Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ tự động hóa và mô phỏng chuyển động, robot 4 bậc tự do được xem là một giải pháp hiệu quả để mô phỏng các chuyển động phức tạp trên tàu thủy. Theo ước tính, việc mô phỏng chuyển động thực tế trên tàu biển gặp nhiều khó khăn do điều kiện thời tiết không ổn định và chi phí thử nghiệm cao. Luận văn tập trung thiết kế và chế tạo robot 4 bậc tự do nhằm mô phỏng chuyển động trên tàu thủy, phục vụ cho việc kiểm tra, chạy thử và tối ưu hóa các thiết bị trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh ứng dụng trên tàu biển. 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 360 độ, đáp ứng các yêu cầu về tải trọng tối đa 50kg và phạm vi hoạt động góc ±15 độ. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong giai đoạn 2017, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn trong việc giảm thiểu 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, đồng thời mở rộng ứng dụng robot song song trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật 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, bao 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.

  • Mô hình robot song song: Phân loại robot theo kết cấu động học, trong đó robot song song có cấu trúc động học kín với các chuỗi khớp nối liên kết chặt chẽ, giúp tăng độ chính xác và khả năng chịu tải. Luận văn lựa chọn mô hình robot song song 4 bậc tự do để đáp ứng yêu cầu mô phỏng chuyển động quay 360 độ, vượt trội hơn so với các mô hình 3 bậc tự do và 6 bậc tự do về tính linh hoạt và chi phí.

  • Thuật toán điều khiển PID: Áp dụng bộ điều khiển PID để đảm bảo các cơ cấu cơ khí của robot di chuyển chính xác đến vị trí mong muốn. Thuật toán này bao gồm ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), giúp giảm sai số, tăng tốc độ đáp ứng và ổn định hệ thống.

  • Bộ lọc số Kalman và Complementary: Sử dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến chuyển động MPU-6050, giảm nhiễu và tăng độ tin cậy của dữ liệu thu thập.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các cảm biến chuyển động MPU-6050, encoder 334 xung/vòng, và các thiết bị điều khiển động cơ DC 24V. Dữ liệu thực nghiệm được ghi nhận qua giao diện Serial Plotter của Arduino IDE.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp điều khiển PID với điều chỉnh tham số bằng tay dựa trên các thử nghiệm thực tế để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Phân tích động học thuận và ngược được thực hiện để xác định các bước dịch chuyển cần thiết của các chân robot.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế mô hình lý thuyết, lựa chọn linh kiện và thiết bị trong giai đoạn đầu năm 2017; thiết kế cơ khí và mô phỏng trên phần mềm Solidworks 2017; chế tạo và lắp ráp hệ thống trong nửa cuối năm; tiến hành thử nghiệm và điều chỉnh bộ điều khiển PID trong các tháng cuối năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng chuyển động: Robot 4 bậc tự do mô phỏng thành công ba góc phương hướng và chuyển động quay 360 độ, đáp ứng phạm vi hoạt động góc ±15 độ với tải trọng tối đa 50kg. So với các mô hình robot song song khác trên thị trường có chi phí từ 4000 đến 8500 Euro, sản phẩm nghiên cứu có chi phí thấp hơn đáng kể, khoảng 25 triệu đồng.

  2. Điều khiển PID tối ưu: Qua thử nghiệm với các tham số PID khác nhau, hệ thống đạt thời gian đáp ứng nhanh nhất khoảng 22 ms với tham số Ki = 30, tuy nhiên độ vọt lố và dao động tăng lên. Tham số tối ưu được lựa chọn là Kp = 15, Ki = 20, Kd = 0, cho thời gian ổn định 81 ms và độ vọt lố chấp nhận được, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác.

  3. Xử lý tín hiệu cảm biến: Việc áp dụng bộ lọc số Kalman và Complementary giúp giảm nhiễu từ cảm biến MPU-6050, nâng cao độ chính xác của dữ liệu góc quay, từ đó cải thiện hiệu quả điều khiển robot.

  4. Thiết kế cơ khí và điện tử: Hệ thống sử dụng động cơ tuyến tính 24V DC với tải trọng 300N và động cơ quay 24V DC công suất 50W, kết hợp với encoder 334 xung/vòng, đảm bảo khả năng vận hành chính xác và bền bỉ. Phần mềm Solidworks 2017 hỗ trợ thiết kế và mô phỏng giúp tối ưu cấu trúc cơ khí trước khi chế tạo.

Thảo luận kết quả

Kết quả thử nghiệm cho thấy việc lựa chọn mô hình robot song song 4 bậc tự do là phù hợp với yêu cầu mô phỏng chuyển động phức tạp trên tàu thủy, đặc biệt là chuyển động quay 360 độ mà các mô hình 3 bậc tự do không đáp ứng được. So với robot 6 bậc tự do, mô hình 4 bậc tự do đơn giản hơn về thiết kế và điều khiển, đồng thời có chi phí thấp hơn nhiều.

Việc điều chỉnh tham số PID bằng tay tuy tốn thời gian nhưng cho phép kiểm soát tốt các yếu tố như thời gian đáp ứng, độ ổn định và độ vọt lố, phù hợp với hệ thống có nhiều yếu tố phi tuyến và tải trọng thay đổi. So sánh với các nghiên cứu khác, việc tích hợp bộ lọc số giúp cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu, điều này rất quan trọng trong môi trường có nhiều nhiễu như hệ thống robot cơ khí.

Các kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian đáp ứng và độ dao động của góc quay theo từng bộ tham số PID, cũng như bảng so sánh chi phí và tính năng của các mô hình robot song song trên thị trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh tham số PID (PID autotuning) hoặc sử dụng động cơ servo tích hợp bộ điều khiển PID để nâng cao độ chính xác và giảm thời gian hiệu chỉnh, dự kiến thực hiện trong 6-12 tháng tiếp theo bởi nhóm nghiên cứu.

  2. Nâng cấp cảm biến và bộ lọc: Thử nghiệm tích hợp thêm cảm biến từ trường để tạo bộ cảm biến 9 trục, kết hợp với bộ lọc Kalman nâng cao nhằm cải thiện độ chính xác và ổn định dữ liệu, thực hiện trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

  3. Phát triển mô hình robot 6 bậc tự do: Nghiên cứu và thiết kế robot song song 6 bậc tự do để mở rộng khả năng mô phỏng chuyển động tịnh tiến và quay, phục vụ các ứng dụng phức tạp hơn, dự kiến trong vòng 1-2 năm.

  4. Ứng dụng mở rộng: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng hệ thống robot 4 bậc tự do trong các lĩnh vực như mô phỏng chuyển động máy bay, thiết bị giải trí, và thử nghiệm thiết bị công nghiệp, với mục tiêu thương mại hóa sản phẩm trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, 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: Tham khảo để thiết kế và chế tạo các hệ thống robot mô phỏng chuyển động phức tạp với chi phí hợp lý, nâng cao hiệu quả thử nghiệm thiết bị.

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

  4. Các trung tâm đào tạo và phòng thí nghiệm kỹ thuật: Sử dụng robot 4 bậc tự do làm công cụ giảng dạy, thực hành và nghiên cứu, giúp sinh viên và học viên nâng cao kỹ năng thực tế và hiểu biết về robot song song.

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 360 độ, 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 song song 4 bậc tự do thay vì 3 hoặc 6 bậc?
    Mô hình 4 bậc tự do đáp ứng đầy đủ yêu cầu mô phỏng chuyển động quay 360 độ mà mô hình 3 bậc không làm được, đồng thời đơn giản hơn và có chi phí thấp hơn so với mô hình 6 bậc tự do, phù hợp với phạm vi và mục tiêu nghiên cứu.

  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, đảm bảo các thanh trượt và mâm xoay di chuyển chính xác đến vị trí mong muốn, với tham số PID được điều chỉnh thủ công dựa trên thử nghiệm thực tế để tối ưu hiệu suất.

  4. Làm thế nào để giảm nhiễu tín hiệu từ cảm biến chuyển động?
    Luận văn áp dụng bộ lọc số Kalman và Complementary cùng với việc sử dụng hộp Faraday và dây tín hiệu bọc kim loại nối đất, giúp giảm nhiễu điện từ và rung động, nâng cao độ chính xác của dữ liệu cảm biến.

  5. Chi phí chế tạo robot 4 bậc tự do so với các sản phẩm trên thị trường như thế nào?
    Chi phí chế tạo robot trong nghiên cứu khoảng 25 triệu đồng, thấp hơn nhiều so với các mô hình robot song song nhập ngoại có giá từ 4000 đến 8500 Euro, đồng thời đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và mô phỏng chuyển động.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công robot 4 bậc tự do mô phỏng chuyển động trên tàu thủy với khả năng quay 360 độ và tải trọng tối đa 50kg.
  • Thuật toán điều khiển PID được điều chỉnh thủ công đạt hiệu quả cao với thời gian đáp ứng dưới 100 ms và độ ổn định tốt.
  • Việc áp dụng bộ lọc số và thiết kế cơ khí, điện tử phù hợp giúp nâng cao độ chính xác và độ bền của hệ thống.
  • Sản phẩm có chi phí thấp hơn nhiều so với các mô hình robot song song nhập ngoại, mở ra hướng phát triển sản phẩm thương mại hóa.
  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình 6 bậc tự do, tích hợp cảm biến nâng cao và tự động điều chỉnh PID để mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng hệ thống robot mô phỏng chuyển động trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp.