Tổng quan nghiên cứu

Robot song song phẳng 3RRR là một loại robot có cấu trúc vòng kín với ba chân liên kết, mỗi chân gồm ba khớp quay (Revolute joints - R), được thiết kế để thực hiện các chuyển động phức tạp trong mặt phẳng. Theo ước tính, robot song song chiếm khoảng 70% trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại nhờ ưu điểm về độ cứng vững, khả năng chịu tải lớn và độ chính xác cao. Tuy nhiên, việc thiết kế và phân tích động lực học của robot song song phẳng 3RRR vẫn còn nhiều thách thức do cấu trúc phức tạp và các điểm kỳ dị trong chuyển động.

Mục tiêu chính của luận văn là tính toán, thiết kế, chế tạo và phân tích động lực học ngược của robot song song phẳng 3RRR nhằm phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên sâu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế cơ khí chi tiết, lựa chọn linh kiện điện tử như động cơ Hybrid Servo và Absolute Encoder, đồng thời phát triển mô hình toán học và mô phỏng số bằng phần mềm MATLAB. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2020, với bộ số liệu thiết kế và tham khảo từ ĐH Hannover.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một mô hình robot song song phẳng 3RRR nhỏ gọn, có khả năng quay toàn vòng, loại bỏ các điểm kỳ dị và giới hạn vùng làm việc, từ đó nâng cao hiệu quả ứng dụng trong tự động hóa và robot công nghiệp. Các chỉ số hiệu suất như độ bền cơ khí, chuyển vị tối đa dưới tải trọng và độ chính xác điều khiển được đánh giá cụ thể trong quá trình thiết kế và thử nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết robot song song: Cấu trúc robot song song phẳng 3RRR được phân tích dựa trên các khái niệm về bậc tự do (DOF), vòng lặp động học, và các chuỗi liên kết song song. Số bậc tự do được tính theo phương trình Gruebler:
    $$ DOF = 3(N - 1) - 2J_1 - J_2 = 3(8 - 1) - 2(9) = 3 $$ với N là số liên kết, J_1 và J_2 là số khớp quay và khớp có 2 bậc tự do.

  • Phương pháp tách cấu trúc: Robot được phân tách thành các cấu trúc con đơn giản (ba chân và bàn máy động) để thiết lập phương trình vi phân chuyển động, giúp giải bài toán động học và động lực học ngược hiệu quả.

  • Phương trình Lagrange II: Áp dụng để xây dựng ma trận khối lượng M(q), ma trận Coriolis và lực ly tâm C(q, q̇), cùng với vector trọng lực g(q), từ đó mô tả động lực học của từng chân robot.

  • Khái niệm động học ngược và động lực học ngược: Giúp xác định các góc khớp và mômen động cơ cần thiết để robot thực hiện các chuyển động mong muốn.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do (DOF), vòng lặp động học, ma trận khối lượng, ma trận Coriolis, và phương trình vi phân chuyển động.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thiết kế cơ khí được thu thập từ phần mềm Autodesk Inventor, bao gồm các thông số kích thước, trọng lượng, moment quán tính của các chi tiết robot. Dữ liệu động học và động lực học được mô phỏng bằng MATLAB dựa trên bộ số liệu thiết kế và bộ số liệu tham khảo của ĐH Hannover.

  • Phương pháp phân tích:

    • Thiết kế cơ khí chi tiết các khâu l1, l2 và bàn máy động với vật liệu nhôm 6061, mô phỏng tĩnh học để đánh giá chuyển vị, ứng suất và hệ số an toàn.
    • Sử dụng phương pháp tách cấu trúc để thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động.
    • Giải bài toán động học ngược và động lực học ngược bằng phương pháp số, mô phỏng quỹ đạo và mômen động cơ.
    • Kiểm tra và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm và các nghiên cứu trước.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Giai đoạn 1: Thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện (3 tháng).
    • Giai đoạn 2: Thiết lập mô hình toán học và lập trình mô phỏng (4 tháng).
    • Giai đoạn 3: Chế tạo và thử nghiệm robot (3 tháng).
    • Giai đoạn 4: Phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

  • Cỡ mẫu: Một robot mẫu được chế tạo và thử nghiệm thực tế, kết hợp với mô phỏng số trên bộ số liệu tham khảo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế cơ khí đảm bảo độ bền và độ cứng vững:

    • Mô phỏng tĩnh học cho thấy khâu l1 và l2 có chuyển vị tối đa dưới 0.1 mm khi chịu tải trọng cộng dồn, ứng suất phân bố đều và hệ số an toàn lớn hơn 1.5.
    • Bàn máy động chịu tải 1 kg có chuyển vị nhỏ hơn 0.05 mm, đảm bảo độ chính xác trong vận hành.

  2. Động học ngược và động lực học ngược chính xác:

    • Mô phỏng số bằng MATLAB cho kết quả góc khớp và mômen động cơ phù hợp với bộ số liệu thiết kế và bộ số liệu tham khảo của ĐH Hannover, sai số dưới 3%.
    • Động cơ Hybrid Servo 57HSE3N với moment xoắn tối đa 3 N.m đáp ứng tốt yêu cầu vận hành, đặc biệt khi sử dụng điều khiển phản hồi vòng kín giúp tăng độ ổn định và giảm trượt bước.

  3. Loại bỏ điểm kỳ dị và mở rộng vùng làm việc:

    • Thiết kế xếp tầng và chiều dài khâu l1 lớn hơn l2 giúp robot quay toàn vòng, hạn chế va chạm và điểm kỳ dị trong chuyển động.
    • Vùng làm việc được mở rộng đáng kể so với các thiết kế truyền thống, tăng tính linh hoạt trong ứng dụng.

  4. Hệ thống điều khiển và phản hồi vị trí hiệu quả:

    • Sử dụng Absolute Encoder EP50S-8-1024-3-R-P-24 giúp xác định vị trí tuyệt đối, khắc phục nhược điểm của Incremental Encoder khi mất điện hoặc va chạm.
    • Vi xử lý STM32F4 DISCOVERY đảm bảo xử lý tín hiệu nhanh, ổn định với khả năng kết nối đa dạng.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy phương pháp thiết kế và tính toán động lực học ngược robot song song phẳng 3RRR là phù hợp và hiệu quả. Việc sử dụng phương pháp tách cấu trúc giúp giảm độ phức tạp của hệ thống, đồng thời mô hình toán học chính xác phản ánh đúng đặc tính vận hành của robot.

So với các nghiên cứu trước, robot được thiết kế có khả năng quay toàn vòng và loại bỏ các điểm kỳ dị, điều này nâng cao đáng kể vùng làm việc và độ bền cơ khí. Việc kết hợp động cơ Hybrid Servo với hệ thống phản hồi vòng kín và Absolute Encoder giúp cải thiện độ chính xác và ổn định trong điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mômen động cơ, công suất động cơ, phân phối ứng suất và chuyển vị của các khâu, giúp trực quan hóa hiệu suất và độ bền của robot. Bảng so sánh số liệu thiết kế và kết quả mô phỏng cũng minh chứng cho tính khả thi của phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí theo vật liệu mới:

    • Áp dụng vật liệu composite hoặc hợp kim nhẹ để giảm trọng lượng robot, tăng hiệu suất động học.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
    • Chủ thể: Bộ phận thiết kế và nghiên cứu vật liệu.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển với trí tuệ nhân tạo:

    • Tích hợp thuật toán học máy để cải thiện khả năng thích nghi và tự động hóa trong điều khiển robot.
    • Thời gian thực hiện: 12 tháng.
    • Chủ thể: Nhóm phát triển phần mềm và điều khiển.

  3. Phát triển mô hình mô phỏng đa vật lý:

    • Kết hợp mô phỏng cơ học, điện tử và điều khiển để dự đoán chính xác hơn các hiện tượng phức tạp trong vận hành.
    • Thời gian thực hiện: 9 tháng.
    • Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu mô phỏng.

  4. Mở rộng ứng dụng robot song song phẳng 3RRR trong công nghiệp:

    • Thử nghiệm và triển khai trong các dây chuyền sản xuất tự động, đặc biệt trong gia công chính xác và lắp ráp.
    • Thời gian thực hiện: 6 tháng.
    • Chủ thể: Doanh nghiệp công nghiệp và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ điện tử:

    • Học tập kiến thức thiết kế robot song song, phương pháp tính toán động học và động lực học.
    • Use case: Tham khảo để phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn.

  2. Kỹ sư thiết kế robot và tự động hóa:

    • Áp dụng các phương pháp thiết kế cơ khí và điều khiển robot song song phẳng trong thực tế sản xuất.
    • Use case: Thiết kế robot chuyên dụng cho dây chuyền sản xuất.

  3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot:

    • Nghiên cứu sâu về mô hình toán học, phương pháp tách cấu trúc và mô phỏng động lực học.
    • Use case: Phát triển bài giảng, nghiên cứu nâng cao.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng robot công nghiệp:

    • Tìm hiểu về các giải pháp robot song song phẳng để nâng cao hiệu quả sản xuất và tự động hóa.
    • Use case: Lựa chọn và triển khai robot phù hợp với yêu cầu công việc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot song song phẳng 3RRR có ưu điểm gì so với robot nối tiếp?
    Robot song song phẳng 3RRR có độ cứng vững cao, khả năng chịu tải lớn và độ chính xác động học tốt hơn do cấu trúc vòng kín. Ví dụ, trong các ứng dụng gia công chính xác, robot song song giúp giảm sai số vị trí so với robot nối tiếp.

  2. Phương pháp tách cấu trúc giúp gì trong tính toán động học?
    Phương pháp này chia robot phức tạp thành các cấu trúc con đơn giản, giúp thiết lập và giải các phương trình vi phân chuyển động dễ dàng hơn, giảm độ phức tạp tính toán và tăng hiệu quả mô phỏng.

  3. Tại sao cần sử dụng cả Incremental Encoder và Absolute Encoder?
    Incremental Encoder cung cấp độ phân giải cao cho điều khiển vòng kín, nhưng không xác định được vị trí tuyệt đối khi mất điện. Absolute Encoder giúp xác định vị trí chính xác ngay khi khởi động hoặc sau sự cố, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định.

  4. Động cơ Hybrid Servo có những ưu điểm gì?
    Động cơ Hybrid Servo kết hợp ưu điểm của động cơ bước và động cơ servo, có khả năng quay với độ chính xác cao, phản hồi vị trí tốt và khả năng bù trượt bước, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác như robot 3RRR.

  5. Làm thế nào để loại bỏ điểm kỳ dị trong robot song song phẳng?
    Thiết kế xếp tầng và điều chỉnh chiều dài các khâu (l1 > l2) giúp tránh va chạm và các vị trí gập khớp gây kỳ dị. Điều này mở rộng vùng làm việc và tăng độ ổn định khi vận hành robot.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công robot song song phẳng 3RRR với cấu trúc xếp tầng, loại bỏ điểm kỳ dị và mở rộng vùng làm việc.
  • Phương pháp tách cấu trúc và thiết lập phương trình vi phân chuyển động giúp giải quyết hiệu quả bài toán động học và động lực học ngược.
  • Mô phỏng số bằng MATLAB và thử nghiệm thực tế cho thấy độ chính xác cao, phù hợp với bộ số liệu thiết kế và tham khảo.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng động cơ Hybrid Servo và Absolute Encoder đảm bảo độ ổn định và chính xác trong vận hành.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu vật liệu, nâng cấp điều khiển AI và mở rộng ứng dụng công nghiệp.

Next steps: Triển khai các giải pháp tối ưu hóa thiết kế và điều khiển, đồng thời thử nghiệm ứng dụng thực tế trong các dây chuyền sản xuất tự động.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực robot công nghiệp nên áp dụng và phát triển thêm các phương pháp thiết kế và điều khiển robot song song phẳng để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất hiện đại.