Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ tự động hóa và robot, việc mô phỏng chuyển động thực tế của các phương tiện như tàu thủy đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Theo ước tính, các hệ thống robot mô phỏng chuyển động có thể giảm thiểu chi phí và rủi ro khi thử nghiệm thiết bị trong điều kiện thực tế. Luận văn tập trung vào thiết kế và chế tạo robot 4 bậc tự do nhằm mô phỏng chuyển động trên tàu thủy, phục vụ cho việc kiểm tra và chạy thử các thiết bị trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh trong phòng thí nghiệm. Mục tiêu cụ thể là tạo ra hệ thống robot có khả năng mô phỏng ba góc phương hướng chính (góc nghiêng, góc ngẩng, góc cuộn) cùng với chuyển động quay tròn 360 độ, đáp ứng các yêu cầu về tải trọng tối đa 50 kg và phạm vi hoạt động góc nghiêng ±15°, ngẩng ±15°, quay 360°. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2017, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn trong việc giảm chi phí, thời gian thử nghiệm và nâng cao độ chính xác trong mô phỏng chuyển động tàu thủy. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển sản phẩm thương mại hóa trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh ứng dụng trên tàu biển, đồng thời mở rộng ứng dụng robot song song trong nhiều lĩnh vực khác.

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:

  • Phép biểu diễn Euler và góc Tait-Bryan: Sử dụng để mô phỏng ba góc phương hướng của vật thể trong không gian ba chiều, gồm góc nghiêng (roll), góc ngẩng (pitch) và góc cuộn (yaw). Đây là cơ sở để xác định vị trí và phương hướng của hệ thống antena thu phát sóng trên tàu thủy.

  • Lý thuyết robot song song: Phân loại robot theo kết cấu động học, trong đó robot song song có cấu trúc động học kín với số bậc tự do tương ứng số chuỗi khớp nối. Mô hình robot 4 bậc tự do được lựa chọn nhằm cân bằng giữa khả năng mô phỏng chuyển động và độ phức tạp trong thiết kế, điều khiển.

  • Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative): Áp dụng để điều khiển chính xác vị trí các cơ cấu cơ khí của robot, đảm bảo các thanh trượt và mâm xoay đạt vị trí mong muốn với độ ổn định cao. Thuật toán PID được điều chỉnh thủ công để tối ưu đáp ứng hệ thống.

  • Bộ lọc số Kalman và Complementary: Sử dụng để xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động MPU-6050, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của dữ liệu thu thập.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về robot song song, cảm biến chuyển động, thuật toán điều khiển PID, cùng với số liệu thực nghiệm từ hệ thống robot 4 bậc tự do được thiết kế và chế tạo.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp mô phỏng trên phần mềm Solidworks 2017 để thiết kế cơ khí, tính toán động học thuận và ngược, cùng với thử nghiệm thực tế để điều chỉnh các tham số PID. Phân tích dữ liệu thu thập từ cảm biến và encoder để đánh giá hiệu suất hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế mô hình robot trong 6 tháng đầu năm 2017, chế tạo và lắp ráp trong 3 tháng tiếp theo, thử nghiệm và điều chỉnh thuật toán điều khiển trong 3 tháng cuối năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế robot 4 bậc tự do đáp ứng yêu cầu mô phỏng chuyển động tàu thủy: Hệ thống có khả năng mô phỏng ba góc phương hướng và chuyển động quay 360°, tải trọng tối đa 50 kg, kích thước 1000 x 1000 x 850 mm. So với các mô hình robot song song trên thị trường có chi phí từ 4000 Euro đến 8500 Euro, sản phẩm nghiên cứu có chi phí thấp hơn nhiều (khoảng 25 triệu đồng), đồng thời tích hợp thêm chuyển động quay trái-phải mà nhiều mô hình khác không có.

  2. Hiệu quả điều khiển PID trong việc ổn định vị trí robot: Qua thử nghiệm với các bộ thông số PID khác nhau, khi hệ số tỉ lệ Kp tăng từ 20 lên 30, thời gian đáp ứng giảm từ 94 ms xuống 85 ms. Tuy nhiên, khi Kp vượt quá 35, thời gian đáp ứng không cải thiện thêm do động cơ hoạt động ở công suất tối đa. Tham số tích phân Ki tăng từ 2 lên 30 làm thời gian ổn định tăng từ 68 ms lên 127 ms, đồng thời giảm thời gian đáp ứng từ gần bằng thời gian ổn định xuống còn 22 ms. Tham số vi phân Kd được điều chỉnh để giảm độ vọt lố và dao động, giúp hệ thống ổn định hơn.

  3. Ứng dụng cảm biến chuyển động MPU-6050 và encoder 334 xung/vòng: Giúp thu thập dữ liệu chính xác về vị trí và góc quay của các cơ cấu robot, hỗ trợ hiệu quả cho thuật toán điều khiển PID. Việc sử dụng bộ lọc số Kalman và Complementary giúp giảm nhiễu và tăng độ tin cậy của dữ liệu.

  4. Mô phỏng và chế tạo cơ khí trên phần mềm Solidworks 2017: Cho phép thiết kế chi tiết, mô phỏng động học và điều chỉnh thiết kế trước khi chế tạo thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Các bộ phận như động cơ tuyến tính, động cơ quay, mâm xoay và bàn động được thiết kế tối ưu để đảm bảo độ bền và chính xác.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc lựa chọn mô hình robot 4 bậc tự do là phù hợp với yêu cầu mô phỏng chuyển động tàu thủy, đồng thời giảm thiểu chi phí và độ phức tạp so với mô hình 6 bậc tự do. Việc áp dụng thuật toán PID với điều chỉnh thủ công cho phép hệ thống đạt được độ ổn định và thời gian đáp ứng hợp lý, phù hợp với đặc điểm cơ khí và tải trọng của robot. So sánh với các nghiên cứu khác, sản phẩm có ưu điểm về chi phí và khả năng mô phỏng chuyển động quay 360°, một yếu tố quan trọng trong mô phỏng chuyển động tàu thủy mà nhiều mô hình khác chưa đáp ứng được. Việc sử dụng cảm biến MPU-6050 và encoder độ phân giải cao giúp cải thiện độ chính xác và phản hồi nhanh, phù hợp với yêu cầu vận hành liên tục 24/7 trong phòng thí nghiệm. Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng góc quay theo thời gian, biểu đồ dao động và độ vọt lố khi thay đổi các tham số PID, giúp trực quan hóa hiệu quả điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thuật toán điều khiển động học thuận và ngược: Thay vì điều khiển trực tiếp theo bước dịch chuyển, cần xây dựng bài toán động học để điều khiển robot theo các giá trị góc trực tiếp, nâng cao độ chính xác và linh hoạt trong mô phỏng chuyển động. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ đảm nhiệm.

  2. Tích hợp bộ lọc số nâng cao và cảm biến đa trục: Áp dụng các bộ lọc Kalman cải tiến và bổ sung cảm biến từ trường để tạo bộ cảm biến 9 trục, giúp tăng độ chính xác và ổn định dữ liệu trong môi trường có nhiều nhiễu. Thời gian triển khai 3-6 tháng, phối hợp với các chuyên gia cảm biến.

  3. Mở rộng ứng dụng robot 4 bậc tự do trong các lĩnh vực khác: Nghiên cứu ứng dụng trong mô phỏng chuyển động máy bay, thiết bị công nghiệp, giải trí và đào tạo, nhằm đa dạng hóa thị trường và tăng giá trị thương mại. Kế hoạch phát triển trong 1-2 năm.

  4. Tối ưu hóa thiết kế cơ khí và giảm chi phí sản xuất: Sử dụng vật liệu nhẹ, cải tiến kết cấu để giảm trọng lượng và chi phí, đồng thời nâng cao độ bền và độ chính xác. Thời gian thực hiện 6 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm cơ khí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, truyền thông và cơ khí: Có thể áp dụng kiến thức về thiết kế robot song song, thuật toán điều khiển PID và xử lý tín hiệu cảm biến trong các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm tự động hóa và robot: Tham khảo để thiết kế, chế tạo các hệ thống robot mô phỏng chuyển động phức tạp với chi phí hợp lý, phục vụ thử nghiệm thiết bị trong phòng thí nghiệm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị truyền hình vệ tinh và thiết bị hàng hải: Áp dụng hệ thống robot mô phỏng chuyển động để kiểm tra, chạy thử thiết bị trong điều kiện mô phỏng thực tế, giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành ngoài thực địa.

  4. Các trung tâm đào tạo và huấn luyện kỹ thuật: Sử dụng robot 4 bậc tự do làm mô hình thực hành, giúp học viên hiểu rõ hơn về cơ cấu chuyển động, điều khiển tự động và ứng dụng công nghệ cảm biến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot 4 bậc tự do có thể mô phỏng những chuyển động nào trên tàu thủy?
    Robot mô phỏng ba góc phương hướng chính gồm góc nghiêng, góc ngẩng và góc cuộn, cùng với chuyển động quay tròn 360°, giúp tái hiện chính xác các chuyển động thực tế của tàu thủy khi chịu tác động của sóng và thay đổi hướng đi.

  2. Tại sao chọn mô hình robot 4 bậc tự do thay vì 3 hoặc 6 bậc tự do?
    Mô hình 4 bậc tự do cân bằng giữa khả năng mô phỏng đầy đủ các chuyển động cần thiết và độ phức tạp trong thiết kế, điều khiển. Mô hình 3 bậc tự do thiếu chuyển động quay trục Z, còn mô hình 6 bậc tự do phức tạp và chi phí cao hơn nhiều.

  3. Thuật toán PID được áp dụng như thế nào trong hệ thống robot?
    Thuật toán PID điều khiển vị trí các cơ cấu cơ khí của robot bằng cách điều chỉnh sai số giữa vị trí thực tế và vị trí đặt trước, qua ba tham số tỉ lệ, tích phân và vi phân để đạt độ ổn định và thời gian đáp ứng tối ưu.

  4. Cảm biến MPU-6050 có vai trò gì trong hệ thống?
    MPU-6050 cung cấp dữ liệu chuyển động 6 trục (gia tốc và con quay hồi chuyển), giúp xác định chính xác vị trí và góc quay của robot, đồng thời giảm tải xử lý cho vi điều khiển nhờ bộ xử lý tín hiệu tích hợp.

  5. Làm thế nào để điều chỉnh các tham số PID cho phù hợp?
    Tham số PID được điều chỉnh thủ công dựa trên thử nghiệm thực tế, quan sát đáp ứng hệ thống qua giao diện Serial Plotter, cân bằng giữa thời gian đáp ứng, độ ổn định và độ vọt lố để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công robot 4 bậc tự do mô phỏng chuyển động trên tàu thủy với tải trọng tối đa 50 kg và phạm vi chuyển động phù hợp.
  • Thuật toán điều khiển PID được áp dụng hiệu quả, với các tham số được điều chỉnh thủ công để đảm bảo độ ổn định và thời gian đáp ứng hợp lý.
  • Việc sử dụng cảm biến MPU-6050 và encoder độ phân giải cao giúp nâng cao độ chính xác và phản hồi nhanh của hệ thống.
  • Sản phẩm có chi phí thấp hơn nhiều so với các mô hình robot song song trên thị trường, đồng thời đáp ứng được yêu cầu mô phỏng chuyển động quay 360°.
  • Đề xuất phát triển bài toán động học thuận-ngược, tích hợp cảm biến nâng cao và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhằm nâng cao giá trị nghiên cứu và thương mại hóa sản phẩm.

Next steps: Triển khai nghiên cứu bài toán động học thuận-ngược, tối ưu thuật toán điều khiển, và mở rộng ứng dụng thực tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng hệ thống robot mô phỏng chuyển động đa bậc tự do trong các lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu.