Thiết Kế và Chế Tạo Robot Cáp Quay Phim Tự Động - Đồ Án Tốt Nghiệp

Khám phá quy trình thiết kế và chế tạo robot cáp quay phim tự động. Tìm hiểu các bước để tạo ra hệ thống quay phim chuyên nghiệp, ổn định và linh hoạt.

• Tác giả: Trần Xuân Hoàng
• Người hướng dẫn: ThS. Tưởng Phước Thọ
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: CNKT Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Robot Cáp Quay Phim Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ROBOT CÁP
• 1.1. Tổng quan lịch sử
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
• 1.6. Kết cấu của ĐATN
• 1.6.1. Cơ sở lý thuyết về công nghệ
• 1.6.2. Cơ sở lý thuyết về cơ khí
• 1.6.3. Cơ sở lý thuyết về điện – điện tử
• 1.6.4. Cơ sở lý thuyết về lập trình
• 1.6.5. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 1.6.5.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 1.6.5.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.6.5.3. Các tồn tại của robot cable
• 2. PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP LỰA CHỌN HỆ THỐNG CƠ KHÍ
• 2.1. Yêu cầu đề tài
• 2.2. Các phương án thiết kế hệ thống cơ khí
• 2.3. Lựa chọn phương án tối ưu
• 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 3.1. Thông số kỹ thuật
• 3.2. Vấn đề động học
• 3.2.1. Cấu hình cáp trong không gian
• 3.2.2. Mô hình động học
• 3.2.3. Phương trình động lực học của CDPR
• 3.2.4. Lực căng dây
• 3.2.5. Thiết kế bộ tời
• 3.2.6. Thiết kế Rulo cuộn dây
• 3.3. Phân phối TST
• 4. THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Thiết kế giải thuật điều khiển
• 4.1.1. Tổng quan về Arduino WeMos D1 R2 Wifi UNO
• 4.1.2. Tổng quan về ESP8266 và giao thức kết nối ESP –now
• 4.2. Các thiết bị điện và điều khiển cần thiết cho mô hình robot cáp
• 4.2.1. Động cơ bước 57 kèm hộp giảm tốc
• 4.2.2. Nguồn tổ ong 12V 5A
• 4.2.3. Cơ cấu nối dây bộ client
• 4.2.4. Loadcell và bộ đọc giá trị lực căng
• 5. MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH
• 5.1. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của robot
• 5.1.1. Quỹ đạo chuyển động theo hình tròn
• 5.1.2. Quỹ đạo chuyển động hình chữ nhật
• 5.1.3. Quỹ đạo chuyển động nhiều điểm ngẫu nhiên
• 5.2. Thi công mô hình
• 5.3. Thực nghiệm mô hình và nhận xét
• 5.4. Giao diện và quay phim
• 5.4.1. Giao diện điều khiển
• 5.4.2. Kết quả quay phim
• 5.4.2.1. Liệt kê những nội dung thực hiện
• 5.4.2.2. Kết quả đạt được
• 5.5. Các hạn chế và đề xuất giải pháp
• 5.5.1. Đề xuất giải pháp
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Robot Cáp Quay Phim Tiềm Năng Ứng Dụng

Robot cáp quay phim là một hệ thống camera treo bằng cáp, được điều khiển bằng máy tính hay bộ điều khiển. Hệ thống này di chuyển trong không gian 3D giới hạn, thường thấy ở sân vận động, nhà thi đấu, hay hội trường lớn. Nhiệm vụ chính là ghi lại những góc khuất, hình ảnh chân thực và góc nhìn đẹp, truyền tải đến khán giả qua sóng truyền hình. Robot cáp quay phim được phát minh lần đầu vào năm 1980 bởi một nhà làm phim. Đến năm 1984, công nghệ này được sử dụng trong một trận đấu bóng bầu dục ở Mỹ. Những phản hồi tích cực đã thúc đẩy sự phổ biến của robot cáp quay phim. Hiện nay, các sự kiện thể thao lớn trên thế giới đều áp dụng công nghệ này. Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc sử dụng robot cáp treo quay phim còn hạn chế, vì thế đề tài này hướng đến việc đưa những hình ảnh đẹp nhất qua màn hình trực tuyến. Robot điều khiển bằng dây cáp, còn được gọi là robot treo bằng dây cáp, là một loại thiết bị thao tác song song sử dụng cáp mềm làm cơ cấu truyền động. Cấu trúc này bao gồm việc cuộn một đầu cáp quanh roto thông qua động cơ và kết nối đầu còn lại với bộ End-effector. Một ví dụ nổi tiếng là SKYCAM, được dùng để di chuyển camera quay phim trong sân vận động. So với robot nối tiếp hoặc song song có liên kết cứng, robot điều khiển bằng dây cáp sử dụng cáp nhẹ hơn đáng kể và có thể sử dụng lượng lớn dây cáp mà không làm tăng kích thước cơ chế. Kết quả là bộ End-effector của robot cáp có thể đạt được gia tốc và vận tốc làm việc tương đối cao trong không gian làm việc lớn hơn. Phân tích động học của robot cáp khác với các robot song song khác vì dây cáp chỉ có khả năng kéo một vật thể mà không thể đẩy ngược lại. Do đó, hệ thống chỉ có thể hoạt động khi lực trong tất cả các sợi cáp là không âm. Không gian làm việc của robot cáp được xác định là vùng mà bộ End-effector có thể tác động vào môi trường xung quanh bằng lực và momen cần thiết, trong khi tất cả các cáp đều căng. Các nghiên cứu tập trung vào phân tích không gian làm việc và tối ưu hóa robot cáp.

1.1. Lịch sử phát triển của Robot Cáp Quay Phim

Robot cáp quay phim có lịch sử hình thành từ những năm 1980, ban đầu phục vụ nhu cầu của các nhà làm phim. Skycam lần đầu xuất hiện vào năm 1984 trong một trận bóng bầu dục tại Mỹ. Sự thành công của Skycam đã thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong các sự kiện thể thao, điện ảnh, và truyền hình. Robot cáp quay phim là một hệ thống camera treo bằng cáp, được điều khiển bằng máy tính hay qua bộ điều khiển [13]. Hệ thống được điều khiển qua 3 chiều không gian mở trong một giới hạn nhất định trên sân vận động, nhà thi đấu hay ở hội trường lớn, …. bằng hệ thống điều khiển truyền động cáp [2]. Nó có nhiệm vụ đưa các góc khuất, các hình ảnh đến đến với khán giả một cách chân thực và có góc nhìn đẹp hơn qua sóng truyền hình.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm của robot cáp quay phim

Ưu điểm của robot cáp quay phim bao gồm khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian rộng lớn, tạo ra các góc quay độc đáo, và mang lại trải nghiệm xem chân thực cho khán giả. Nhược điểm bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp trong thiết kế và vận hành, và cần đảm bảo an toàn tuyệt đối trong quá trình sử dụng. So với các robot nối tiếp hoặc song song có liên kết cứng [25], robot điều khiển bằng dây cáp sử dụng cáp nhẹ hơn đáng kể và có thể sử dụng lượng lớn dây cáp mà không làm tăng kích thước cơ chế. Kết quả là bộ End- effector của robot cáp có thể đạt được gia tốc và vận tốc làm việc tương đối cao trong không gian làm việc lớn hơn, ví dụ như sân vận động [26, 28].

II. Tại Sao Cần Nghiên Cứu Thiết Kế Robot Cáp Quay Phim

Robot cáp là một lĩnh vực cấp thiết và đầy tiềm năng ở Việt Nam. Nó mang lại sự linh hoạt và độ chính xác cao trong quay phim thể thao và giải trí. Khả năng di chuyển bằng dây cáp của robot tạo ra các góc quay độc đáo, đưa người xem vào trung tâm sự kiện. Nghiên cứu và phát triển công nghệ này không chỉ mang lại nhiều trải nghiệm cho người xem mà còn nâng cao tính thẩm mỹ và giá trị của sản phẩm truyền thông. Ngoài ra, robot cáp còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp quảng cáo, sản xuất phim ảnh, giám sát an ninh và khám phá môi trường nguy hiểm. Sử dụng robot cáp giúp giảm thiểu sức lao động cho con người, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ an toàn trong quá trình làm việc. Nghiên cứu này còn tạo ra cơ hội phát triển các công nghệ điều khiển tự động, nhận diện hình ảnh và truyền dữ liệu, đóng góp vào lĩnh vực trí tuệ nhân tạo. Từ nhu cầu sản xuất thực tế và nâng cao kiến thức, kỹ năng trong quá trình học tập, nghiên cứu, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo robot cáp quay phim tự động”.

2.1. Tính ứng dụng của Robot Cáp Quay Phim

Tính ứng dụng của robot cáp quay phim rất đa dạng, bao gồm: Quay phim thể thao, sự kiện trực tiếp, sản xuất phim quảng cáo, giám sát an ninh, và khảo sát địa hình. Robot cáp có thể áp dụng trong công nghiệp quảng cáo, sản xuất phim ảnh, giám sát an ninh và khám phá môi trường nguy hiểm. Sử dụng robot này giúp giảm thiểu sức lao động cho con người, đồng thời nâng cao hiệu suất và độ an toàn trong quá trình làm việc. Việc nghiên cứu đề tài này còn tạo ra cơ hội phát triển các công nghệ điều khiển tự động, nhận diện hình ảnh và truyền dữ liệu, đóng góp cao vào lĩnh vực trí tuệ nhân tạo.

2.2. Mục tiêu của việc nghiên cứu Robot Cáp Quay Phim

Mục tiêu của việc nghiên cứu robot cáp quay phim là thiết kế và chế tạo ra mô hình cơ cấu robot với tiềm năng phát triển cao, dễ tiếp cận, phù hợp cho sinh viên tiếp thu, học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của robot cáp, lựa chọn kết cấu phù hợp với yêu cầu đặt ra. - Thiết kế gia công cơ khí, tính toán lực chọn động cơ và phương pháp phân phối lực căng trong quá trình hoạt động. - Tiến hành mô phỏng, thực nghiệm chuyển động của robot trong các không gian khác nhau, chuyển động ngẫu nhiên.

III. Phương Pháp Thiết Kế và Chế Tạo Robot Cáp Quay Phim

Để thiết kế và chế tạo robot cáp quay phim, cần có kiến thức về cơ khí, điện tử, và lập trình. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động, lựa chọn kết cấu phù hợp với mục tiêu đề ra. Thiết kế, gia công cơ khí, tính toán lực căng, chọn động cơ và phương pháp phân phối lực căng. Tiến hành mô phỏng, thực nghiệm chuyển động của robot trong các không gian khác nhau, chuyển động ngẫu nhiên. Nhóm chúng tôi đã tập trung nghiên cứu và phát triển mô hình robot cable nhằm áp dụng trong lĩnh vực nghiên cứu, lắp đặt và điều khiển máy quay phim tự động. Chúng tôi đã chọn robot cable như đối tượng nghiên cứu chính do khả năng mang đến một không gian làm việc vô cùng rộng lớn, vượt xa so với các loại robot khác. Để tăng cường khả năng làm việc và sự điều khiển linh hoạt của robot cable, chúng tôi đã tiến hành mở rộng cấu trúc của nó bằng cách thêm dây cáp.

3.1. Nghiên cứu về động học và động lực học của robot

Nghiên cứu về động học giúp xác định vị trí và hướng của robot trong không gian. Nghiên cứu về động lực học giúp tính toán lực và momen cần thiết để điều khiển robot. Điều này cho phép chúng tôi tận dụng tối đa không gian làm việc và đạt được mức độ linh hoạt cao hơn trong việc tương tác với môi trường xung quanh. Đây được coi là một trong những hướng cải tiến và phát triển tiềm năng cho robot trong tương lai.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển và phần mềm

Thiết kế hệ thống điều khiển giúp robot di chuyển và thực hiện các thao tác quay phim một cách tự động. Lựa chọn phần mềm phù hợp để điều khiển và giám sát robot từ xa. Do phạm vi nghiên cứu của đề tài rộng và nhận thấy được một số hạn chế về kiến thức, nhân lực trong quá trình nghiên cứu, nên đề tài chỉ tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: - Nguyên lý động học vị trí của robot cáp. Khối lượng đầu công tác tối đa là 10kg. - Thuật toán điều khiển robot và phương thức truyền tín hiệu từ xa.

IV. Giải Pháp Cơ Khí Tối Ưu Cho Robot Cáp Quay Phim Tự Động

Với mục đích phục vụ cho quay phim như: không gian áp dụng lớn, cơ cấu đơn giản, dễ dàng thay đổi phù hợp với không gian làm việc,…., vì vậy yêu cầu đặt ra cho robot là phải đảm bảo được ít nhất 3 bậc tự do. Theo các báo cáo và nghiên cứu về robot cable để có thể điều khiển được 3 bậc tự do thì cơ cấu cần thiết ít nhất 3 dây cáp. Hiện nay, có một số cơ cấu có thể đáp ứng được yêu cầu trên như: cơ cấu 3 dây 3 bậc tự do, cơ cấu 4 dây 3 bậc tự do, cơ cấu 8 dây 6 bậc tự do ….Từ yêu cầu đã đặt ra cho robot này là để áp dụng trong lĩnh vực quay phim trong không gian lớn, cơ cấu đơn giản có thể di chuyển máy quay đến các điểm trong không gian làm việc. Điều khiển độ chính xác và an toàn của robot ở mức cao. Đối với giải pháp thiết kế 3 dây 3 bậc tự do cho robot với 3 dây được mắc lên 3 đỉnh của hình trụ tam giác thì phạm vi hoạt động của robot bị hạn chế và thiếu sự linh hoạt trong điều khiển, đồng thời tải trọng mang theo của robot không được đảm bảo. Đối với giải pháp thiết kế 8 dây và 6 bậc tự do cho robot với từng cặp dây được mắc lên 4 đỉnh của hình trụ chữ nhật thì phạm vi hoạt động đã được mở rộng và đáp ứng được yêu cầu đặt ra cho robot này nhưng với phương án điều khiển bằng 8 dây là vô cùng phức tạp gây khó khăn trong quá trình đảm bảo vận hành chính xác và ổn định. Ngoài ra số lượng dây nhiều nên kinh phí cũng sẽ tăng theo, và việc sử dụng 8 dây cáp trong quá trình quay phim ở các sân vận động cũng gây ra độ khó khăn nhất định. Theo yêu cầu đặt ra từ đầu đề tài thì việc lựa chọn robot làm việc trong không gian lớn, mang được các tải trọng nặng, đi chuyển đến nhiều vị trí khác nhau và vấn đề điều khiển cũng phải dễ dàng thế nên việc lựa chọn phương án 4 dây 3 bậc được xem là giải pháp tối ưu nhất. Vừa đáp ứng được yêu cầu của đề tài, vừa đảm bảo các yêu cầu khác như chi phí sản xuất thấp, độ ứng dụng cao, thao tác ít phức tạp.

4.1. So sánh các phương án thiết kế cơ khí cho Robot Cáp Quay Phim

Các phương án bao gồm cơ cấu 3 dây 3 bậc tự do, cơ cấu 4 dây 3 bậc tự do, và cơ cấu 8 dây 6 bậc tự do. Mỗi phương án có ưu và nhược điểm riêng về độ linh hoạt, khả năng chịu tải, và độ phức tạp của hệ thống điều khiển. Cần cân nhắc kỹ lưỡng để chọn phương án phù hợp với yêu cầu cụ thể của dự án. Cơ cấu gồm 3 dây 3 bậc tự do, với 3 dây được treo trên đỉnh của hình lăng trụ tam giác đều như hình 3.1: Cơ cấu 3 dây 3 bậc tự do 11 Robot cable cơ cấu 3 dây (3-Cable-Driven Robot) là một loại robot đặc biệt, dựa trên cơ cấu sử dụng dây để di chuyển và điều khiển [20]. Với cơ cấu này, robot có khả năng di chuyển một cách linh hoạt và nhanh chóng trong không gian 3 chiều, đồng thời vượt qua được các ràng buộc hình học và các vật cản trong môi trường làm việc.

4.2. Lựa chọn phương án 4 dây 3 bậc tự do

Phương án này được đánh giá là tối ưu vì đáp ứng được các yêu cầu về không gian làm việc lớn, khả năng mang tải trọng nặng, dễ điều khiển, chi phí sản xuất thấp, và độ ứng dụng cao. Cơ cấu gồm 4 dây 3 bậc tự do, với 4 đây được treo trên 4 trụ của hình hộp chữ nhật như hình 3.2: Cơ cấu 4 dây 3 bậc tự do Robot cable cơ cấu 4 dây (4-Cable-Driven Robot) là một loại robot đặc biệt có cơ cấu sử dụng 4 dây để điều khiển và di chuyển. Cơ cấu này cung cấp khả năng di chuyển và định vị chính xác trong không gian 3 chiều và có thể thực hiện các chuyển động phức tạp [21].

V. Tính Toán và Thiết Kế Cơ Khí Cho Robot Cáp Quay Phim

Trong đồ án, việc thiết kế và lựa chọn các thông số kỹ thuật đóng vai trò vô cùng quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thực nghiệm của đề tài. Để đạt được điều này, chúng tôi đã tiến hành khảo sát thực tế trong lĩnh vực liên quan nhằm thu thập thông tin về kích thước, trọng lượng, độ linh hoạt và các yêu cầu khác của đề tài. Trên thực tế, yêu cầu một robot hoạt động ổn định và di chuyển một cách mượt mà, đáp ứng tốt các yêu cầu được đặt ra. Cần lựa chọn kích thước và tải trọng một cách tối ưu, sao cho robot có thể di chuyển dễ dàng mà vẫn đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.

5.1. Tính toán động học cho robot cáp quay phim

Xác định công thức tính chiều dài dây cáp, ma trận chứa chiều dài dây, số vòng quay trên trục động cơ, và động học vận tốc. Để tính toán giá trị vận tốc của dây cáp ta xác định được góc 𝜃𝑖 : 𝑃𝑦 − 𝑃𝑖𝑦 𝜃𝑖 = 𝑡𝑎𝑛−1 ( ) (10) 𝑃𝑥 − 𝑃𝑖𝑥 Với i = 1, 2, 3, 4

5.2. Tính toán lực căng dây và thiết kế bộ tời

Tính toán lực căng dây bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính và giả nghịch đảo. Thiết kế bộ tời để điều khiển độ dài dây cáp một cách chính xác. Lực căng dây của cáp được tính từ đầu công tác (tời) đến camera. Robot có thể được xem là ở trạng thái cân bằng do chuyển động với tốc độ chậm [22]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ võng và chiều dài dây cáp cũng cần được tính đến vì cáp khá dài và có tải trọng. Vấn đề cần bằng của robot cable là xác định được vị trí, chiều dài và hướng đi của cáp. Khi xác định được những thông số trên có thể giữ robot ở trạng thái cân bằng.

5.3. Tính toán độ võng dây cáp.

Xác định thông số ảnh hưởng đến độ võng và giảm thiểu sai sót. Trong quá trình hoạt động thực tế, việc một hay các dây cáp bị võng là điều hiển hiện, độ võng của dây cáp được mô phỏng ở hình 4.5: Độ võng dây cáp giữa hai điểm

VI. Giải Thuật Điều Khiển Robot Cáp Tự Động Hóa Quay Phim

Sơ đồ hình 5.1 trình bày cấu trúc tổng quan của bộ điều khiển robot. Nó gồm các lớp sau: Lớp đầu tiên là bộ điều khiển chính, được thiết kế để tính toán giá trị của các khớp, tạo ra quỹ đạo chuyển động của camera trong không gian. Lớp này giải quyết các bài toán động học, cân bằng lực và võng cáp (nếu có). Lớp điều khiển phụ/vị trí: Chịu trách nhiệm xuất tín hiệu tới các servo thông qua driver. Lớp này đảm bảo việc điều khiển chính xác vị trí của các servo trong robot. Lớp thứ 3 kiểm soát vị trí và vận tốc của động cơ servo dựa trên các tín hiệu nhận được từ lớp điều khiển phụ và phản hồi từ các giá trị mã hóa tương ứng.

6.1. Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa cho Robot Cáp

Sử dụng vi điều khiển Arduino WeMos D1 R2 Wifi UNO và giao thức ESP –now để truyền tín hiệu điều khiển từ xa. Giải thích sơ đồ hệ thống: Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển, ESP8266 đóng vai trò Station sẽ truyền dữ liệu xung qua các ESP con (Client) thông qua giao thức esp - now, sau đó các ESP sẽ tiếp tục truyền dữ liệu qua Arduino để điều khiển động cơ qua Driver TB6600

6.2. Xây dựng lưu đồ làm việc của hệ thống điều khiển

Mô tả chi tiết quy trình hoạt động của hệ thống điều khiển, từ khi nhận lệnh điều khiển đến khi robot thực hiện thao tác quay phim. Sau khi nhận được tín hiệu điều khiển, ESP8266 đóng vai trò Station sẽ truyền dữ liệu xung qua các ESP con (Client) thông qua giao thức esp - now, sau đó các ESP sẽ tiếp tục truyền dữ liệu qua Arduino để điều khiển động cơ qua Driver TB6600 Sau khi tính toán được giá trị các thông số như số vòng quay, vận tốc trên hệ thống sẽ truyền tín hiệu xung bằng giao thức esp - now qua các client con để điều khiển động cơ thông qua step motor.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 trình bày tổng quan giới thiệu về đề tài. Cơ sở lý thuyết về mô hình cũng như nguyên lý hoạt động được nhắc đến ở chương 2. Chương 3 đưa ra các phương hướng, giải pháp để lựa chọn hệ thống cơ khí. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế cơ khí được trình bày ở chương 4.

Chương 5 và 6 sẽ đưa ra giải thuật điều khiển cùng những linh kiện, thiết bị nhằm đáp ứng việc chế tạo và chạy thực nghiệm. Cuối cùng chương 7 sẽ đưa ra kết luận và phương hướng phát triển của đề tài.1 Cơ sở lý thuyết về công nghệ: Trong thời đại Công nghiệp 4.0 đang phát triển với tốc độ ngày càng nhanh, sự hiện đại hóa công nghiệp ngày càng tăng cao. Điều này đặt ra yêu cầu cao về việc hoàn thành công việc một cách chính xác và nhanh chóng, và sản phẩm cần đáp ứng chất lượng cao. Nhằm đáp ứng nhu cầu này, các công nghệ liên quan đến robot, đặc biệt là robot công nghiệp, đang được phát triển và cải tiến một cách đáng kể từng ngày.

Robot đã tồn tại và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế khác nhau từ lâu ở các quốc gia tiên tiến trên thế giới. Hệ thống robot đại diện cho một tập hợp các máy móc có khả năng thực hiện công việc một cách tự động, được điều khiển bởi máy tính hoặc các vi mạch điện tử đã được lập trình trước. Robot là sự kết hợp giữa cơ khí, trí tuệ nhân tạo và công nghệ điện tử, tạo nên một hệ thống hoạt động đa chiều và linh hoạt. Robot được hình thành và phát triển ban đầu là một máy tự động có hình dạng tương tự con người, được tạo ra và điều khiển bởi con người.

Tuy nhiên, việc lập trình robot đòi hỏi tuân thủ ba quy tắc cơ bản sau:  Robot không được xúc phạm cũng như gây tổn hại đến con người.  Hoạt động của robot phải tuân theo nguyên tắc do con người đặt ra.  Robot cần tự bảo vệ cho nó nhưng không được vi phạm 2 nguyên tắc trên. Ba nguyên tắc trên đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và vận hành robot.

Khả năng hoạt động của robot yêu cầu sự kết hợp giữa hai yếu tố chính là cơ khí và điện tử. Yếu tố cơ khí ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu thiết kế, quy trình truyền động và cấu trúc thực hiện chức năng. Trong khi đó, yếu tố điện tử thu thập các tín hiệu và dữ liệu môi trường, sau đó truyền về hệ thống điều khiển như máy tính hoặc vi mạch điện tử. Robot cable được định nghĩa là một loại robot có cấu trúc dựa trên nguyên tắc động học của dây cáp.

Điều này có nghĩa là một số bộ truyền động gặp nhau tại một đầu hoặc khớp nối. Robot cable là một hệ thống điều khiển không gian trong đó bộ kết nối cuối cùng được điều khiển bởi nhiều bộ truyền động để căng dây. Trong báo cáo này, độ dài của cáp được kiểm soát bằng cách sử dụng tời cuộn hoạt động như một hệ thống truyền động tuyến tính với hành trình dài.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí: Đồ án này giúp nhóm áp dụng kiến thức đã học vào thực tế, bao gồm những kỹ năng và kiến thức sau đây: 6  Kiến thức về vật liệu học: Chọn lựa vật liệu phù hợp dựa trên chức năng và độ bền của các thành phần trong đề tài.  Kỹ năng vẽ kỹ thuật: Thiết kế và tạo ra bản vẽ 2D, 3D để phục vụ cho gia công cơ khí.

Sử dụng các công cụ và phần mềm như Solidworks để tạo ra các mô hình và thiết kế chi tiết.  Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm Solidworks và kiến thức về cơ khí để thiết kế và tính toán các thành phần và cấu trúc liên quan trong đề tài.  Nguyên lý của chi tiết máy: Áp dụng kiến thức về nguyên lý cơ khí và các cơ cấu truyền động để tính toán và lựa chọn các phương án phù hợp cho cấu trúc và hoạt động của máy.  Dung sai kỹ thuật và đo lường: Áp dụng kiến thức về dung sai kỹ thuật và các phương pháp đo lường để kiểm tra sự chính xác và đảm bảo các chi tiết được thiết kế và gia công cơ khí đạt yêu cầu kỹ thuật.

 Kỹ thuật robot: Tính bài toán động học thuận nghịch và jacobian của ma trận.  Các môn đại cương cũng góp phần lớn trong các phép tính. Với đề tài thiết kế robot cable quay phim tự động thì có rất nhiều cơ cấu và lựa chọn. Nhưng nhìn chung chúng đều có 3 thành phần chính là khung máy, bộ hồi tiếp cuối, bộ thu trả dây.

Nhằm đảm bảo kiểm soát dễ dàng được các góc, lực căng dây cũng như cân bằng cho robot đòi hỏi việc tính toán và lựa chọn cấu hình robot phù hợp với yêu cầu đặt ra. Với cơ cấu phù hợp robot có thể dễ dàng di chuyển và hoạt động trong không gian làm việc. Bằng việc tính toán độ dài và lực căng dây cáp ta có thể xác định vị trí của robot thông qua các phương trình động học thuận và nghịch.3 Cơ sở lý thuyết về điện – điện tử Kiến thức về điện – điện tử được sử dụng rất phổ biến trong quá trình hoàn thành đồ án, kiến thức về các môn học như kỹ thuật số, kỹ thuật điện – điện tử, vi xử lý là lập trình ứng dụng trong kỹ thuật được áp dụng để lập trình, tính toán các giá trị sao cho phù hợp với yêu cầu thực tiễn.4 Cơ sở lý thuyết về lập trình Vi điều khiển đã trở thành một công nghệ phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như giáo dục, công nghiệp và thiết bị dân dụng. Nó đóng vai trò quan trọng trong điều khiển robot công nghiệp và các loại robot khác.

Tính ứng dụng đa dạng của vi điều khiển là một trong những yếu tố quan trọng tạo nên sự phổ biến của nó. Tuy nhiên nhìn chung thì để sử dụng cần phải có kiến thức về ngôn ngữ C. Vì đây là ngôn ngữ phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất là trong môi trường sư phạm, kỹ thuật. Ngôn ngữ này dễ tiếp cận, đơn giản dễ tiếp thu, có thư viện 7 hỗ trợ.

Ngôn ngữ lập trình C có thư viện hàm phong phú, giúp người lập trình tiết kiệm thời gian, công sức. Cung cấp nhiều phép toán hữu ích cho giải quyết bài toán kỹ thuật phức tạp. Ngôn ngữ C còn cho phép người lập trình tự định nghĩa kiểu dữ liệu trừu tượng, mở rộng khả năng biểu diễn và xử lý dữ liệu theo từng bài toán cụ thể.Các nghiên cứu liên quan đến đề tài.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước Nghiên cứu về các bộ điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào năm 1984. Landsberger ở MIT đã thiết kế một bộ điều khiển song song điều khiển cáp cho hoạt động dưới nước.

Các điều khiển là dây cáp, được làm mát bằng bơm thủy lực. Năm 1989 [11], Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia ở Mỹ đã bắt đầu dự án NIST RoboCrane. Thiết kế Robot Crane sử dụng cơ bản của trình thao tác liên kết song song. Tính năng độc đáo của phương pháp NIST là sử dụng dây cáp làm liên kết song song sử dụng tời là bộ truyền động.

Vào cuối những năm 1990, hệ thống SkyCam, được phát minh bởi công ty August Design được sử dụng rộng rãi để phát sóng trực tiếp. Năm 2001 [1], robot mảng cáp được đề xuất bởi Gorman từ Đại học bang Pennsylvania đây là một lớp cơ chế robot sử dụng nhiều dây cáp được kích hoạt để thao tác với các vật thể. Về sau đã có nhiều công ty phát triển công nghệ này. Ngoài robot cable, Cogito là robot song song điều khiển bằng cáp lớn nhất Châu Âu để điều khiển hoàn toàn việc xử lí và lắp ráp các bộ phận nặng trong không gian làm việc lớn.

Năm 2017, các kĩ sư người Tây Ban Nha cho ra mắt Cogiro, robot điều khiển bằng robot đầu tiên trên thế giới có khả năng in 3D các ngôi nhà nhỏ. Điều khiển bằng dây cáp đáp ứng nhanh (Extreme Fast Cable-Driven Parallel Robot) được phát triển tại khoa cơ khí của trường đại học Duisburg-Essen, Đức. Hiện nay robot treo và điều khiển bằng dây cáp đã được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như thể thao, điện ảnh, truyền hình 8 Hình 2.1: Toàn bộ hệ thống camera cable robot 2.2 Các nghiên cứu trong nước Trong nước: Hiện tại trong nước chưa có robot cáp quay phim tự động nào, mà chỉ có một vài sản phẩm được nghiên cứu và chế tạo có cơ cấu hoạt động tương tự như robot cable. Nhóm tác giả ở trường đại học SPKT TP.

Hồ Chí Minh [18] đã nghiên cứu và chế tạo thành công Robot song song điều khiển bằng cáp với ứng dụng trong in bê tông 3D. Công trình này đã phân tích sơ lược về các dạng cấu hình đồng thời lựa chọn cấu hình tối ưu nhất, nghiên cứu tính toán động học, tính toán thiết kế, điều khiển và xây dựng 1 chương trình điều khiển cho robot này. Tiến hành thực nghiệm kiểm tra sai số vị trí, sai số lặp lại, sai số lực căng dây. Cơ cấu robot đã lựa chọn và thiết kế có thể đáp ứng được việc di chuyển chính xác trong không gian yêu cầu đặt ra, hệ thống điện hoạt động ổn định và hiệu quả.

Triển khai nghiên cứu cơ bản về vật liệu xây dựng phù hợp cho in 3D. Nguyên liệu sau khi được cho vào bồn sẽ được khuấy đều bằng hệ thống vít tải được lắp đặt trên bồn. Sau khi khuấy đều bồn sẽ được di chuyển đến các vị trí phù hợp, từ đó in ra những hình dạng và kích thước mong muốn. Như vậy có thể hoàn thành một công trình xây dựng từ 24 đến 48 tiếng tùy theo độ phức tạp.

Quá trình này được điều khiển hoàn toàn tự động qua hệ thống 8 dây cáp.2: Hình ảnh hoàn thiện robot và đầu công tác của nhóm tác giả 2.3 Các tồn tại của robot cable Mặc dù việc nghiên cứu về robot cable mang lại nhiều tiềm năng và lợi ích, song nó vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định. Trước tiên, chi phí là một yếu tố cực kỳ quan trọng vì đa số các nghiên cứu được thực hiện tại các trường đại học ở trong nước mà đối tượng thực hiện lại là sinh viên nên vấn đề kinh phí là một yếu tố đáng xem xét. Hạn chế kỹ thuật cũng là một hạn chế. Thiết kế và chế tạo robot này đòi hỏi kiến thức sâu về cơ khí, điện tử, lập trình và điều khiển.