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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.