{ mm}$, đường kính trục $6{,}35 - 8\text{ mm}$, đệm nhựa giảm rung và rơ
Gối đỡ vít me FK10 Thép hợp kim Đường kính trong vòng bi $10\text{ mm}$, chiều dài gối $29\text{ mm}$
Gối đỡ vòng bi mặt bích KFL000 / KFL008 Gang đúc / SUS304 Đường kính trong vòng bi $8\text{ mm}$ và $10\text{ mm}$
Vòng bi trượt LM10UU Thép hợp kim Kích thước trong/ngoài/dài: $10 \times 19 \times 29\text{ mm}$
Vòng bi chà (chặn trục) 51103SKF Thép carbon Đường kính ngoài $30\text{ mm}$, đường kính trong $17\text{ mm}$, bề dày $9\text{ mm}$
Vòng bi cầu SKF6000, 6003, 6190 Thép Sử dụng cho trục M10 và M17
Khung máy Nhôm định hình tối ưu Hợp kim nhôm Kích thước bao tổng thể $796 \times 796 \times 796\text{ mm}$, kết nối bằng ke góc 90, ke 135, ke chìm và bọ bi

Trong quá trình thiết kế, các phương án kỹ thuật đã được phân tích và so sánh:

  • Khớp dẫn hướng tuyến tính: Lựa chọn vít me bi kết hợp ray trượt dẫn hướng thay cho vít me thường nhờ ưu điểm giảm ma sát, hạn chế rơ cơ khí và tuổi thọ vận hành cao.
  • Hệ khớp xoay thụ động: Lựa chọn phương án gia công nhôm CNC tối ưu hóa kết cấu để giảm trọng lượng cụm khớp, giúp chuyển động mượt mà hơn so với phương án dùng ổ đỡ kim loại thông thường.
  • Kết cấu khung máy: Lựa chọn hệ khung nhôm định hình tối ưu hóa gia cường thay vì phương án inox nguyên khối ($90 \times 90 \times 2\text{ mm}$) nhằm đảm bảo độ cứng vững, đáp ứng khả năng chịu tải $70\text{ kg}$ mà vẫn kiểm soát tổng khối lượng hệ thống dưới $75\text{ kg}$.

Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Hệ thống điều khiển được phân tầng xử lý nhằm tối ưu hóa thời gian thực và khả năng giao tiếp:

Thiết bị điện / Khối điều khiển Mã hiệu / Quy cách Chức năng trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm STM32 (STM32H743) Xử lý giải thuật động học ngược, bộ định thời phát xung điều khiển động cơ bước, xử lý ngắt an toàn
Bộ xử lý giao tiếp & Web ESP32 (NodeMCU LuaNode32) Tạo Webserver cục bộ qua Wi-Fi, nhận lệnh điều khiển manual và truyền/nhận chuỗi dữ liệu với STM32 qua UART
Động cơ truyền động Hybrid Servo PFDE 1 Động cơ bước có phản hồi vòng kín, dẫn động các trục tịnh tiến
Mạch điều khiển động cơ TB6600 Mạch công suất điều khiển dòng và vi bước cho động cơ bước
Mạch cách ly quang PC817 Cách ly tín hiệu điều khiển logic giữa vi điều khiển và mạch công suất
Mạch chuyển đổi giao tiếp CH340G Chuyển đổi USB sang TTL UART phục vụ nạp chương trình và debug
Mạch nguồn giảm áp XL4015 Hạ áp cấp nguồn ổn định cho các khối mạch điều khiển
Cảm biến an toàn Công tắc hành trình & Nút dừng khẩn Định vị gốc tọa độ (Home) và ngắt bảo vệ khẩn cấp, tích hợp mạch lọc chống dội phần cứng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài từ nhu cầu tự động hóa trong sản xuất công nghiệp và giảng dạy kỹ thuật; phân tích ý nghĩa khoa học và thực tiễn của cơ cấu robot song song Tripteron 6 bậc tự do. Tác giả nêu rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng, phạm vi đồ án, cùng các phương tiện phần mềm sử dụng (SolidWorks, AutoCAD, Keil C, MATLAB, VS Code, Arduino IDE). Chương này cũng chỉ rõ các giới hạn về mặt thử nghiệm, chi phí gia công và thời gian nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tổng hợp hệ thống lý thuyết phục vụ tính toán và thiết kế hệ thống cơ điện tử:

  • Kiến thức vật liệu học, dung sai kỹ thuật, nguyên lý chi tiết máy.
  • Cơ sở lý thuyết đọc xung Encoder 2 pha A-B qua Timer ở chế độ x2.
  • Lý thuyết toán học về động học thuận, động học nghịch, động lực học cánh tay máy theo phương pháp Lagrange và Newton - Euler.
  • Kiến trúc phần cứng vi điều khiển ESP32-WROOM-32 và cơ chế hoạt động bất đồng bộ của thư viện ESPAsyncWebServer.
  • Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh số, các không gian màu và thuật toán xử lý ảnh trên thư viện OpenCV (bộ lọc cv.GaussianBlur và hàm phân ngưỡng cv.threshold).

Chương 3: Tính toán và thiết kế cơ khí

Chương 3 trình bày các yêu cầu thiết kế kỹ thuật của hệ thống robot: độ chính xác điều khiển $< 0{,}01\text{ mm}$, sai số cơ khí $< 5\text{ mm}$, vận tốc $< 20\text{ mm/s}$, kích thước làm việc vẽ kiểm nghiệm $< 200 \times 200\text{ mm}$, tổng khối lượng $< 75\text{ kg}$, khối lượng đầu công tác $< 0{,}3\text{ kg}$.

  • Phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế cho 3 thành phần chính: khớp dẫn hướng tuyến tính (vít me bi so với vít me thường), khớp xoay thụ động (tối ưu gia công nhôm CNC) và khung máy (nhôm định hình tối ưu hóa).
  • Thống kê thông số chi tiết cơ khí: vít me bi SFU01204-4 ($L = 600\text{ mm}$, $d = 12\text{ mm}$), khớp nối CPJC20, gối đỡ FK10, KFL008, vòng bi trượt LM10UU, con trượt HGW15CC, ray trượt HGR15 ($500\text{ mm}$), vòng bi chà 51103SKF, vòng phanh trục M10/M12 và vòng bi cầu SKF.
  • Tính toán sức bền cơ cấu trục vít me: tổng khối lượng trục tính toán $15{,}3\text{ kg}$ (trục $5\text{ kg}$, tải $10\text{ kg}$, đầu công tác $0{,}3\text{ kg}$), tốc độ quay $300\text{ vòng/phút}$, ứng suất dập cho phép $[q] = 8\text{ MPa}$, hệ số chiều cao đai ốc $\psi_h = 1{,}2$, xác định đường kính trung bình ren $d_2 = 12\text{ mm}$. Mô phỏng ứng suất và chuyển vị trên phần mềm khi chịu tải $50\text{ N} - 150\text{ N}$.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

Chương 4 tập trung xây dựng phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển:

  • Thiết lập sơ đồ khối hệ thống gồm bộ điều khiển trung tâm STM32H743, ESP32 giao tiếp Webserver, động cơ Hybrid Servo PFDE 1, driver TB6600, mạch giảm áp XL4015, opto PC817 và mạch chuyển đổi CH340G.
  • Thiết kế mạch chống dội phần cứng cho nút nhấn và công tắc hành trình.
  • Thiết lập mô hình toán học giải bài toán động học nghịch, động học thuận và kiểm nghiệm tọa độ trong không gian 2D/3D; khảo sát ma trận Jacobi vận tốc và không gian làm việc của robot.
  • Xây dựng các giải thuật điều khiển chuyển động: điều khiển vị trí điểm - điểm (Point to Point), điều khiển nội suy đường thẳng (Linear Control) và cung tròn (Arc Control theo chiều kim đồng hồ CW và ngược chiều CCW).
  • Lập trình giải thuật xử lý ảnh trên Python (lọc nhiễu, nhị phân hóa, trích xuất chuỗi tọa độ) và truyền dữ liệu xuống STM32; xây dựng các hàm ngắt Timer điều khiển động cơ bước và giao diện Webserver giám sát thời gian thực.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Chương 5 trình bày kết quả thử nghiệm mô hình thực tế:

  • Hoàn thiện chế tạo phần cứng robot với kích thước $796 \times 796 \times 796\text{ mm}$ và tủ điện điều khiển tích hợp.
  • Kiểm nghiệm độ chính xác điều khiển và lặp lại vị trí tại các tọa độ thực tế: vị trí chờ $(200, 200, 0)$, điểm thử nghiệm thứ nhất $(150, 150, -50)$ và điểm tiếp theo $(200, 250, -50)$.
  • Thực nghiệm giải thuật nội suy quỹ đạo và kiểm nghiệm động học thông qua tác vụ vẽ hình mẫu quả táo và quả chuối; phân tích quy trình tối ưu hóa đường chạy của đầu công tác để loại bỏ các chuyển động thừa và nâng cao chất lượng đường nét.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm robot song song Tripteron sáu bậc tự do với kích thước $796 \times 796 \times 796\text{ mm}$, tải trọng khung máy đáp ứng trên $70\text{ kg}$ và khối lượng đầu công tác dưới $0{,}3\text{ kg}$.
  • Xây dựng thành công hệ thống điều khiển kết hợp vi điều khiển STM32H743 và ESP32, ứng dụng phương pháp đọc xung encoder qua Timer chế độ x2 và chống dội phần cứng cho các cảm biến tiếp điểm.
  • Hiện thực hóa thành công các giải thuật điều khiển chuyển động đa dạng: điều khiển điểm - điểm (P2P), nội suy đường thẳng (Linear) và nội suy cung tròn (Arc CW/CCW).
  • Tích hợp thành công giải thuật xử lý ảnh bằng OpenCV (Python) trên máy tính để nhận diện biên dạng hình ảnh, trích xuất dữ liệu tọa độ và truyền xuống robot thực hiện việc vẽ hình ảnh mẫu trong khung làm việc $< 200 \times 200\text{ mm}$.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp mô hình thiết kế cơ khí hoàn chỉnh cho cơ cấu robot song song Tripteron 6 bậc tự do sử dụng linh kiện gia công nhôm định hình kết hợp CNC và in 3D, tối ưu chi phí chế tạo.
  • Đề xuất và kiểm chứng giải thuật giải bài toán động học nghịch và phương pháp điều khiển phân tầng giữa máy tính xử lý ảnh, vi điều khiển giao tiếp web (ESP32) và vi điều khiển điều khiển chuyển động thời gian thực (STM32).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Do chế tạo dưới dạng mô hình thử nghiệm trong môi trường học thuật, độ tin cậy và hiệu suất hoạt động liên tục chưa đạt mức tối ưu như các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn.
  • Quy trình gia công cơ khí mang tính bán thủ công dẫn đến dung sai lắp ghép ở một số vị trí khớp xoay còn tồn tại độ rơ nhất định.
  • Kích thước không gian làm việc hữu ích bị giới hạn bởi hành trình của các trục dẫn hướng tuyến tính ($500\text{ mm}$).
  • Chi phí linh kiện chuyên dụng (vít me bi, ray trượt HIWIN, vòng bi SKF, động cơ hybrid) còn tương đối cao đối với điều kiện nghiên cứu của sinh viên.

Hướng phát triển

  • Nghiên cứu và nâng cấp hệ thống thị giác máy tính trực tiếp (Camera gắn trên đầu công tác hoặc cố định góc nhìn) để thực hiện các tác vụ nhận diện, phân loại sản phẩm tự động hoặc điều khiển bám quỹ đạo phức tạp.
  • Tiếp tục tối ưu hóa trọng lượng các cụm chi tiết cơ khí trên hệ khớp xoay thụ động bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
  • Nâng cấp hệ thống truyền động sang sử dụng động cơ AC Servo nhằm tăng mô-men xoắn, nâng cao khả năng chịu tải và độ chính xác lặp lại cho các ứng dụng công nghiệp nặng như khoan hoặc in 3D sáu bậc tự do.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật hữu ích dành cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa, Kỹ thuật Robot: Tham khảo quy trình thiết kế cơ cấu robot song song, phương pháp giải toán động học thuận/nghịch và phân tích ma trận Jacobi.
  • Kỹ sư lập trình nhúng và điều khiển chuyển động: Tham khảo phương pháp lập trình điều khiển phát xung động cơ bước/servo qua Timer trên dòng vi điều khiển STM32, kỹ thuật đọc encoder x2 không dùng ngắt ngoài, và cách xây dựng Webserver bất đồng bộ trên ESP32.
  • Người nghiên cứu ứng dụng thị giác máy: Tham khảo luồng xử lý ảnh từ tiền xử lý khử nhiễu Gauss, phân ngưỡng nhị phân đến trích xuất chuỗi tọa độ phục vụ dẫn động cơ cấu chấp hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc hình học của robot Tripteron trong đồ án có đặc điểm gì?
Robot Tripteron trong đề tài được thiết kế theo cấu trúc robot song song sáu bậc tự do, gồm 3 nhánh động học liên kết giữa khung máy và đầu công tác. Mỗi nhánh bao gồm các cụm khớp dẫn hướng tuyến tính chủ động (truyền động vít me bi kết hợp động cơ Hybrid Servo) điều khiển một cụm khớp xoay thụ động có 5 trục xoay tự do.

2. Tại sao nhóm nghiên cứu sử dụng Timer thay vì ngắt ngoài để đọc tín hiệu Encoder?
Việc đọc xung encoder có độ phân giải (PPR) lớn bằng phương pháp ngắt ngoài (External Interrupt) bắt cạnh xung sẽ chiếm dụng nhiều thời gian xử lý của CPU và dễ bị sai số do nhiễu đường truyền. Nhóm sử dụng bộ định thời (Timer) phần cứng để đọc xung độc lập với CPU thông qua các thanh ghi đếm, giúp giảm tải hệ thống và tăng tính ổn định khi vận hành ở tốc độ cao.

3. Phần cứng điều khiển trung tâm và giao tiếp mạng được phân chia như thế nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32 (STM32H743) làm bộ xử lý trung tâm chuyên thực hiện các phép tính động học ngược, điều khiển phát xung Timer cho các driver TB6600 và xử lý ngắt giới hạn hành trình. Vi điều khiển ESP32 NodeMCU đóng vai trò máy chủ mạng nhúng (sử dụng thư viện ESPAsyncWebServer), tạo kết nối Wi-Fi để người dùng giám sát và điều khiển thủ công qua giao diện web, sau đó truyền thông với STM32 qua giao thức nối tiếp Serial (UART).

4. Robot được kiểm nghiệm chuyển động bằng những phương pháp nào?
Robot được kiểm nghiệm vị trí tại các tọa độ cụ thể gồm điểm chờ $(200, 200, 0)$, điểm thử nghiệm $(150, 150, -50)$ và $(200, 250, -50)$. Đồng thời, hệ thống được kiểm nghiệm động học thông qua việc tích hợp đầu vẽ để phác thảo các hình ảnh mẫu (như quả táo, quả chuối) từ dữ liệu tọa độ do chương trình xử lý ảnh OpenCV trích xuất, kết hợp với các thuật toán nội suy đường thẳng và cung tròn (CW/CCW).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo và điều khiển robot Tripteron sáu bậc tự do" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết động học, thiết kế cơ khí chi tiết, gia công lắp ráp phần cứng đến xây dựng hệ thống điều khiển tự động phân tầng. Mô hình thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi của cấu trúc robot song song Tripteron thông qua khả năng vận hành ổn định, đáp ứng các giải thuật điều khiển chuyển động điểm - điểm, đường thẳng, cung tròn và thực nghiệm vẽ hình mẫu từ dữ liệu thị giác máy tính. Đây là tài liệu học thuật và kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và phát triển các hệ thống cơ điện tử nhiều bậc tự do trong tương lai.