Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa công nghiệp và hiện đại hóa sản xuất, việc ứng dụng robot công nghiệp để thay thế sức lao động của con người trong các công việc lặp đi lặp lại hoặc môi trường nguy hiểm, độc hại là nhu cầu tất yếu. Các cấu trúc cánh tay robot truyền thống (như Puma 560 hay Denso VS-6556) thường bố trí động cơ trực tiếp tại từng khớp nối. Thiết kế này khiến trọng lượng và quán tính của các khâu tăng lên theo số bậc tự do, đòi hỏi động cơ ở các khớp gốc phải có công suất và kích thước rất lớn, làm giảm độ linh hoạt, giảm tải trọng hữu ích tại cơ cấu chấp hành cuối và hạn chế khả năng tiếp cận các không gian hẹp.

Để khắc phục hạn chế trên, cấu trúc robot truyền động cáp nối tiếp (cable-driven serial robot) chuyển toàn bộ hệ thống động cơ chấp hành xuống phần khung đế tĩnh. Chuyển động quay từ động cơ được truyền tới các khớp thông qua hệ thống dây cáp, pulley và bạc đạn, giúp giảm đáng kể khối lượng phân bố trên cánh tay, tăng tính cơ động và nâng cao tỷ lệ tải trọng trên khối lượng. Tuy nhiên, dạng cấu trúc này phát sinh các thách thức kỹ thuật lớn: hiện tượng dão cáp theo thời gian đòi hỏi cơ cấu tăng cáp tự động; bài toán động học nghịch cho hệ robot đa bậc có cấu trúc phức tạp khó giải bằng phương pháp giải tích thuần túy; đồng thời cấu trúc điều khiển tập trung truyền thống tạo áp lực xử lý lớn cho bộ điều khiển trung tâm và phức tạp hóa hệ thống dây dẫn.

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế mô hình và bộ điều khiển chuyển động cho hệ robot truyền động cáp 6 bậc tự do dựa trên mạng CAN" do sinh viên Dương Minh Trí và Trần Trọng Lượng thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Đức Thiện) tập trung giải quyết các bài toán trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định trong văn bản:

  1. Thiết kế mô hình cơ khí robot truyền động cáp 6 bậc tự do và tủ điện điều khiển.
  2. Tính toán động học thuận và phân tích động học nghịch theo phương pháp đại số.
  3. Nghiên cứu giải thuật Cyclic Coordinate Descent (CCD) kết hợp phương pháp đại số (CCD-ĐS) để giải động học nghịch và quy hoạch quỹ đạo cho robot 6 bậc tự do.
  4. Mô phỏng, kiểm chứng giải thuật CCD-ĐS trên môi trường Matlab Simulink và Simscape Multibody với các quỹ đạo vị trí và quỹ đạo hướng.
  5. Nghiên cứu cấu trúc điều khiển phân tán qua mạng CAN Bus, điều khiển hệ thống động cơ AC Servo và thiết kế giao diện điều khiển.
  6. Gia công, chế tạo mô hình thực nghiệm robot 6 bậc truyền động cáp và thi công tủ điện điều khiển.
  7. Xây dựng chương trình điều khiển chuyển động cho toàn hệ thống.
  8. Kiểm chứng, đánh giá hoạt động của mô hình thực tế và hiệu năng truyền thông mạng CAN Bus.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 6 bậc tự do truyền động bằng hệ thống cáp nối tiếp, động cơ đặt tại đế; giao thức mạng CAN Bus 2.0B; giải thuật động học nghịch Cyclic Coordinate Descent kết hợp đại số.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khóa luận giới hạn ở bài toán động học (chưa xét động lực học chi tiết); thuật toán hoạt động trong không gian làm việc lý tưởng không có vật cản; cấu trúc phần cứng cho phép điều khiển 3 tọa độ vị trí và 2 hướng của cơ cấu chấp hành cuối; các khâu và khớp robot thực nghiệm được chế tạo bằng phương pháp in 3D.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp chặt chẽ giữa phân tích toán học, mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý.

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H): Sử dụng để thiết lập hệ tọa độ cho từng cặp khâu - khớp, xác định 4 thông số đặc trưng ($\theta_i, d_i, a_{i-1}, \alpha_{i-1}$) và xây dựng ma trận chuyển vị thuần nhất tổng quát $^{i-1}{i}T$ từ hệ $i-1$ sang hệ $i$: $$^{i-1}{i}T = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i & 0 & a_{i-1} \ \sin\theta_i\cos\alpha_{i-1} & \cos\theta_i\cos\alpha_{i-1} & -\sin\alpha_{i-1} & -d_i\sin\alpha_{i-1} \ \sin\theta_i\sin\alpha_{i-1} & \cos\theta_i\sin\alpha_{i-1} & \cos\alpha_{i-1} & d_i\cos\alpha_{i-1} \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$ Từ đó, ma trận biến đổi tổng quát từ gốc đến khâu chấp hành cuối $^{0}{n}T = \prod{i=1}^{n} {}^{i-1}{i}T$ xác định vị trí $P{3\times1}$ và hướng $R_{3\times3}$.
  • Quy hoạch quỹ đạo bằng đa thức bậc 3: Xây dựng quy luật biến thiên góc khớp $q(t) = a_0 + a_1t + a_2t^2 + a_3t^3$ thỏa mãn các điều kiện biên về vị trí ($q_0, q_f$) và vận tốc ban đầu/kết thúc triệt tiêu ($v_0 = 0, v_f = 0$ tại thời gian $t_f$): $$q(t) = q_0 + \frac{3(q_f - q_0)}{t_f^2}(t - t_0)^2 - \frac{2(q_f - q_0)}{t_f^3}(t - t_0)^3$$
  • Giải thuật Cyclic Coordinate Descent (CCD): Phương pháp lặp hình học tối ưu hóa từng biến khớp từ khâu chấp hành cuối ngược về gốc để giảm thiểu sai số giữa vị trí thực tế $P_e$ và vị trí đặt $P_f$ thông qua góc xoay $\theta$ và vector pháp tuyến $d$: $$\theta = \arccos\left(\frac{P_e - P_c}{|P_e - P_c|} \cdot \frac{P_f - P_c}{|P_f - P_c|}\right), \quad d = \frac{(P_e - P_c) \times (P_f - P_c)}{|P_e - P_c| \cdot |P_f - P_c|}$$
  • Lý thuyết mạng CAN Bus (ISO 11898): Chuẩn CAN 2.0B (tốc độ tối đa 1 Mbps), hoạt động theo cơ chế truyền thông vi sai trên hai dây CAN_H và CAN_L với điện trở đầu cuối 120 $\Omega$, sử dụng các khung truyền tiêu chuẩn (Data Frame, Remote Frame, Error Frame, Overload Frame).
Thông số kỹ thuật Chuẩn CAN 2.0 trong đồ án
Số lượng dây dẫn 2 dây (CAN_H, CAN_L)
Kích thước dữ liệu Tối đa 8 byte/khung (Data Frame)
Tốc độ truyền tối đa 1 Mbps (trong phạm vi 40 m)
Tầm xa tối đa 6 km (ở tốc độ 10 Kbps)
Số node tối đa 70 Node
Phân xử xung đột bus Bằng độ ưu tiên của trường Identifier (ID)
Phương pháp nhận biết bit Chênh lệch điện áp vi sai ($V_{diff} = 2.0\text{V}$ cho bit Dominant/0, $V_{diff} = 0\text{V}$ cho bit Recessive/1)

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Thiết kế cơ khí

Mô hình cơ khí được thiết kế trên phần mềm SolidWorks với các phân hệ chính:

  • Khung đế: Ghép từ các thanh nhôm định hình kích thước $20 \times 20\text{ mm}$, tích hợp 3 tấm nhôm dày 5 mm đặt song song. Tấm thứ nhất đỡ cánh tay robot, tấm thứ hai và thứ ba bố trí hệ thống lò xo căng cáp tự động nhằm duy trì độ căng liên tục, tấm thứ ba cố định 6 động cơ truyền động.
  • Hệ thống khâu và khớp: Link 1 đóng vai trò liên kết đế; Link 2 và Link 3 được tối ưu kết cấu dạng module lắp ghép gồm 5 chi tiết; các khớp (Joint) truyền động qua hệ thống dây cáp, pulley và bạc đạn chịu lực (đường kính trong 6 mm, đường kính ngoài 15 mm). Khâu và khớp được in 3D phục vụ lắp ráp thực nghiệm.
  • Cơ cấu chấp hành cuối (End-effector): Được kết nối ở đầu cánh tay với khả năng định hướng linh hoạt.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển phân tán

Hệ thống điều khiển phân tán gồm 1 trạm Master và các trạm Slave giao tiếp qua mạng CAN Bus:

  • Trạm Master: Sử dụng kit vi điều khiển STM32F407 Discovery (ARM Cortex-M4, xung nhịp 168 MHz) tích hợp bộ điều khiển CAN V2.0B kết hợp module thu phát TJA1050, có nhiệm vụ tính toán giải thuật, nhận lệnh từ máy tính qua UART (baudrate 115200 bps) và phân phối dữ liệu góc quay xuống mạng CAN.
  • Trạm Slave: Sử dụng vi điều khiển Arduino Nano (ATmega328P, xung nhịp 16 MHz), kết hợp IC điều khiển CAN MCP2515 (giao tiếp SPI) và chip thu phát TJA1050. Mạch Slave nhận lệnh từ bus CAN để phát xung điều khiển driver động cơ. Toàn bộ mạch in được thiết kế chuyên dụng trên phần mềm EasyEDA.
  • Hệ thống truyền động công suất: Gồm 6 động cơ AC Servo công suất 100 W kết hợp Driver Mitsubishi MR-J3-10A điều khiển ở chế độ vị trí bằng chuỗi xung:
    • Khớp 1: Động cơ HG-KR13 (mô-men xoắn định mức 0.32 Nm, mô-men cực đại 0.95 Nm, encoder tuyệt đối) kết hợp hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:15.
    • Khớp 2 và 3: Động cơ HF-MP13 / HF-KP13 kết hợp hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:10.
    • Khớp 4, 5 và 6: Động cơ HF-MP13 / HF-KP13 truyền động trực tiếp qua cáp.
Thiết bị / Thành phần Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Vi điều khiển Master STM32F407 Discovery ARM Cortex-M4, CAN 2.0B, UART 115200 bps Xử lý trung tâm, tính toán quỹ đạo, gửi dữ liệu bus
Vi điều khiển Slave Arduino Nano + MCP2515 ATmega328P 16 MHz, SPI to CAN, TJA1050 Trạm cục bộ nhận dữ liệu CAN, phát xung vị trí
Động cơ Servo khớp 1 Mitsubishi HG-KR13 $0.1\text{ kW}$, $0.32\text{ Nm}$ (cực đại $0.95\text{ Nm}$), 3000 rpm Kéo tải trục gốc qua hộp số 1:15
Động cơ Servo khớp 2–6 Mitsubishi HF-MP13 / KP13 $0.1\text{ kW}$, $0.32\text{ Nm}$, 3000 rpm, Encoder tuyệt đối Truyền động các khớp cánh tay qua cáp
Bộ điều khiển động cơ Mitsubishi MR-J3-10A 3 pha/1 pha 200–230 VAC, điều khiển sóng sine Nhận xung điều khiển vị trí, phản hồi encoder

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Trình bày tính cấp thiết của nghiên cứu về cánh tay robot truyền động cáp nối tiếp nhằm giảm khối lượng tĩnh trên các khớp chuyển động, phân tích ưu nhược điểm so với robot truyền thống. Đặt ra mục tiêu thiết kế hoàn chỉnh từ mô hình 3D, tính toán động học, mô phỏng giải thuật CCD kết hợp đại số, đến chế tạo phần cứng, cấu hình mạng CAN Bus và chạy thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp nền tảng toán học và kỹ thuật: lý thuyết động học thuận theo phương pháp ma trận chuyển vị D-H; quy hoạch quỹ đạo điểm - điểm và quỹ đạo đường bằng đa thức bậc 3; nguyên lý lặp hình học của giải thuật Cyclic Coordinate Descent (CCD); mô hình cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán (DCS) so sánh với điều khiển tập trung; cấu trúc chuẩn của giao thức mạng CAN 2.0B (định dạng khung truyền dữ liệu, khung yêu cầu, khung báo lỗi, cấu hình điện áp vi sai).

Chương 3: Thiết kế mô hình và tủ điện

Trình bày chi tiết bản vẽ 3D trên SolidWorks cho từng bộ phận cơ khí: khung đế 3 tầng nhôm, cơ cấu link 1 đến link 5, kết cấu joint gắn bạc đạn $\varnothing 6/\varnothing 15\text{ mm}$, pulley cáp và end-effector. Thuyết minh tính toán lựa chọn thiết bị điện: kit STM32F407 Discovery, Arduino Nano, module MCP2515, TJA1050, thiết kế mạch PCB 2 lớp trên EasyEDA, tính chọn động cơ AC Servo 100 W (HG-KR13, HF-KP13, HF-MP13), driver MR-J3-10A và xác định tỉ số truyền hộp số (1:15 cho khớp 1, 1:10 cho khớp 2 và 3) dựa trên mô phỏng mô-men tải trong Simscape.

Chương 4: Tính toán động học robot

Xác định vị trí các gốc tọa độ và lập bảng thông số Denavit-Hartenberg cho robot 6 bậc tự do. Biểu diễn không gian làm việc (workspace) của robot thông qua mô phỏng tọa độ trên hai mặt phẳng chiếu chính là $OXZ$ và $OXY$. Phân tích chi tiết những khó khăn, trở ngại khi giải hệ phương trình phi tuyến phức tạp của bài toán động học nghịch bằng phương pháp đại số thuần túy đối với cấu trúc robot 6 bậc tự do.

Chương 5: Giải thuật Cyclic Coordinate Descent kết hợp đại số

Đề xuất giải pháp phân tách kết cấu robot thành hai phân hệ động học phụ: hệ $T_{05}$ (khâu gốc đến khớp 5) và hệ $T_{57}$ (khớp 5 đến khâu chấp hành cuối). Áp dụng giải thuật CCD trên hình chiếu của các góc khớp lên hai mặt phẳng $OXZ$ và $OXY$ để giải quyết bài toán vị trí, sau đó kết hợp giải thuật đại số cho hệ $T_{57}$ để khóa và điều chỉnh hướng của khâu tác động cuối. Xây dựng các lưu đồ thuật toán cụ thể cho từng mặt phẳng và lưu đồ tổng thể thuật toán kết hợp CCD-ĐS.

Chương 6: Mô phỏng và đánh giá

Triển khai mô hình kiểm chứng động học trên Matlab Simulink kết hợp công cụ mô phỏng vật lý Simscape Multibody. Đánh giá thuật toán CCD-ĐS qua ba kịch bản quỹ đạo:

  • Quỹ đạo tròn: Bán kính 60 mm trên mặt phẳng $OYZ$.
  • Quỹ đạo tam giác: Chuyển động trên mặt phẳng $OYZ$.
  • Quỹ đạo hướng: Kiểm tra khả năng bám hướng của cơ cấu chấp hành cuối. Ghi nhận các đáp ứng biến khớp $\theta_1 \dots \theta_6$, sai số vị trí theo 3 trục tọa độ, sai số hướng và thời gian tính toán chu kỳ giải động học nghịch.

Chương 7: Phương pháp điều khiển

Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống điều khiển phân tán. Hướng dẫn thiết lập thông số truyền thông mạng CAN (cấu hình bit timing, tần số xung clock cho STM32 và Arduino). Phương pháp giao tiếp ghép nối và phát xung điều khiển driver Servo MR-J3-10A. Lập trình lưu đồ giải thuật cho trạm Master và trạm Slave. Thiết kế giao diện máy tính phục vụ giám sát vị trí đặt, đáp ứng thực tế, sai số và cài đặt thông số vận hành theo thời gian thực.

Chương 8: Thi công, thực nghiệm và đánh giá

Mô tả quy trình gia công, lắp ráp hoàn thiện mô hình thực nghiệm (khung đế nhôm, cánh tay in 3D, bố trí dây cáp và lò xo căng cáp), lắp đặt và đi dây tủ điện điều khiển công nghiệp. Thực hiện các bài đo kiểm tra độ tin cậy của mạng CAN khi truyền dữ liệu liên tục; kiểm chứng chuyển động thực tế của 6 động cơ Servo bằng cách cấp tín hiệu quy hoạch dạng hình sin (Sine) cho từng góc $\theta_1$ đến $\theta_6$ và ghi nhận phản hồi.

Chương 9: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề cương, tổng kết các kết quả đạt được về mặt lý thuyết, mô phỏng và mô hình thực nghiệm; đồng thời chỉ ra các điểm tồn tại và định hướng các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể

  • Về mặt giải thuật: Đã xây dựng và kiểm chứng thành công thuật toán kết hợp Cyclic Coordinate Descent và đại số (CCD-ĐS) cho robot 6 bậc tự do. Thuật toán phân rã được chuỗi động học hở thành các bài toán chiếu trên mặt phẳng $OXY$ và $OXZ$, khắc phục điểm kỳ dị và giảm thiểu độ phức tạp tính toán so với phương pháp đại số truyền thống.
  • Về mặt mô phỏng: Trên môi trường Matlab Simulink / Simscape Multibody, giải thuật bám tốt các quỹ đạo kiểm chứng:
    • Bám chính xác quỹ đạo tròn bán kính 60 mm trên mặt phẳng $OYZ$.
    • Bám quỹ đạo tam giác và quỹ đạo thay đổi hướng cơ cấu chấp hành cuối với sai số vị trí và sai số hướng hội tụ nhanh.
    • Thời gian tính toán chu kỳ giải động học nghịch đáp ứng yêu cầu điều khiển chuyển động theo thời gian thực.
  • Về mặt chế tạo phần cứng: Chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm robot truyền động cáp 6 bậc tự do:
    • Khung đế nhôm định hình $20 \times 20\text{ mm}$ với 3 tầng nhôm dày 5 mm tích hợp cơ cấu lò xo căng cáp tự động.
    • Hệ thống 6 động cơ AC Servo Mitsubishi 100 W (HG-KR13, HF-KP13, HF-MP13) kết hợp Driver MR-J3-10A và hộp số giảm tốc (1:15 cho khớp 1, 1:10 cho khớp 2 và 3).
    • Tủ điện điều khiển và các bo mạch PCB chuyên dụng cho vi điều khiển STM32F407 Master và Arduino Nano Slave.
  • Về mạng truyền thông CAN: Cấu hình và vận hành ổn định mạng CAN 2.0B tốc độ cao (1 Mbps), cho phép truyền nhận dữ liệu góc đặt giữa trạm Master và các trạm Slave không bị mất gói, điều khiển đồng bộ 6 trục chuyển động theo tín hiệu hình sin.

2. Đóng góp của đề tài do nhóm tác giả tự xác định

  • Đề xuất giải pháp kết hợp CCD với đại số để giải quyết đồng thời bài toán vị trí và hướng cho robot truyền động cáp 6 bậc tự do.
  • Ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển phân tán trên nền tảng mạng CAN Bus vào hệ robot tay máy nhiều bậc, thay thế cho giải pháp điều khiển tập trung, giúp giảm bớt gánh nặng xử lý của bộ điều khiển trung tâm và giảm độ phức tạp của hệ thống dây dẫn.
  • Xây dựng mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh có cơ cấu tăng cáp tự động bằng lò xo và sử dụng động cơ AC Servo công nghiệp tích hợp encoder tuyệt đối, tạo tiền đề tiếp cận và nghiên cứu robot đa bậc nối tiếp tại các trường đại học kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận đã thẳng thắn nêu ra các giới hạn kỹ thuật trong quá trình thực hiện:

  • Hạn chế:
    • Đề tài mới chỉ tập trung giải quyết bài toán động học, chưa xây dựng và kiểm chứng mô hình động lực học hoàn chỉnh của hệ robot truyền động cáp.
    • Giải thuật CCD-ĐS được áp dụng trong không gian làm việc lý tưởng, chưa tích hợp khả năng nhận diện và tự động tránh vật cản.
    • Giới hạn phần cứng cơ khí in 3D và cấu trúc động học khiến hệ thống hiện tại mới chỉ kiểm soát được 3 tọa độ vị trí và 2 hướng của khâu chấp hành cuối.
    • Hiện tượng ma sát trên pulley, biến dạng đàn hồi và độ chùng của dây cáp khi hoạt động lâu dài vẫn ảnh hưởng nhất định đến độ chính xác tuyệt đối ở đầu công tác.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu mô hình động lực học và thuật toán bù lực căng cáp phi tuyến để nâng cao độ chính xác khi chuyển động ở vận tốc cao.
    • Nâng cấp phần cứng cơ khí bằng vật liệu kim loại chịu tải cao hơn và mở rộng giải thuật điều khiển đầy đủ 6 bậc tự do (3 vị trí, 3 hướng).
    • Tích hợp thêm thuật toán tránh vật cản và quy hoạch đường đi tối ưu trong không gian làm việc phức tạp.
    • Nghiên cứu nâng cấp giao thức truyền thông lên chuẩn CAN FD để tăng tốc độ truyền và dung lượng khung dữ liệu.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị cao đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Robot học: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ robot từ mô hình toán học (D-H, CCD, quy hoạch quỹ đạo đa thức bậc 3), thiết kế cơ khí trên SolidWorks, mô phỏng Simscape Multibody đến thi công mạch điện và lập trình nhúng.
  • Các nhóm nghiên cứu về robot cáp và hệ thống điều khiển phân tán: Giá trị tham khảo sâu ở phần triển khai thực tế giao thức CAN 2.0B giữa các dòng vi điều khiển khác nhau (STM32F4 và Arduino Nano qua chip MCP2515/TJA1050), phương pháp ghép nối phát xung điều khiển Driver AC Servo công nghiệp Mitsubishi MR-J3-10A.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (tính toán chọn công suất động cơ và hộp số thông qua công cụ Simscape), Chương 5 (cách biến đổi và tách hệ giải thuật CCD-ĐS) và Chương 7 (cấu hình mạng CAN và lưu đồ truyền nhận phân tán).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cấu trúc robot truyền động bằng cáp thay vì gắn động cơ trực tiếp tại từng khớp nối?
Trả lời: Việc gắn động cơ trực tiếp lên từng khớp của robot đa bậc khiến khối lượng và quán tính của cánh tay tăng rất nhanh, đòi hỏi các động cơ ở gốc phải có kích thước và công suất rất lớn, gây cồng kềnh và giảm tải trọng hữu ích. Truyền động cáp cho phép dời toàn bộ 6 động cơ xuống khung đế cố định, giúp cánh tay nhẹ hơn, linh hoạt hơn, dễ di chuyển trong không gian hẹp và tiết kiệm chi phí phần cứng.

2. Giải thuật Cyclic Coordinate Descent (CCD) được kết hợp với phương pháp đại số như thế nào trong đề tài?
Trả lời: Cấu trúc robot được phân tách thành hai hệ động học: hệ $T_{05}$ (từ gốc đến khớp 5) và hệ $T_{57}$ (từ khớp 5 đến khâu chấp hành cuối). Giải thuật CCD được áp dụng trên hình chiếu của các góc khớp lên hai mặt phẳng $OXZ$ và $OXY$ để giải bài toán định vị vị trí 3D, sau đó kết hợp với phương pháp đại số tại hệ $T_{57}$ để giải quyết bài toán định hướng cho khâu công tác cuối.

3. Phần cứng của hệ thống điều khiển phân tán qua mạng CAN gồm những thiết bị nào?
Trả lời: Trạm điều khiển Master sử dụng vi điều khiển STM32F407 Discovery kết hợp module thu phát TJA1050; các trạm Slave sử dụng vi điều khiển Arduino Nano kết hợp IC chuyển đổi giao tiếp SPI-to-CAN MCP2515 và module TJA1050. Mạng CAN vận hành theo chuẩn CAN 2.0B tốc độ 1 Mbps với hai điện trở đầu cuối 120 $\Omega$.

4. Động cơ và hộp số nào được sử dụng để dẫn động 6 khớp của robot?
Trả lời: Hệ thống sử dụng 6 động cơ AC Servo Mitsubishi công suất 100 W (gồm các mã HG-KR13, HF-KP13, HF-MP13) điều khiển bởi Driver MR-J3-10A. Động cơ HG-KR13 có mô-men xoắn cực đại 0.95 Nm kết hợp hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:15 được bố trí cho khớp 1; các khớp 2 và 3 sử dụng hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:10; các khớp còn lại truyền động trực tiếp qua cáp.

5. Giải thuật CCD-ĐS đã được kiểm chứng qua các dạng quỹ đạo mô phỏng nào trên Simscape Multibody?
Trả lời: Giải thuật được kiểm chứng qua 3 kịch bản: quỹ đạo tròn bán kính 60 mm trên mặt phẳng $OYZ$, quỹ đạo tam giác trên mặt phẳng $OYZ$ và quỹ đạo kiểm tra sự thay đổi hướng của cơ cấu chấp hành cuối. Kết quả mô phỏng ghi nhận đáp ứng góc quay, sai số vị trí và sai số hướng đều đạt yêu cầu bám quỹ đạo liên tục.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Dương Minh Trí và Trần Trọng Lượng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ thiết kế cơ khí, phát triển giải thuật động học đến chế tạo mô hình thực nghiệm robot truyền động cáp 6 bậc tự do. Việc kết hợp giải thuật Cyclic Coordinate Descent với phương pháp đại số đã giải quyết hiệu quả bài toán động học nghịch đa bậc, trong khi việc ứng dụng mạng CAN Bus 2.0B mang lại cấu trúc điều khiển phân tán gọn nhẹ, tin cậy và linh hoạt. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực nghiên cứu cánh tay robot công nghiệp và mạng điều khiển nhúng.