Thiết kế mô hình và bộ điều khiển từ xa cho robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do

Đồ án thiết kế mô hình và bộ điều khiển từ xa cho robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do - ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Lý Phi Cường
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
• Đề tài: Thiết kế mô hình và bộ điều khiển từ xa cho robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot cáp 6 bậc tự do tại ĐH SPKT TP

Robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do là đề tài nghiên cứu nổi bật tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình do nhóm sinh viên Khoa Đào tạo Chất lượng cao thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Trần Đức Thiện. Thiết bị hướng đến việc giải quyết giới hạn không gian làm việc của các tay máy công nghiệp truyền thống. Tay máy thông thường sử dụng động cơ gắn trực tiếp tại các khớp. Cấu trúc đó làm tăng khối lượng chuyển động và quán tính thân máy. Ngược lại, robot cáp di chuyển khối lượng động cơ về đế cố định. Thân robot truyền lực thông qua hệ thống dây cáp mềm chịu tải cao. Thiết kế này tạo ra thân cánh tay thanh mảnh và trọng lượng rất nhẹ. Robot sở hữu khả năng uốn lượn vượt trội để đi vào không gian chật hẹp. Kiến trúc cơ khí bao gồm ba khâu và ba khớp vạn năng nối tiếp. Mỗi khớp vạn năng cung cấp hai bậc tự do xoay độc lập. Nhờ cấu trúc module hóa, quy trình chế tạo, lắp ráp và nâng cấp robot diễn ra rất thuận tiện. Nghiên cứu kết hợp toàn diện giữa thiết kế cơ khí, tính toán động học và truyền thông từ xa. Đây là nền tảng quan trọng phục vụ đào tạo và ứng dụng tự động hóa chuyên sâu.

1.1. Cấu trúc module hóa của mô hình robot cáp 6 bậc tự do

Mô hình cánh tay robot gồm ba khâu trung gian, một khâu chấp hành cuối và ba khớp vạn năng. Mỗi khớp vạn năng tạo ra hai bậc tự do chuyển động. Toàn bộ thân robot đạt tổng cộng 6 bậc tự do linh hoạt. Các khâu cơ khí được thiết kế dưới dạng module tiêu chuẩn hóa trên phần mềm SolidWorks. Cấu trúc module cho phép tháo rời và thay thế từng cụm chi tiết nhanh chóng. Việc bổ sung khâu mới để tăng bậc tự do cũng rất dễ dàng. Khâu chấp hành cuối thiết kế mở để lắp nhiều dạng đầu công tác khác nhau. Hệ thống dây cáp thép bọc polyme chạy dọc bên trong các rãnh dẫn hướng của thân tay máy. Giải pháp dẫn hướng này triệt tiêu hiện tượng ma sát lớn và chống rối cáp hiệu quả trong khi vận hành.

1.2. Ưu thế động học của tay máy truyền động cáp nối tiếp

Cơ chế truyền động cáp mang lại nhiều ưu điểm cơ học vượt trội so với tay máy truyền thống. Tất cả cụm động cơ chấp hành AC Servo được đặt tập trung tại bệ đỡ cố định. Thân cánh tay không phải chịu tải trọng tĩnh từ khối lượng động cơ. Quán tính chuyển động của toàn hệ thống giảm xuống mức tối thiểu. Nhờ vậy, robot đạt gia tốc di chuyển cao và phản ứng nhanh nhạy. Thiết kế giảm thiểu nguy cơ va chạm gây mất an toàn trong môi trường làm việc cộng tác. Dây cáp chịu lực kéo đóng vai trò truyền mô-men trực tiếp tới từng khớp quay. Cơ cấu tạo chuyển động uốn linh hoạt tương tự như xúc tu sinh học. Robot dễ dàng luồn lách qua các chướng ngại vật phức tạp để tiếp cận mục tiêu.

II. Thách thức kỹ thuật của robot cáp 6 bậc tự do nối tiếp

Phát triển robot cáp 6 bậc tự do nối tiếp đặt ra nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Trở ngại hàng đầu nằm ở đặc tính phi tuyến tính của dây cáp truyền động. Dây cáp chỉ truyền được lực kéo chứ không truyền được lực nén. Lực căng cáp phải luôn duy trì ở trạng thái dương trong mọi trạng thái chuyển động. Hiện tượng chùng cáp gây mất khả năng điều khiển vị trí khâu chấp hành cuối. Ngược lại, lực căng quá lớn sẽ làm biến dạng khung cơ khí và gây đứt cáp. Ngoài ra, tính toán động học nghịch cho hệ thống tay máy nhiều bậc tự do rất khó khăn. Các phương pháp giải tích thông thường thường dẫn đến nghiệm đa trị hoặc bế tắc tại các điểm kỳ dị. Sự đàn hồi và trễ cơ học của dây cáp khiến sai số vị trí tích lũy ngày càng lớn. Việc đi dây cáp bên trong thân vỏ module cũng đòi hỏi độ chính xác gia công cao. Hệ thống điều khiển đòi hỏi thuật toán phản hồi thời gian thực với chu kỳ tính toán tính bằng mili giây.

2.1. Điểm kỳ dị và phi tuyến trong động học nghịch robot cáp

Phương trình động học nghịch của robot cáp 6 bậc tự do có mức độ phức tạp rất cao. Mối quan hệ giữa góc quay của khớp và chiều dài dây cáp mang tính phi tuyến mạnh. Trong không gian làm việc, robot thường xuyên đối mặt với các điểm kỳ dị động học. Tại vị trí kỳ dị, ma trận Jacobian bị suy biến và mất khả năng kiểm soát hướng di chuyển. Vận tốc khớp tính toán có thể tiến tới vô cùng, gây rung lắc dữ dội hoặc quá tải động cơ. Đồ án tại ĐH SPKT TP.HCM đã tiến hành khảo sát kỹ lưỡng không gian làm việc. Nhóm nghiên cứu xác định rõ các vùng biên kỳ dị nhằm thiết lập thuật toán tránh điểm nguy hiểm trong thời gian thực.

2.2. Kiểm soát độ chùng và ma sát dây cáp trong chuyển động

Dây cáp chuyển động uốn lượn qua nhiều bề mặt khâu dẫn hướng sinh ra ma sát đáng kể. Lực ma sát biến thiên phụ thuộc vào góc uốn của từng khớp vạn năng. Hiện tượng trễ ma sát làm giảm độ chính xác định vị tại khâu cuối. Hơn nữa, việc duy trì lực căng ổn định cho tất cả các nhánh cáp là bài toán nan giải. Khi một khớp chuyển động, chiều dài tương đối của các sợi cáp khác cũng bị ảnh hưởng chéo. Nếu không bù trừ biến dạng cáp, hiện tượng chùng dây sẽ lập tức xuất hiện. Cơ cấu bánh dẫn hướng bằng vật liệu chống mòn và hệ thống con lăn trợ lực trở thành yêu cầu chế tạo bắt buộc để duy trì độ tin cậy cơ học.

III. Giải pháp điều khiển robot cáp 6 bậc tự do từ xa ưu việt

Nhóm tác giả tại ĐH SPKT TP.HCM xây dựng giải pháp đồng bộ từ phần cứng đến phần mềm. Về mặt động học, nhóm sử dụng ma trận Jacobian cải tiến kết hợp phương pháp xấp xỉ nghịch đảo để giải động học nghịch. Thuật toán phân bổ lực thông minh bảo đảm tất cả sợi cáp luôn có lực căng dương tối thiểu. Về cấu trúc điều khiển, nhóm tích hợp mạng truyền thông công nghiệp CAN bus tốc độ cao. Mạng CAN bus liên kết mạch điều khiển trung tâm với các bộ truyền động AC Servo thông minh. Cơ chế này giảm thiểu số lượng dây nối phức tạp và tăng cường khả năng chống nhiễu công nghiệp. Đặc biệt, hệ thống ứng dụng mô hình robot Delta làm thiết bị điều khiển chủ (master manipulator). Chuyển động của robot Delta được thu thập qua cảm biến vị trí với độ nhạy cao. Thuật toán ánh xạ không gian chuyển đổi thao tác từ robot Delta sang tọa độ của robot cáp nối tiếp. Toàn bộ tín hiệu điều khiển truyền qua đường truyền không dây tầm xa với độ trễ cực thấp.

3.1. Thuật toán Jacobian và ánh xạ không gian điều khiển

Nhóm nghiên cứu áp dụng phương pháp ma trận Jacobian có trọng số để giải động học nghịch. Thuật toán tối ưu hóa chuyển động giúp robot tránh các điểm kỳ dị trong không gian thao tác. Nhóm xây dựng giải thuật ánh xạ không gian làm việc giữa robot điều khiển Delta và robot cáp. Khi người vận hành điều khiển tay máy Delta, vị trí đầu công tác được tính toán tức thời. Tọa độ này được chuẩn hóa và ánh xạ sang không gian góc khớp của robot cáp 6 bậc tự do. Giải thuật bảo đảm sự tương thích hình học giữa hai cơ cấu có cấu hình khác biệt hoàn toàn. Khâu chấp hành cuối của robot cáp bám sát quỹ đạo điều khiển với sai số vị trí tối thiểu.

3.2. Hạ tầng mạng CAN bus và truyền thông không dây từ xa

Hệ thống phần cứng sử dụng mạng truyền thông CAN bus để truyền nhận dữ liệu giữa khối xử lý và các driver AC Servo. Chuẩn CAN bus đem lại tính năng truyền tin thời gian thực với cơ chế phát hiện lỗi tin cậy. Dữ liệu lệnh vị trí và phản hồi dòng điện được cập nhật liên tục qua các khung truyền tốc độ 1 Mbps. Đối với liên kết điều khiển từ xa, nhóm triển khai giao thức truyền thông không dây băng tần công nghiệp. Giao tiếp không dây đạt băng thông ổn định, khả năng kháng nhiễu cao và khoảng cách bao phủ rộng. Tủ điện điều khiển được thi công gọn gàng với đầy đủ các mạch cách ly quang và bộ lọc nguồn chống xung đột biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot cáp 6 bậc tự do trong tương lai

Mô hình thực nghiệm robot cáp 6 bậc tự do tại ĐH SPKT TP.HCM đánh dấu bước tiến công nghệ khả thi. Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh robot vận hành mượt mà theo lệnh từ xa. Sai số quỹ đạo nằm trong giới hạn cho phép của ứng dụng tiền khả thi. Thiết kế dạng module giúp giảm chi phí sản xuất và rút ngắn thời gian sửa chữa bảo dưỡng. Trong công nghiệp hiện đại, robot cáp mở ra nhiều hướng tiếp cận mới trong môi trường làm việc hiểm trở. Robot có thể luồn sâu kiểm tra các đường ống dẫn dầu khí ngầm hoặc buồng đốt tuabin máy bay. Thân máy thanh mảnh và mềm dẻo tránh gây trầy xước kết cấu thiết bị xung quanh. Bên cạnh đó, robot cáp còn mở ra tiềm năng lớn trong phẫu thuật nội soi y tế nhờ độ an toàn tương tác vượt trội. Đồ án tốt nghiệp này đã tạo lập nền tảng lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển robot mềm tại Việt Nam.

4.1. Kiểm tra không gian hẹp trong công nghiệp hóa chất dầu khí

Trong ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất, việc kiểm tra định kỳ các đường ống và bồn chứa là thách thức lớn. Các thiết bị bay không người lái hoặc robot thông thường gặp khó khăn do kích thước cồng kềnh. Robot cáp nối tiếp với tiết diện thân nhỏ gọn dễ dàng uốn lượn qua các khúc cua gấp. Robot mang theo camera nội soi và cảm biến siêu âm để đo độ dày thành ống. Hình ảnh khuyết tật hoặc rò rỉ khí được truyền trực tiếp về màn hình giám sát từ xa. Nhờ bộ truyền động đặt bên ngoài, thân robot không mang nguy cơ phát tia lửa điện tại khu vực dễ cháy nổ. Giải pháp bảo vệ an toàn tối đa cho nhân viên kỹ thuật.

4.2. Hỗ trợ phẫu thuật nội soi và y tế can thiệp ít xâm lấn

Trong lĩnh vực y tế, công nghệ robot cáp đóng vai trò quan trọng cho các thiết bị phẫu thuật nội soi thế hệ mới. Khả năng uốn dẻo nhiều bậc tự do giúp bác sĩ thao tác phẫu thuật qua các đường rạch siêu nhỏ. Trọng lượng cánh tay nhẹ giúp giảm thiểu nguy cơ tổn thương các mô mềm xung quanh vết mổ. Cơ chế điều khiển từ xa thông qua tay máy chủ Delta cho phép thao tác phẫu thuật từ xa với độ chính xác cơ học cao. Đề tài tại ĐH SPKT TP.HCM cung cấp tiền đề lý thuyết về ánh xạ không gian điều khiển cho các ứng dụng y sinh hiện đại này.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng tự động hóa công nghiệp và cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư, robot công nghiệp dạng tay máy đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm và thay thế con người trong các công việc lặp lại hoặc nguy hiểm. Tuy nhiên, các dòng robot chuỗi động học hở truyền thống như PUMA 560, IRB 6620 hay RV-2FR thường bố trí động cơ truyền động trực tiếp tại từng khớp nối. Cấu trúc này làm tăng khối lượng chuyển động của các khâu, hạn chế khả năng cơ động và khiến robot khó vận hành ổn định trong các môi trường có không gian hẹp, nhiều vật cản hoặc môi trường độc hại. Để khắc phục các nhược điểm này, cấu trúc robot nối tiếp truyền động bằng cáp (Cable-driven Manipulator) được phát triển nhằm tách rời toàn bộ hệ thống động cơ đưa về phần đế, giúp phần thân robot trở nên gọn nhẹ, giảm thiểu quán tính và hạn chế ảnh hưởng của nhiễu từ trường lên cơ cấu chấp hành.

Trên cơ sở kế thừa và cải tiến các nghiên cứu trước đây tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể sau:

1. Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm robot nối tiếp truyền động bằng cáp 6 bậc tự do cùng tủ điện và các mạch điều khiển cục bộ.
2. Xây dựng mô hình toán học, thiết lập hệ trục tọa độ theo chuẩn Denavit-Hartenberg (D-H), tính toán động học thuận và nghiên cứu áp dụng phương pháp ma trận Jacobian để giải bài toán động học nghịch.
3. Nghiên cứu, thiết kế kiến trúc điều khiển phân tán dựa trên mạng truyền thông CAN bus (Controller Area Network) để điều khiển đồng bộ các động cơ AC Servo.
4. Xây dựng hệ thống điều khiển từ xa không dây kết hợp cơ chế phản hồi lực (haptic feedback) sử dụng thiết bị Novint Falcon joystick đóng vai trò là cơ cấu chỉ huy (Master), áp dụng giải thuật ánh xạ không gian làm việc giữa thiết bị điều khiển và robot chấp hành (Slave).
5. Thực hiện mô phỏng trên môi trường phần mềm và tiến hành thực nghiệm trên mô hình vật lý nhằm đánh giá khả năng bám quỹ đạo, chất lượng truyền thông mạng CAN và hoạt động của hệ thống điều khiển từ xa.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc cơ khí robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do; giải thuật giải động học nghịch dựa trên ma trận Jacobian; giao thức truyền thông CAN bus trong kiến trúc điều khiển phân tán; thiết bị phản hồi lực Novint Falcon joystick; hệ thống truyền thông không dây Zigbee.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu, thiết kế, gia công chế tạo và thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động – Điều khiển, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian và học thuật: Đề tài thực hiện từ tháng 2 năm 2023 đến tháng 7 năm 2023. Nghiên cứu giới hạn ở bài toán động học vị trí của khâu tác động cuối (End-effector), không thiết lập ràng buộc về hướng, chưa xét đến mô hình động lực học đầy đủ và chưa thực hiện các khảo sát chuyên sâu về độ bền cơ học dài hạn cũng như việc tối ưu hóa triệt để thời gian trễ của đường truyền không dây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các khối kiến thức chuyên ngành về kỹ thuật robot, mạng truyền thông công nghiệp và điều khiển phản hồi xúc giác:

• Động học robot theo quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H): Sử dụng các ma trận chuyển vị thuần nhất để mô tả mối quan hệ vị trí và hướng giữa các hệ trục tọa độ gắn trên các khâu liên tiếp:

$$\begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i\cos\alpha_i & \sin\theta_i\sin\alpha_i & a_i\cos\theta_i \ \sin\theta_i & \cos\theta_i\cos\alpha_i & -\cos\theta_i\sin\alpha_i & a_i\sin\theta_i \ 0 & \sin\alpha_i & \cos\alpha_i & d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$

• Phương pháp ma trận Jacobian: Giải bài toán động học vi phân nhằm thiết lập mối liên hệ giữa vận tốc không gian khớp $\dot{\theta}$ và vận tốc của khâu công tác cuối $\dot{x}$. Đồ án nghiên cứu hai phương pháp chính để giải động học nghịch xấp xỉ là phương pháp chuyển vị (Jacobian transpose: $\Delta\theta = \alpha J^T e$) và phương pháp giả nghịch đảo (pseudoinverse: $\Delta\theta = J^\dagger e + (I - J^\dagger J)\phi$) nhằm khắc phục các điểm kỳ dị trong không gian làm việc.
• Quy hoạch quỹ đạo: Áp dụng đa thức bậc ba ($q(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$) cho chuyển động điểm – điểm và chuyển động theo quỹ đạo liên tục, đảm bảo tính liên tục của vị trí và vận tốc với điều kiện vận tốc tại hai điểm đầu và cuối bằng không.
• Giao thức mạng CAN bus (phiên bản CAN 2.0): Ứng dụng mô hình truyền thông nối tiếp 2 dây vi sai ($CAN_H$ và $CAN_L$), tốc độ tối đa 1 Mbps trong phạm vi 40 m, hỗ trợ tối đa 127 node mạng, sử dụng cơ chế phân xử không phá hủy dựa trên độ ưu tiên của ID bản tin.
• Giải thuật ánh xạ không gian làm việc (Position-mapping): Chuyển đổi tọa độ từ không gian hoạt động của joystick sang không gian hoạt động của robot cáp theo phương trình tuyến tính $P_e = K P_h + P_w$, trong đó $K$ là ma trận hệ số tỉ lệ khuếch đại và $P_w$ là vector dịch chuyển gốc tọa độ.
• Lý thuyết phản hồi lực (Haptic feedback): Mô phỏng lực cản dựa trên mô hình lò xo và giảm chấn ảo theo định luật Hooke kết hợp hệ số cản nhớt ($f = k_s \Delta x + c \dot{x}$) nhằm tạo cảm giác lực phản hồi khi tay gạt di chuyển chạm hoặc vượt ra ngoài biên giới hạn không gian làm việc quy định.
• Kiến trúc điều khiển phân tán (DCS): Tách cấu trúc điều khiển thành các cấp máy tính giám sát, máy tính điều khiển trung tâm và các module vi điều khiển cục bộ gắn liền với từng động cơ để tăng tính linh hoạt và độ ổn định của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm: thiết kế tham số 3D trên phần mềm SolidWorks 2021; mô phỏng thuật toán động học và phản hồi lực bằng Matlab Simulink cùng công cụ Simscape Multibody; lập trình phần mềm giám sát trên nền tảng Qt Creator; thi công gia công cơ khí thực tế và thực nghiệm đo đạc sai số trực tiếp trên phần cứng.

Thiết kế và thi công hệ thống

Hệ thống điều khiển từ xa cho robot cáp 6 bậc tự do được phân chia thành hai phân hệ độc lập: phân hệ chỉ huy (Master) và phân hệ chấp hành (Slave).

Thành phần	Thiết bị / Công nghệ sử dụng	Chức năng kỹ thuật chính
Phân hệ Master	Máy tính trạm + Nonvint Falcon Joystick + Module Zigbee	Đọc tọa độ thao tác 3D từ joystick, tính toán ánh xạ tọa độ, tính toán phản hồi lực và truyền tín hiệu vị trí đặt không dây
Phân hệ Slave	Máy tính nhúng Jetson Nano	Nhận dữ liệu từ Master qua Zigbee, tính toán giải thuật động học nghịch Jacobian, đóng vai trò Master mạng CAN
Khung đế robot	Nhôm định hình $30\times30\text{ mm}$, kích thước $50\times50\times50\text{ cm}$, thép tấm 5 mm và 10 mm	Đỡ thân robot, bố trí 6 bộ động cơ, nẹp hộp số và cơ cấu căng cáp bằng lò xo đùn vỏ
Thân robot	4 khâu lắp ghép và 3 khớp vạn năng (Universal joints)	Cấu trúc dạng module; 3 khớp vạn năng mang lại 6 bậc tự do chuyển động quay
Hệ thống dẫn động	3 động cơ AC Servo 400W + 3 động cơ AC Servo 100W	Bố trí tại đế: 400W dẫn động cho khớp 1, 2, 3; 100W dẫn động cho khớp 4, 5, 6 qua hệ thống pulley và dây cáp
Mạng CAN cục bộ	Vi điều khiển STM32F103C8T6 + Bộ thu phát TJA1050 (6 node)	Mỗi node Slave nhận lệnh từ Jetson Nano, phát xung điều khiển driver AC Servo và đọc phản hồi từ encoder
Tủ điện điều khiển	Mạch động lực, mạch điều khiển, nguồn 5VDC, 3.3VDC, bộ lọc thông thấp	Cung cấp nguồn, lọc nhiễu tín hiệu encoder và bảo vệ an toàn cho các thiết bị điều khiển
Giao diện giám sát	Viết trên nền tảng phần mềm Qt Creator	Hiển thị tọa độ không gian, sai số vị trí, góc xoay các khớp và hỗ trợ thu thập dữ liệu phục vụ đánh giá

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển của robot công nghiệp, phân tích sự chuyển dịch từ các cánh tay máy truyền thống có kết cấu cứng sang các loại robot truyền động bằng cáp (Tendon Robot, Tensegrity Robot, Suspended Parallel Robot). Tác giả tổng hợp các công trình nghiên cứu trên thế giới như công trình của Wilhelm (2017) về robot CRAM, Wenfu Xu (2018) về robot CDHM/CRSM và Yang Zheng (2021) về robot cáp 24 bậc tự do. Tại Việt Nam, tác giả tổng kết các nghiên cứu về robot cáp của nhóm Nguyễn Đức Tài, Tưởng Phước Thọ, cùng các đồ án tốt nghiệp khóa trước tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Từ việc phân tích các hạn chế của đề tài năm 2022 (như động cơ AC Servo chưa tối ưu, giải thuật CCD kết hợp đại số tốn nhiều thời gian tính toán), nhóm tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và các giới hạn kỹ thuật của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này tập trung trình bày nền tảng toán học và kỹ thuật của hệ thống. Tác giả trình bày phương pháp đặt trục Denavit-Hartenberg, công thức tính toán ma trận chuyển vị tổng quát và thiết lập ma trận Jacobian vận tốc. Nội dung tiếp theo phân tích hai giải thuật giải động học nghịch xấp xỉ gồm Jacobian transpose và pseudoinverse nhằm giải quyết bài toán bù sai số vị trí $e = J\Delta\theta$. Tác giả diễn giải phương pháp quy hoạch quỹ đạo sử dụng đa thức bậc ba. Về kỹ thuật mạng, chương tài liệu nêu cấu trúc chuẩn CAN 2.0 (thông số kỹ thuật, cơ chế định danh bản tin, 4 dạng khung truyền: Data, Remote, Error, Overload). Cuối chương là lý thuyết điều khiển từ xa, giải thuật ánh xạ không gian tuyến tính, mô hình tính toán phản hồi lực xúc giác dựa trên hệ thống lò xo – giảm chấn ảo và sự khác biệt giữa kiến trúc điều khiển tập trung (CCS) với phân tán (DCS).

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 chi tiết hóa toàn bộ quá trình hiện thực hóa phần cứng và phần mềm của đồ án. Mô hình cơ khí robot được thiết kế trên SolidWorks 2021 với đế nhôm định hình kích thước $50\times50\times50\text{ cm}$, lắp đặt 3 động cơ AC Servo 400W cho các bậc tự do gốc và 3 động cơ AC Servo 100W cho các bậc tự do phía ngọn, tích hợp cơ cấu tăng đơ căng cáp bằng lò xo đùn vỏ. Phần thân gồm 4 khâu và 3 khớp vạn năng gia công dạng module ghép nối bằng bu lông, đai ốc. Mạch CAN cục bộ được thiết kế và chế tạo sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp IC TJA1050, có tích hợp bộ lọc thông thấp cho tín hiệu encoder. Toàn bộ sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển, sơ đồ đấu nối tủ điện và các lưu đồ thuật toán truyền thông cho Master/Slave được xây dựng chi tiết, cùng giao diện điều khiển, thu thập dữ liệu lập trình bằng Qt Creator.

Chương 4: Tính toán động học hệ thống

Nội dung chương này giải quyết bài toán động học cho hai đối tượng: thiết bị joystick Novint Falcon và robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do. Đối với joystick Novint Falcon (bản chất là một robot song song Delta 3 bậc tự do), tác giả tính toán động học thuận và nghịch dựa trên phương pháp giao ba mặt cầu. Đối với robot cáp 6 bậc tự do, tác giả lập bảng thông số Denavit-Hartenberg, thiết lập hệ trục tọa độ tại từng khớp, xác định ma trận chuyển vị từ gốc đến khâu tác động cuối, đồng thời so sánh phương pháp giải động học nghịch bằng đại số thuần túy với phương pháp lặp dựa trên ma trận Jacobian.

Chương 5: Mô phỏng hệ thống

Chương 5 trình bày việc kiểm chứng các giải thuật trên môi trường Matlab Simulink và Simscape Multibody. Tác giả kiểm chứng giải thuật giải động học nghịch Jacobian qua hai điểm và nhiều điểm ngẫu nhiên trong không gian làm việc. Tiếp đó, hệ thống được mô phỏng điều khiển bám hai dạng quỹ đạo không gian là hình tam giác và hình tròn. Tác giả tiến hành khảo sát các tham số của hệ thống phản hồi lực với các cặp giá trị độ cứng lò xo $k_s$ ($0.2; 0.5; 1$) và hệ số giảm chấn $c$ ($1; 3; 5; 9$), từ đó chạy mô phỏng so sánh hệ thống điều khiển từ xa trong hai trường hợp: không có phản hồi lực và có tích hợp phản hồi lực.

Chương 6: Thực nghiệm và đánh giá hệ thống

Chương 6 phản ánh các kết quả thử nghiệm trực tiếp trên mô hình vật lý. Tác giả thực hiện kiểm chứng mạng truyền thông CAN qua 3 kịch bản thí nghiệm về tính chính xác của số xung phát ra driver động cơ. Tiếp theo là các thử nghiệm quy hoạch quỹ đạo hình tam giác và hình tròn trên mô hình thực tế, thu thập sai số bám vị trí các trục và sai số góc quay của 6 khớp để tính toán sai số căn bậc hai trung bình (RMS). Cuối cùng, chương trình tiến hành thực nghiệm điều khiển từ xa từ thiết bị Master đến Slave qua đường truyền Zigbee trong hai trạng thái có và không có phản hồi lực, đo đạc dữ liệu quỹ đạo và lực tác động trên cả hai đầu trạm.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Chương tổng kết toàn bộ các hạng mục đã hoàn thành của đồ án: chế tạo thành công phần cứng cơ khí, thiết kế và thi công hệ thống mạch CAN phân tán 6 node, áp dụng thành công phương pháp Jacobian cho bài toán động học nghịch và vận hành được hệ thống điều khiển từ xa kết hợp phản hồi lực. Tác giả cũng thẳng thắn nêu rõ các hạn chế còn tồn tại và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật và đóng góp thực tiễn cụ thể:

• Về mặt cơ khí và phần cứng: Chế tạo hoàn chỉnh mô hình cánh tay robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do với kết cấu khung nhôm và các chi tiết dạng module; thiết kế thành công cụm cơ cấu căng cáp bằng lò xo đùn vỏ giúp hạn chế hiện tượng chùng cáp; bố trí tập trung toàn bộ 6 động cơ AC Servo (3 bộ 400W và 3 bộ 100W) tại đế; thi công tủ điện điều khiển và hệ thống 6 mạch CAN node hoạt động ổn định.
• Về thuật toán và điều khiển: Ứng dụng thành công phương pháp ma trận Jacobian để giải động học nghịch thay thế cho phương pháp CCD kết hợp đại số trước đây, giúp rút ngắn thời gian tính toán và phù hợp triển khai trên bộ điều khiển thực tế. Xây dựng thành công thuật toán ánh xạ không gian làm việc $P_e = K P_h + P_w$ kết hợp cơ chế phản hồi lực ảo dạng lò xo – giảm chấn ($f = k_s \Delta x + c \dot{x}$).
• Về kiểm chứng thực nghiệm: Thực nghiệm mạng CAN 6 node chứng minh khả năng truyền nhận tin cậy, không làm mất xung điều khiển giữa Jetson Nano và các vi điều khiển STM32F103C8T6. Thử nghiệm bám quỹ đạo tam giác và hình tròn trong không gian thực tế ghi nhận các thông số sai số RMS cụ thể của vị trí tọa độ các trục X, Y, Z và góc xoay của 6 khớp, xác nhận khả năng vận hành của hệ thống điều khiển phân tán.
• Đóng góp so với các đề tài tiền nhiệm: So với các đồ án năm 2021 và 2022 tại cùng trường, đề tài đã thay thế động cơ DC tải nhỏ bằng hệ thống động cơ công nghiệp AC Servo kèm hộp số giảm tốc; thay đổi loại cáp và cơ cấu căng cáp cơ khí; chuyển đổi giải thuật tính toán sang ma trận Jacobian và mở rộng thêm phân hệ điều khiển từ xa không dây tích hợp phản hồi xúc giác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo công bố của nhóm tác giả trong văn bản, đề tài còn tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

• Giới hạn thuật toán động học: Phương pháp đề xuất tính toán động học nghịch chỉ giải quyết bài toán vị trí của điểm tác động cuối trong không gian ba chiều, chưa thiết lập các ràng buộc toán học về định hướng góc của end-effector.
• Hạn chế về truyền thông: Hệ thống điều khiển từ xa không dây qua Zigbee chưa được tiến hành đo đạc định lượng, đánh giá chi tiết và tối ưu hóa thời gian trễ truyền dẫn trong các điều kiện môi trường có nhiễu sóng.
• Độ tin cậy cơ khí: Mô hình robot và các khớp nối do nhóm sinh viên tự thiết kế và gia công thực nghiệm thủ công, chưa trải qua các quy trình kiểm định chuyên sâu về độ bền mỏi, độ cứng vững động học và tính an toàn vận hành khi mang tải nặng liên tục.
• Độ chính xác xác định gốc: Việc thiết lập vị trí ban đầu (vị trí Home) cho robot trước khi vận hành vẫn phải thực hiện thủ công bằng tay, dẫn đến tồn tại sai số vị trí ban đầu và chưa đạt được độ chính xác tuyệt đối.

Các hướng phát triển được tác giả định hướng bao gồm: bổ sung bài toán điều khiển cả hướng của end-effector; nghiên cứu bù trễ đường truyền cho mạng không dây; tích hợp cảm biến đo lực thật trên thân robot thay vì chỉ sử dụng lực ảo; tối ưu hóa kết cấu cơ khí để tăng khả năng mang tải.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên môn cho:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot: Cung cấp quy trình chi tiết từ khâu thiết kế cơ khí 3D trên SolidWorks, tính toán động học robot bằng phương pháp Jacobian, mô phỏng trên Simscape Multibody cho đến lập trình vi điều khiển STM32 và thiết kế giao diện Qt.
• Kỹ sư nghiên cứu hệ thống điều khiển nhúng phân tán: Cung cấp tài liệu thiết kế mạng CAN 2.0 thực tế từ sơ đồ mạch nguyên lý phần cứng với vi điều khiển STM32F103C8T6, IC TJA1050, lưu đồ định thời truyền nhận bản tin cho đến kỹ thuật lọc nhiễu đọc tín hiệu encoder.
• Nhóm nghiên cứu về Teleoperation và Haptic: Cung cấp phương pháp toán học và mô hình mô phỏng hoàn chỉnh cho giải thuật ánh xạ không gian làm việc giữa hai cơ cấu robot có cấu trúc hình học khác biệt (Delta joystick và robot nối tiếp 6 bậc tự do), kết hợp thuật toán tính toán lực phản hồi ảo.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc dẫn động của robot cáp 6 bậc tự do trong đề tài có đặc điểm gì nổi bật so với tay máy truyền thống?
Toàn bộ 6 động cơ AC Servo (gồm 3 động cơ 400W cho các khớp 1, 2, 3 và 3 động cơ 100W cho các khớp 4, 5, 6) được tách rời khỏi thân và bố trí tập trung tại đế robot. Chuyển động được truyền đến 3 khớp vạn năng (tương đương 6 bậc tự do) thông qua hệ thống dây cáp, cụm pulley và cơ cấu căng cáp lò xo, giúp giảm tối đa khối lượng các khâu chuyển động và hạn chế nhiễu từ trường trên thân robot.

2. Giải thuật động học nghịch nào được tác giả sử dụng và lý do lựa chọn?
Tác giả sử dụng phương pháp ma trận Jacobian (nghiên cứu hai nhánh Jacobian transpose và pseudoinverse) để giải lặp động học nghịch vị trí. Phương pháp này được chọn nhằm thay thế cho giải thuật kết hợp giữa CCD (Cyclic Coordinate Descent) và đại số ở nghiên cứu trước đó, giúp giảm bớt khối lượng tính toán phức tạp và đảm bảo tính khả thi khi nhúng vào bộ điều khiển thực nghiệm.

3. Kiến trúc mạng CAN bus trong đồ án được thiết kế với cấu hình phần cứng như thế nào?
Mạng CAN bus được xây dựng theo chuẩn CAN 2.0 gồm 1 trạm Master (máy tính nhúng Jetson Nano) và 6 trạm Slave cục bộ điều khiển 6 động cơ. Mỗi node Slave sử dụng một vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp IC thu phát TJA1050, có mạch lọc thông thấp để tiếp nhận tín hiệu hồi tiếp từ encoder của driver AC Servo.

4. Thiết bị điều khiển chỉ huy (Master) là gì và phương pháp tạo cảm giác phản hồi lực được thực hiện ra sao?
Thiết bị Master là joystick Novint Falcon (cấu trúc robot song song Delta 3 bậc tự do). Phản hồi lực xúc giác được tính toán dựa trên mô hình lò xo – giảm chấn ảo theo định luật Hooke kết hợp hệ số cản nhớt ($f = k_s \Delta x + c \dot{x}$). Lực phản hồi sẽ tác động ngược lại tay cầm của người điều khiển khi thao tác di chuyển vượt ra ngoài không gian làm việc cho phép của robot cáp.

5. Đồ án còn những điểm hạn chế kỹ thuật nào chưa giải quyết?
Đề tài mới chỉ giải quyết bài toán động học vị trí (chưa khống chế hướng của khâu tác động cuối), chưa đánh giá và bù trừ thời gian trễ của đường truyền không dây Zigbee, kết cấu cơ khí do sinh viên tự chế tạo chưa được kiểm định độ bền mỏi tải trọng lâu dài, và điểm gốc tọa độ ban đầu vẫn phải căn chỉnh thủ công.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của nhóm tác giả Lý Phi Cường, Nguyễn Tiến Đạt và Trần Minh Khiêm đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu kỹ thuật đặt ra từ thiết kế cơ khí, tính toán giải thuật đến thi công mô hình thực tế robot cáp nối tiếp 6 bậc tự do. Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp ma trận Jacobian trong giải động học nghịch và tính ổn định của mạng điều khiển phân tán CAN bus với cơ cấu chấp hành AC Servo. Việc tích hợp thành công giải thuật ánh xạ không gian cùng cơ chế phản hồi lực trên thiết bị Novint Falcon mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật quan trọng cho các ứng dụng điều khiển robot từ xa trong môi trường nguy hiểm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .2 Mục đích và mục tiêu của đề tài .1 Mục đích của đề tài.2 Mục tiêu của đề tài .3 Phương pháp nghiên cứu.4 Giới hạn đề tài .5 Giới thiệu nội dung.7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Tổng quan robot .2 Động học robot .1 Động học thuận.2 Động học nghịch.3 Lý thuyết về phương pháp Jacobian .1 Các thành phần vận tốc từ khớp tới khớp trong cánh tay robot .2 Ma trận Jacobian.3 Phương pháp Jacobian transpose .4 Phương pháp pseudoinverse .4 Quy hoạch quỹ đạo.5 Lý thuyết về mạng CAN bus .1 Tổng quan về mạng CAN bus .2 Các loại khung truyền.6 Lý thuyết về hệ thống điều khiển robot từ xa.7 Lý thuyết về phương pháp phản hồi lực .8 Lý thuyết về hệ thống điều khiển phân tán .18 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG .1 Tổng quan về hệ thống thi công .2 Thiết kế và thi công mô hình robot .1 Thiết kế mô hình robot .2 Thi công mô hình robot .3 Thiết kế và thi công module CAN .1 Yêu cầu thiết kế cho module CAN .2 Sơ đồ khối cho module CAN .3 Sơ đồ nguyên lý cho module CAN.4 Thi công module CAN .4 Thiết kế và thi công mạng CAN cho robot cáp 6 bậc tự do .1 Thiết kế mạng CAN cho robot cáp 6 bậc tự do .2 Thi công mạng CAN cho robot cáp 6 bậc tự do .5 Thiết kế và thi công tủ điện .1 Danh sách thiết bị của tủ điện .2 Sơ đồ nối dây hệ thống .6 Xây dựng giao diện quan sát và thu thập dữ liệu .48 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG .1 Động học joystick .1 Động học nghịch joystick .2 Động học thuận joystick .2 Động học robot cáp 6 bậc tự do .1 Đặt trục robot cáp 6 bậc tự do .2 Động học thuận robot cáp 6 bậc tự do.3 Giải động học nghịch robot cáp bằng phương pháp đại số .4 Giải động học nghịch robot cáp bằng phương pháp Jacobian .66 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .1 Tổng quan về hệ thống mô phỏng.2 Kiểm chứng động học nghịch sử dụng phương pháp Jacobian .3 Mô phỏng quy hoạch quỹ đạo cho robot cáp.1 Mô phỏng quy hoạch quỹ đạo hình tam giác .2 Mô phỏng quy hoạch quỹ đạo hình tròn.4 Các bước xây dựng hệ thống điều khiển từ xa .1 Áp dụng phương pháp phản hồi lực vào hệ thống điều khiển từ xa .2 Khảo sát các thông số của hệ thống phản hồi lực .5 Mô phỏng hệ thông điều khiển từ xa không có phản hồi lực .6 Mô phỏng hệ thống điều khiển từ xa có phản hồi lực .83 CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG.1 Thực nghiệm mạng truyền thông CAN .2 Quy hoạch quỹ đạo cho robot trong thực tế .1 Quy hoạch quỹ đạo hình tam giác .2 Quy hoạch quỹ đạo hình tròn .3 Thực nghiệm điều khiển từ xa cho robot không có phản hồi lực .4 Thực nghiệm điều khiển từ xa cho robot có phản hồi lực .1 Dữ liệu được thu thập trên master .2 Dữ liệu được thu thập trên slave .105 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.2 Hướng phát triển .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO.111 xiii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Ứng dụng của robot; a) trong gắp thả hàng hóa; b) trong hàn cắt máy móc; c) trong chăm sóc cây nông nghiệp; d) trong ghi mã sản phẩm .2: Ứng dụng của robot cáp; a) trong thăm dò; b) trong hàn cắt .3: Ứng dụng của robot điều khiển từ xa; a) trong cắt bề mặt kim loại; b) trong khám chữa bệnh từ xa; c) trong phẩu thuật từ xa .4: Số lượng nhập khẩu robot ở Việt Nam giai đoạn 2016 – 2021 theo Statista .