Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và cải thiện điều kiện lao động. Tại Việt Nam, trong vòng 25 năm qua, ngành công nghiệp robot đã có những bước tiến đáng kể với nhiều đề tài nghiên cứu và sản phẩm robot được phát triển bởi các trung tâm nghiên cứu và trường đại học lớn như Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp còn hạn chế do chi phí cao và cơ cấu sản xuất chủ yếu dựa vào lao động thủ công. Đề tài “Thiết kế cánh tay robot (trục X và trục Y)” nhằm mục tiêu nghiên cứu cấu tạo và phương pháp điều khiển tối ưu cho cánh tay robot, hướng tới làm chủ công nghệ chế tạo robot trong nước, phục vụ giảng dạy và ứng dụng sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển cánh tay robot theo trục X và trục Y sử dụng phần mềm LabVIEW và CodeVisionAVR, với thời gian nghiên cứu trong giai đoạn gần đây tại TP. Hồ Chí Minh. Việc phát triển thành công cánh tay robot này có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chi phí nhập khẩu robot, thúc đẩy ngành công nghiệp robot nội địa và nâng cao năng lực nghiên cứu ứng dụng trong các trường đại học và doanh nghiệp sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về robot công nghiệp, đặc biệt tập trung vào động học và động lực học của robot SCARA. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Động học robot: Bao gồm động học thuận và động học ngược, giúp xác định vị trí, hướng và các biến khớp của cánh tay robot dựa trên các ma trận tọa độ thuần nhất và phép quay thuần nhất tổng hợp. Khái niệm toạ độ thuần nhất trong không gian bốn chiều được sử dụng để biểu diễn các phép biến đổi vị trí và hướng của các khớp robot.

  • Động lực học robot: Sử dụng phương trình Lagrange để mô tả chuyển động của robot, bao gồm động năng, thế năng và lực suy rộng tác động lên các khớp. Ma trận quán tính, vectơ lực ly tâm, Coriolis và trọng trường được tính toán để xây dựng phương trình vi phân chuyển động của cánh tay robot.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: bậc tự do của robot, chuỗi động học, khớp quay, ma trận Denavit-Hartenberg (D-H), ma trận chuyển đổi thuần nhất, lực suy rộng, và các loại khớp cơ bản trong robot.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về robot công nghiệp, các nghiên cứu trong nước và quốc tế, cùng với dữ liệu thực nghiệm từ việc thiết kế và điều khiển cánh tay robot SCARA tại phòng thí nghiệm.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích động học thuận và động học ngược của robot SCARA dựa trên ma trận D-H và tọa độ thuần nhất; tính toán động lực học sử dụng phương trình Lagrange; mô phỏng và lập trình điều khiển robot bằng phần mềm LabVIEW và CodeVisionAVR.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào thiết kế và điều khiển một mô hình cánh tay robot SCARA 2 trục (trục X và trục Y) với các thông số kỹ thuật cụ thể như tải trọng tối đa 100 kg, độ chính xác lặp lại ±0.1 mm, tốc độ tối đa 125 m/s. Việc lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính phức tạp của bài toán động học và yêu cầu thực tiễn trong điều khiển robot.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019 tại TP. Hồ Chí Minh, bao gồm các giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Động học thuận và động học ngược của robot SCARA:

    • Xác định chính xác vị trí và hướng của bàn kẹp dựa trên các biến khớp θ1, θ2 với sai số vị trí trong phạm vi ±0.1 mm.
    • Phương trình động học thuận được biểu diễn qua ma trận D-H, cho phép tính toán vị trí bàn kẹp trong không gian làm việc có bán kính từ 0.231 m đến 0.39 m.
    • Động học ngược giải quyết bài toán tìm các biến khớp θ1, θ2 từ vị trí bàn kẹp, với độ chính xác cao và khả năng xử lý nhiều nghiệm nhờ phương pháp số.

  2. Tính toán lực tác dụng lên các khớp:

    • Lực tổng quát F1 và F2 tác động lên khớp 1 và khớp 2 được tính dựa trên phương trình Lagrange, phản ánh đặc tính phi tuyến và sự tương tác giữa các khớp.
    • Ví dụ, lực F1 phụ thuộc vào vận tốc góc, gia tốc và trọng lực, với các thành phần lực ly tâm và Coriolis được tính toán chi tiết.

  3. Hiệu quả điều khiển động cơ điện một chiều (DC):

    • Động cơ DC được sử dụng để điều khiển các khớp quay với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt trong dải rộng, đảm bảo mô men quay ổn định.
    • Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng và từ thông được áp dụng để kiểm soát tốc độ và mô men, phù hợp với yêu cầu vận hành robot SCARA.

  4. Ứng dụng phần mềm LabVIEW và CodeVisionAVR:

    • Phần mềm LabVIEW được sử dụng để lập trình điều khiển và giám sát hoạt động của cánh tay robot, hỗ trợ giao diện trực quan và xử lý tín hiệu thời gian thực.
    • CodeVisionAVR giúp lập trình vi điều khiển cho bộ điều khiển robot, đảm bảo tính chính xác và ổn định trong vận hành.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng lý thuyết động học và động lực học vào thiết kế cánh tay robot SCARA là khả thi và hiệu quả. Các phương trình động học thuận và ngược được giải quyết thành công, giúp robot có thể định vị chính xác trong không gian làm việc. Lực tác dụng lên các khớp được tính toán chi tiết, phản ánh đúng đặc tính phi tuyến và tương tác phức tạp giữa các khớp, điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về robot SCARA.

Việc sử dụng động cơ DC và phần mềm điều khiển hiện đại như LabVIEW và CodeVisionAVR giúp nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm thiểu sai số và tăng độ ổn định vận hành. So với các nghiên cứu trước đây, đề tài đã phát triển thêm giải pháp phần cứng và phần mềm tối ưu cho điều khiển robot trong điều kiện sản xuất tại Việt Nam, góp phần giảm chi phí và tăng tính ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô tả quỹ đạo chuyển động của bàn kẹp, biểu đồ lực tác dụng theo thời gian và bảng so sánh sai số vị trí giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp thiết kế và điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh cho cánh tay robot SCARA

    • Tăng cường tích hợp cảm biến vị trí và lực để nâng cao độ chính xác điều khiển.
    • Mục tiêu: Đạt sai số vị trí dưới ±0.05 mm trong vòng 2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu tại trường đại học và doanh nghiệp công nghệ.

  2. Nâng cấp phần mềm điều khiển và giao diện người dùng

    • Phát triển giao diện trực quan, hỗ trợ lập trình quỹ đạo và giám sát trạng thái robot theo thời gian thực.
    • Mục tiêu: Hoàn thiện phần mềm trong 12 tháng, tăng tính thân thiện và dễ sử dụng.
    • Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư phần mềm và sinh viên thực tập.

  3. Mở rộng ứng dụng robot SCARA trong dây chuyền sản xuất công nghiệp

    • Thử nghiệm và triển khai robot trong các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, nhựa và lắp ráp cơ khí.
    • Mục tiêu: Giảm 20% chi phí nhân công và tăng 15% năng suất trong 3 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất phối hợp với trung tâm nghiên cứu.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân lực về robot công nghiệp

    • Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, lập trình và vận hành robot SCARA cho sinh viên và kỹ sư.
    • Mục tiêu: Đào tạo ít nhất 100 kỹ sư trong 2 năm tới.
    • Chủ thể thực hiện: Các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành cơ khí, tự động hóa và robot

    • Lợi ích: Hiểu sâu về lý thuyết động học, động lực học và ứng dụng thực tế trong thiết kế robot SCARA.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn tốt nghiệp.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển robot công nghiệp

    • Lợi ích: Áp dụng các phương pháp tính toán và điều khiển robot SCARA vào thiết kế sản phẩm thực tế.
    • Use case: Tối ưu hóa hệ thống điều khiển và nâng cao hiệu suất robot trong sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp có nhu cầu tự động hóa

    • Lợi ích: Hiểu rõ về khả năng ứng dụng robot SCARA trong dây chuyền sản xuất, giảm chi phí và tăng năng suất.
    • Use case: Lựa chọn và triển khai robot phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot và tự động hóa

    • Lợi ích: Cập nhật kiến thức mới, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng phần mềm điều khiển robot.
    • Use case: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot SCARA là gì và có đặc điểm gì nổi bật?
    Robot SCARA là loại robot công nghiệp có cấu trúc gồm các khớp quay và khớp tịnh tiến, thường có 4 bậc tự do. Đặc điểm nổi bật là khả năng vận chuyển vật nặng với độ chính xác cao trong không gian làm việc hình trụ, tốc độ nhanh và dễ điều khiển.

  2. Phương pháp động học thuận và động học ngược khác nhau như thế nào?
    Động học thuận xác định vị trí và hướng của bàn kẹp dựa trên các biến khớp đã biết, trong khi động học ngược tìm các biến khớp cần thiết để đạt vị trí và hướng bàn kẹp mong muốn. Cả hai phương pháp đều quan trọng trong lập trình và điều khiển robot.

  3. Tại sao sử dụng động cơ điện một chiều (DC) cho robot SCARA?
    Động cơ DC có ưu điểm điều chỉnh tốc độ dễ dàng trong dải rộng, mô men ổn định và cấu trúc điều khiển đơn giản, phù hợp với yêu cầu vận hành chính xác và linh hoạt của các khớp quay trong robot SCARA.

  4. Phần mềm LabVIEW và CodeVisionAVR được sử dụng như thế nào trong điều khiển robot?
    LabVIEW cung cấp môi trường lập trình đồ họa để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát robot, còn CodeVisionAVR dùng để lập trình vi điều khiển, đảm bảo thực thi các thuật toán điều khiển chính xác và ổn định.

  5. Làm thế nào để chọn nghiệm phù hợp trong bài toán động học ngược khi có nhiều nghiệm?
    Việc chọn nghiệm được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn tối ưu như thời gian điều khiển, năng lượng tiêu thụ hoặc tránh va chạm. Các thuật toán tối ưu hóa được áp dụng để lựa chọn nghiệm phù hợp nhất với yêu cầu vận hành.

Kết luận

  • Đã thiết kế và phân tích thành công cánh tay robot SCARA 2 trục với các phương trình động học thuận và ngược chính xác, phù hợp với yêu cầu sản xuất.
  • Tính toán lực tác dụng lên các khớp giúp hiểu rõ đặc tính phi tuyến và tương tác giữa các khớp, hỗ trợ thiết kế động cơ và hệ thống điều khiển hiệu quả.
  • Áp dụng thành công động cơ điện một chiều và phần mềm LabVIEW, CodeVisionAVR trong điều khiển robot, nâng cao độ chính xác và ổn định vận hành.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển hệ thống điều khiển tự động, nâng cấp phần mềm, mở rộng ứng dụng và đào tạo nhân lực nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp robot nội địa.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp tục nghiên cứu, ứng dụng và phát triển robot SCARA trong sản xuất công nghiệp Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm thực tế, hoàn thiện hệ thống điều khiển và mở rộng ứng dụng robot SCARA trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Đăng ký hợp tác nghiên cứu và đào tạo để nâng cao năng lực công nghệ robot trong nước.