Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp robot trên thế giới, việc ứng dụng robot công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Tuy nhiên, tại Việt Nam, robot công nghiệp vẫn chưa được sử dụng rộng rãi do chi phí cao và hạn chế về công nghệ nội địa. Đề tài “Thiết kế và điều khiển động học cánh tay robot EEZYbotARM MK2” được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do, phục vụ cho mục đích giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng lý thuyết động học thuận và nghịch trong điều khiển cánh tay robot, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp với vi điều khiển Arduino Uno R3 để điều khiển hệ thống. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2020 tại các phòng thí nghiệm của khoa Điện – Điện tử. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp sinh viên và giảng viên kiểm chứng các giải thuật điều khiển mà còn góp phần phát triển công nghệ robot nội địa, giảm sự phụ thuộc vào các thiết bị nhập khẩu. Việc xây dựng mô hình thực nghiệm này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng robot trong các lĩnh vực công nghiệp, giáo dục và nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong kỹ thuật robot: động học thuận và động học nghịch của cánh tay robot. Động học thuận mô tả mối quan hệ giữa các góc khớp và vị trí của đầu cánh tay robot trong không gian ba chiều, được biểu diễn qua ma trận chuyển đổi đồng nhất. Động học nghịch là bài toán ngược lại, tính toán các góc khớp dựa trên vị trí mục tiêu của đầu cánh tay. Ngoài ra, mô hình hệ thống được xây dựng dựa trên nguyên lý điều khiển MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), cho phép xử lý nhiều tín hiệu đầu vào và đầu ra đồng thời. Các khái niệm chuyên ngành như vi điều khiển Arduino Uno R3, động cơ servo MG966, và phần mềm Matlab/Simulink cũng được tích hợp để phát triển hệ thống điều khiển. Phần mềm SolidWorks được sử dụng để thiết kế mô hình 3D của cánh tay robot, hỗ trợ việc mô phỏng và lắp ráp chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, lập trình và thử nghiệm mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do tại phòng thí nghiệm của khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình thực nghiệm duy nhất nhưng được kiểm tra qua nhiều lần thử với các điểm đặt khác nhau để đánh giá độ chính xác và ổn định. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng trên phần mềm. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng cách so sánh kết quả thực nghiệm với các giá trị lý thuyết tính toán từ động học thuận và nghịch. Timeline nghiên cứu kéo dài 5 tháng, từ tháng 01 đến tháng 05 năm 2020, bao gồm các giai đoạn: thiết kế mô hình trên SolidWorks, chế tạo mô hình thực tế bằng công nghệ in 3D, lập trình điều khiển trên Matlab/Simulink và Arduino, và cuối cùng là thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do: Mô hình được xây dựng bằng phần mềm SolidWorks và in 3D, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ chính xác cơ khí. Kích thước và cấu trúc phù hợp với yêu cầu điều khiển động học, giúp mô phỏng chính xác các chuyển động trong không gian ba chiều.

  2. Ứng dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 trong điều khiển: Vi điều khiển Arduino Uno R3 với bộ nhớ flash 32KB và tần số hoạt động 16 MHz được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với thư viện Arduino trên Matlab/Simulink để điều khiển động cơ servo MG966. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với dòng tiêu thụ khoảng 30mA, đáp ứng chính xác các điểm đặt.

  3. Lập trình thành công giao diện Matlab GUI: Giao diện điều khiển được thiết kế trực quan, cho phép người dùng nhập các tọa độ mục tiêu và điều khiển cánh tay robot di chuyển đến vị trí mong muốn. Tỷ lệ thành công trong việc đưa cánh tay robot đến đúng điểm đặt đạt trên 95% trong các lần thử nghiệm.

  4. Tính toán động học thuận và nghịch chính xác: Các phương trình động học được lập trình và chạy trên Matlab, kết quả so sánh giữa giá trị tính toán và thực nghiệm có sai số nhỏ, dưới 3%, chứng tỏ tính khả thi của mô hình và thuật toán điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của đề tài đến từ việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết động học robot và ứng dụng thực tế với phần cứng Arduino và phần mềm Matlab. Việc sử dụng Arduino Uno R3 giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong thiết kế hệ thống điều khiển. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào điều khiển robot công nghiệp phức tạp, đề tài này hướng đến mô hình đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với môi trường đào tạo đại học. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số vị trí giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm, cũng như bảng thống kê tỷ lệ thành công trong các lần điều khiển. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển một mô hình robot điều khiển chính xác mà còn góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực điều khiển tự động và kỹ thuật robot tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng mô hình cánh tay robot với nhiều bậc tự do hơn: Đề xuất phát triển hệ thống cánh tay robot 5 hoặc 6 bậc tự do nhằm tăng khả năng ứng dụng trong các bài toán phức tạp hơn. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm kỹ thuật cơ điện tử đảm nhiệm.

  2. Tích hợp cảm biến lực và thị giác máy tính: Đề xuất bổ sung các cảm biến lực và camera để nâng cao khả năng điều khiển chính xác và tự động hóa, hướng tới các ứng dụng trong công nghiệp và y tế. Mục tiêu tăng độ chính xác điều khiển lên trên 98% trong vòng 6 tháng.

  3. Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi và học máy: Áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi, mạng nơ ron nhân tạo để cải thiện khả năng xử lý các tham số bất định và nhiễu trong môi trường thực tế. Thời gian nghiên cứu 9 tháng, phối hợp với các chuyên gia về trí tuệ nhân tạo.

  4. Xây dựng tài liệu hướng dẫn và khóa học đào tạo: Soạn thảo tài liệu chi tiết và tổ chức các khóa học đào tạo cho giảng viên và sinh viên về thiết kế, lập trình và điều khiển robot sử dụng Arduino và Matlab. Mục tiêu nâng cao năng lực đào tạo trong vòng 3 tháng, do bộ môn Điều khiển tự động chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và điều khiển robot, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  2. Nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển robot nội địa: Tài liệu giúp hiểu rõ về ứng dụng Arduino và Matlab trong điều khiển robot, từ đó phát triển các sản phẩm phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  3. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Có thể sử dụng mô hình và phương pháp nghiên cứu để xây dựng chương trình đào tạo thực hành về robot và tự động hóa.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và tự động hóa: Tham khảo để áp dụng các giải pháp điều khiển robot chi phí thấp, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Arduino Uno R3 có phù hợp để điều khiển robot công nghiệp không?
    Arduino Uno R3 phù hợp cho các mô hình robot nhỏ và trung bình, đặc biệt trong đào tạo và nghiên cứu. Với tần số 16 MHz và bộ nhớ 32KB, nó đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển động học cơ bản, tuy nhiên với robot công nghiệp phức tạp cần vi xử lý mạnh hơn.

  2. Làm thế nào để tính toán động học nghịch của cánh tay robot?
    Động học nghịch được tính dựa trên các phương trình liên hệ giữa vị trí mục tiêu và các góc khớp, sử dụng hàm arctan2 để xác định góc khớp chính xác. Phương pháp này giúp xác định các góc điều khiển để cánh tay robot đạt vị trí mong muốn.

  3. Phần mềm Matlab/Simulink hỗ trợ gì trong điều khiển robot?
    Matlab/Simulink cung cấp môi trường mô phỏng và lập trình trực quan, hỗ trợ thiết kế thuật toán điều khiển, giao diện GUI và tích hợp thư viện Arduino để điều khiển phần cứng thực tế, giúp giảm thời gian phát triển và thử nghiệm.

  4. Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do có ứng dụng thực tế nào?
    Mô hình này phù hợp cho các bài toán đào tạo, nghiên cứu thuật toán điều khiển, và các ứng dụng tự động hóa đơn giản như lắp ráp, kiểm tra sản phẩm, hoặc hỗ trợ trong phòng thí nghiệm.

  5. Làm sao để nâng cao độ chính xác điều khiển của cánh tay robot?
    Có thể tích hợp thêm cảm biến phản hồi, sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi hoặc học máy, đồng thời hiệu chỉnh các tham số điều khiển để giảm sai số và tăng độ ổn định trong quá trình vận hành.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do với cấu trúc cơ khí chính xác và thẩm mỹ.
  • Ứng dụng vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp Matlab/Simulink để điều khiển hệ thống đạt độ ổn định và chính xác cao.
  • Lập trình giao diện Matlab GUI giúp người dùng dễ dàng điều khiển và tương tác với cánh tay robot.
  • Kết quả thực nghiệm chứng minh tính khả thi của phương pháp điều khiển động học thuận và nghịch trong môi trường đào tạo.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu với các bậc tự do cao hơn, tích hợp cảm biến và thuật toán điều khiển tiên tiến để nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ triển khai phát triển mô hình nâng cao và tích hợp các công nghệ mới nhằm phục vụ tốt hơn cho giảng dạy và ứng dụng thực tế. Độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên nền tảng này để thúc đẩy sự phát triển của ngành robot tại Việt Nam.