Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa, robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất lao động và giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường độc hại. Tuy nhiên, các dòng robot công nghiệp truyền thống thường tồn tại nhược điểm về kích thước cồng kềnh, độ linh hoạt thấp và thiếu khả năng cơ động. Để giải quyết khiếm khuyết này, robot di động đã trở thành hướng nghiên cứu trọng điểm với nhiều ứng dụng trong vận chuyển, quân sự và y tế cứu hộ.

Về phương thức di chuyển mặt đất, robot di động hiện nay phân tách thành hai nhánh chính:

  • Robot di chuyển bằng bánh xe: Sở hữu ưu điểm về tốc độ, chuyển hướng linh hoạt và điều khiển mượt mà trên bề mặt phẳng. Dù vậy, dạng robot này hoạt động kém hiệu quả trên các địa hình gồ ghề, đặc biệt khi gặp chướng ngại vật có kích thước lớn hơn bán kính bánh xe.
  • Robot di chuyển bằng cấu trúc chân: Vượt địa hình phức tạp vượt trội, có khả năng nâng hạ chiều cao thích ứng với không gian, nhưng kết cấu cơ khí rất phức tạp, quán tính chuyển động lớn và tiêu hao nguồn năng lượng cao.

Nhằm kết hợp ưu thế và loại trừ hạn chế của hai cấu trúc trên, hệ thống robot lai giữa chân và bánh xe (wheeled-legged robot) đã ra đời. Trên thế giới, nhiều công trình tiêu biểu đã được công bố như: mẫu robot Ascento (ETH Zurich) sử dụng cơ cấu chân liên kết bốn thanh; robot Handle (Boston Dynamics) đạt vận tốc 14,5 km/h với khả năng nhảy và mang tải nặng; robot chân bánh thủy lực WLR và WLRII (HIT); cùng các nghiên cứu tối ưu hóa bộ điều khiển toàn thân LQR-WBC (Đại học Zürich, 2019) hay Fuzzy-IMBC (Trung Quốc, 2022). Tại Việt Nam, phần lớn đề tài về xe hai bánh tự cân bằng chỉ tập trung trên mặt phẳng ngang với các thuật toán PID, LQR, trượt hoặc mạng nơ-ron (như nghiên cứu của Mai Tấn Đạt năm 2005, Trương Ngọc Sơn năm 2012, Nguyễn Minh Tâm năm 2015). Đề tài nghiên cứu robot hai bánh có khớp chân thay đổi chiều cao của Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc (2023) mới dừng lại ở việc nâng hạ chậm theo thời gian. Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo và kiểm chứng hệ thống robot hai bánh có cấu trúc chân thay đổi chiều cao tức thời là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Nhật Tín (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thực hiện từ tháng 02/2024 đến tháng 06/2024 dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Đức Thiện tại Phòng thí nghiệm Robot và Điều khiển thông minh - RICLab) xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Phân tích, tính toán động học và động lực học của robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao.
  2. Thiết kế và thi công hoàn thiện mô hình cơ khí robot hai bánh cân bằng thay đổi chiều cao.
  3. Thiết kế giải thuật điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) giữ cân bằng cho robot ứng với các tư thế.
  4. Xây dựng giao diện máy tính giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu thực nghiệm cho robot.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình vật lý robot hai bánh tự cân bằng có cơ cấu chân khớp gập và giải thuật điều khiển tối ưu LQR.
  • Phạm vi không gian và vật lý: Kích thước thiết kế ban đầu 330 x 220 x 260 mm (dài x rộng x cao); tổng khối lượng thực tế đạt 4,23 kg; khoảng biến thiên chiều cao hoạt động từ 230 mm đến 260 mm. Robot vận hành kiểm nghiệm ở chế độ giữ thăng bằng và thay đổi chiều cao tại chỗ trên mặt phẳng, chưa xét đến tải trọng ngoài và chuyển động bám quỹ đạo phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Động học robot di động hai bánh: Hệ thống chuyển động dựa trên nguyên lý con lắc ngược. Trọng tâm của robot phải được duy trì nằm trên trục thẳng đứng đi qua điểm tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đất. Động học thuận và nghịch được thiết lập thông qua ma trận vi phân Jacobian $J$, liên kết vận tốc góc của các biến khớp với vận tốc dài và vận tốc góc của thân robot trong không gian làm việc.
  • Ràng buộc Nonholonomic: Chuyển động lăn của bánh xe trên mặt đường tuân theo điều kiện tiếp xúc không trượt (pure rolling without slipping). Đây là ràng buộc đối với vận tốc (velocity constraint) chứ không thể tích phân thành ràng buộc vị trí hình học, khiến số bậc tự do của hệ thống lớn hơn số cơ cấu chấp hành độc lập.
  • Lý thuyết điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính (LQR): Hệ thống phi tuyến sau khi mô hình hóa được tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng làm việc: $$\dot{x} = Ax + Bu, \quad y = Cx + Du$$ Hàm chỉ tiêu chất lượng toàn phương cần cực tiểu hóa có dạng: $$J = \frac{1}{2} \int_{0}^{\infty} \left( x^T(t) Q x(t) + u^T(t) R u(t) \right) dt$$ Trong đó ma trận trọng số $Q$ xác định bán dương và $R$ xác định dương. Tín hiệu điều khiển tối ưu được xác định qua luật hồi tiếp trạng thái $u(t) = -Kx(t)$, với ma trận độ lợi $K = R^{-1}B^T P$, trong đó $P$ là nghiệm đối xứng xác định dương của phương trình đại số Riccati: $$PA + A^T P + Q - PBR^{-1}B^T P = 0$$
  • Lý thuyết cảm biến đo lường quán tính (IMU): Cảm biến gia tốc dựa trên vi cơ điện tử (MEMS) đo độ biến thiên điện dung của khối địa chấn silicon khi có gia tốc quán tính dọc theo 3 trục tọa độ ($m/s^2$). Con quay hồi chuyển (gyroscope) đo tốc độ quay quanh trục ($rad/s$) dựa trên hiệu ứng Coriolis tác động lên cấu trúc rung.
  • Giao thức truyền thông UART và Zigbee: Giao thức UART truyền dữ liệu bất đồng bộ nối tiếp giữa hai vi điều khiển với cấu trúc gói tin gồm Start bit (1 bit), Data bits (8–9 bits), Parity bit (1 bit) và Stop bit (1–2 bits). Chuẩn truyền thông không dây sóng vô tuyến RF Zigbee hoạt động ở dải tần công nghiệp 2,4 GHz với tốc độ truyền dữ liệu 250 kb/s.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và phương pháp thực nghiệm vật lý:

  • Xây dựng mô hình hình học 3D trên Solidworks 2022 để tính toán khối lượng, tọa độ trọng tâm và mô-men quán tính của từng khâu liên kết.
  • Giải tích phương trình vi phân chuyển động bằng phương pháp Lagrange nhằm rút ra mô hình động lực học của hệ con lắc ngược nhiều khâu khi chiều cao thay đổi.
  • Thu thập dữ liệu vận hành từ cảm biến góc nghiêng và encoder góc quay bánh xe qua giao tiếp RF không dây để hiệu chỉnh các ma trận trọng số của bộ điều khiển LQR bằng phương pháp thử sai kết hợp quan sát đáp ứng thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Thiết kế kết cấu cơ khí

Hệ thống chân robot được thiết kế theo cơ cấu liên kết đa khâu nhằm mục tiêu quan trọng: khi động cơ servo nâng hạ chiều cao, mặt phẳng thân robot luôn duy trì vị trí nằm ngang song song với mặt đất. Cấu tạo cơ khí gồm 4 bộ phận chính:

  1. Phần thân robot: Là khung chứa khối điều khiển, cảm biến, mạch công suất, pin và động cơ nâng hông; gia công in 3D bằng vật liệu nhựa PLA.
  2. Phần chân phụ: Chịu một phần lực nâng và định hình tư thế động học của thân khi co duỗi; gia công bằng nhựa mica.
  3. Phần chân hông: Khâu trung gian truyền lực giữa động cơ hông và hệ thống chân; gia công bằng nhựa mica.
  4. Phần chân chính: Bộ phận chịu tải trọng chính của toàn bộ khối lượng thân, liên kết trực tiếp với cụm động cơ bánh xe; gia công bằng hợp kim nhôm để đảm bảo độ cứng vững.
  5. Cụm di chuyển: Sử dụng 2 bánh xe nhôm đường kính 100 mm (bán kính $R = 0,05$ m) kết hợp bạc đạn chà 51200 nhằm triệt tiêu lực dọc trục.
Bộ phận kết cấu Vật liệu sử dụng Chức năng kỹ thuật chính
Thân robot Nhựa PLA Lắp đặt vi điều khiển, cảm biến, mạch công suất, pin và cụm servo hông
Chân phụ Nhựa Mica Định hình tư thế, liên kết động học giữa thân và chân chính
Chân hông Nhựa Mica Cánh tay đòn truyền động từ động cơ servo đến khớp gập
Chân chính Hợp kim nhôm Chịu toàn bộ lực tải trọng lượng và gắn cụm động cơ bánh xe
Bánh xe Nhôm ($D = 100$ mm) Tiếp xúc mặt đất, dẫn động di chuyển và giữ cân bằng

Thiết kế hệ thống điện và điện tử

Cấu trúc phần cứng của robot được tổ chức thành 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  • Khối cấp nguồn: 02 bộ pin LiPo 3S (12,6 V, dung lượng 3000 mAh, dòng xả 3 A, khối lượng 120 g, kích thước 60 x 45 x 39 mm) cấp nguồn độc lập cho mạch điều khiển và mạch động lực.
  • Khối điều khiển trung tâm: Ứng dụng cấu trúc xử lý vi điều khiển kép:
    • ATMEGA2560: Tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, RAM 8 KB, 54 chân I/O số, 16 chân analog. Đảm nhận tính toán giải thuật LQR, đọc tín hiệu encoder bánh xe và xuất xung PWM điều khiển động cơ.
    • ATMEGA328: Tần số 16 MHz, Flash 32 KB, RAM 2 KB, 14 chân I/O số. Đảm nhận nhiệm vụ giao tiếp dữ liệu cảm biến và truyền nhận không dây, kết nối với ATMEGA2560 thông qua chuẩn UART.
  • Khối cảm biến quán tính: Cảm biến MPU9250 9-DOF tích hợp gia tốc kế 3 trục, con quay hồi chuyển 3 trục và từ kế 3 trục, cung cấp dữ liệu góc nghiêng (pitch) và góc xoay (yaw) của thân robot.
  • Khối điều khiển động cơ (Driver): Mạch cầu H L298N (điện áp tải 5–35 V, công suất cực đại 25 W, kích thước 43 x 43 x 27 mm) nhận tín hiệu PWM từ MCU để cấp nguồn cho hai động cơ bánh xe.
  • Khối cơ cấu chấp hành:
    • Động cơ bánh xe: 02 động cơ DC giảm tốc JGB37-520 tốc độ 37 RPM tích hợp encoder quang đo phản hồi số vòng quay bánh xe.
    • Động cơ khớp hông: 02 động cơ RC Servo DS5180 mô-men xoắn cao (80 kg.cm) thực hiện chức năng nâng hạ khớp chân độc lập.
  • Khối truyền thông không dây: Mô-đun thu phát RF Zigbee CC2530 kết nối máy tính cá nhân truyền thông số về góc nghiêng, vị trí, sai số và nhận lệnh điều khiển.
Thiết bị / Linh kiện Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật danh định
Nguồn cấp Pin LiPo 3 Cells (3S) Điện áp 12,6 V; Dung lượng 3000 mAh; Dòng xả 3 A
Vi điều khiển xử lý ATMEGA2560 Tần số 16 MHz; Flash 256 KB; RAM 8 KB; 54 Digital I/O
Vi điều khiển phụ trợ ATMEGA328 Tần số 16 MHz; Flash 32 KB; RAM 2 KB; 14 Digital I/O
Mạch lái động cơ Mạch cầu H L298N Điện áp tải 5–35 V; Dòng logic 0–36 mA; Công suất 25 W
Động cơ bánh xe JGB37-520 37RPM Động cơ DC giảm tốc tích hợp encoder đọc xung
Động cơ nâng hạ chân RC Servo DS5180 Lực kéo cực đại 80 kg.cm
Cảm biến quán tính MPU9250 9-DOF Tích hợp 3 trục Accel, 3 trục Gyro, 3 trục Magneto
Truyền thông không dây Mạch RF Zigbee CC2530 Chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4, dải tần 2,4 GHz

Phần mềm điều khiển và giao diện giám sát

  • Môi trường lập trình nhúng: Lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE. Vòng lặp giải thuật đọc cảm biến, tính toán luật điều khiển LQR và điều biến độ rộng xung PWM được thiết lập với chu kỳ ngắt nghiêm ngặt.
  • Giao diện giám sát GUI: Thiết kế trên nền tảng Microsoft Visual Studio bằng ngôn ngữ C#. Giao diện gồm 4 trang chức năng: cấu hình cổng giao tiếp UART/Zigbee, hiển thị đồ thị góc nghiêng và góc tiến theo thời gian thực, giám sát điện áp cấp cho hai bánh và giám sát trạng thái thay đổi chiều cao robot.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích bối cảnh ra đời của robot di động và sự cần thiết của hệ robot lai bánh - chân nhằm khắc phục nhược điểm về địa hình của robot bánh lăn cũng như nhược điểm cấu trúc nặng nề của robot chân bước. Chương này hệ thống hóa các thành tựu quốc tế (Ascento, Handle, Diablo, SK80, WLR) và các nghiên cứu trong nước từ năm 2005 đến năm 2023. Tác giả chỉ ra khoảng trống nghiên cứu: các đề tài trong nước đa số chỉ thực hiện trên xe hai bánh cân bằng cố định chiều cao trên mặt phẳng; công trình thay đổi chiều cao hiếm hoi mới chỉ thay đổi vận tốc thấp theo thời gian. Trên cơ sở đó, tác giả xác định 4 mục tiêu, nêu rõ giới hạn vật lý của mô hình tự chế tạo (linh kiện không chuyên dụng, dải chiều cao 230–260 mm, thử nghiệm tại chỗ) và đề ra phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày toàn bộ nền tảng toán học và kỹ thuật phục vụ việc thiết kế hệ thống:

  • Định nghĩa robot di động, cấu trúc xe hai bánh tự cân bằng và nguyên lý giữ trọng tâm nằm giữa các bánh xe thông qua việc kiểm soát góc nghiêng thân.
  • Phân tích bài toán động học thuận, động học nghịch và thiết lập ma trận vi phân Jacobian $J$ liên kết không gian khớp và không gian làm việc.
  • Trình bày bản chất ràng buộc phi holonomic (nonholonomic constraint) của bánh xe lăn không trượt, thể hiện mối quan hệ giữa các tọa độ suy rộng và vận tốc chuyển động.
  • Trình bày cơ sở lý thuyết của bộ điều khiển tối ưu tuyến tính toàn phương LQR: tuyến tính hóa hệ phi tuyến quanh điểm làm việc, hàm chỉ tiêu chất lượng $J$, giải ma trận $P$ qua phương trình đại số Riccati để tìm ma trận hệ số khuếch đại tối ưu $K$.
  • Cung cấp nguyên lý hoạt động của cảm biến MEMS đo gia tốc (dựa trên sự thay đổi điện dung của bản cực vi sai silicon) và con quay hồi chuyển (dựa trên lực quán tính Coriolis).
  • Phân tích cấu trúc gói tin, nguyên lý truyền dữ liệu bất đồng bộ của giao thức UART và nguyên lý điều chế sóng mang RF vô tuyến của chuẩn mạng không dây Zigbee (tần số 2,4 GHz).

Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống

Chương 3 chi tiết hóa toàn bộ quá trình chế tạo mô hình thực tế:

  • Nêu các yêu cầu kỹ thuật cơ bản: kết cấu chân phải đảm bảo mặt phẳng thân robot luôn song song với mặt phẳng sàn trong suốt quá trình thay đổi chiều cao; nguồn cấp đủ công suất và tín hiệu cảm biến ít nhiễu.
  • Trình bày bản vẽ thiết kế 2D và 3D của 4 cụm cơ khí: thân robot (nhựa PLA), chân phụ (mica), chân hông (mica), chân chính (nhôm).
  • Tính toán cơ cấu động lực học chọn động cơ bánh xe: xác định tổng trọng lượng tác dụng lên robot $P = m \times g = 4,23 \times 9,8 = 41,454\text{ N}$; phản lực mỗi bánh xe chịu $P/2 = 20,727\text{ N}$; tính toán lực ma sát với hệ số ma sát $t = 0,01$ và bán kính bánh $R = 0,05$ m nhằm lựa chọn động cơ DC JGB37-520 (37 RPM) và servo hông DS5180 (80 kg.cm).
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ bố trí linh kiện và thi công mạch in (PCB) tích hợp bộ đôi vi điều khiển ATMEGA2560 và ATMEGA328, mạch cầu H L298N, khối cảm biến MPU9250 và mô-đun Zigbee CC2530.
  • Xây dựng phần mềm giao diện người dùng GUI bằng ngôn ngữ C# gồm 4 trang hiển thị thông số và đồ thị đáp ứng.

Chương 4: Tính toán động học, động lực học và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho robot

Chương 4 tập trung vào việc mô hình hóa toán học và tổng hợp bộ điều khiển:

  • Thiết lập phương trình động học mô tả vị trí, vận tốc của thân và các khớp chân dựa trên bảng thông số hình học của robot.
  • Ứng dụng phương trình vi phân Lagrange loại 2 để thiết lập mô hình động lực học phi tuyến của robot hai bánh khi chiều cao thay đổi.
  • Tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm cân bằng thẳng đứng tại hai trạng thái biên: tư thế thấp nhất (chiều cao 230 mm) và tư thế cao nhất (chiều cao 260 mm).
  • Thiết kế hai bộ điều khiển LQR riêng biệt cho tư thế thấp nhất và cao nhất bằng cách giải phương trình Riccati để tìm hai bộ hệ số độ lợi $K_{low}$ và $K_{high}$.
  • Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển LQR kết hợp (gain scheduling/kết hợp): nội suy ma trận hệ số khuếch đại $K$ theo biến trạng thái chiều cao thực tế khi robot chuyển dịch tư thế giữa 230 mm và 260 mm, đảm bảo tính ổn định liên tục của hệ thống.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 trình bày việc cài đặt giải thuật và đánh giá vận hành trên mô hình vật lý:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển chính trên vi điều khiển, quản lý việc đọc cảm biến MPU9250, lọc dữ liệu, tính toán tín hiệu điều khiển LQR và xuất xung PWM đến mạch L298N.
  • Bố trí thực nghiệm đo đạc đáp ứng của hệ thống ở ba kịch bản: giữ cân bằng tại tư thế thấp nhất, giữ cân bằng tại tư thế cao nhất và giữ cân bằng trong quá trình chuyển đổi chiều cao liên tục.
  • Ghi nhận và phân tích các đồ thị thực nghiệm:
    • Đáp ứng góc ngõ ra: Đồ thị bám tín hiệu đặt của góc tiến, góc nghiêng (pitch) và góc xoay (yaw).
    • Sai số hệ thống: Đồ thị chênh lệch giữa tín hiệu đặt và góc đáp ứng thực tế trong suốt chu trình thay đổi chiều cao.
    • Tín hiệu điều khiển: Đồ thị điện áp thực tế cấp vào động cơ bánh trái và bánh phải thông qua điều chế xung PWM.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt cơ khí, phần cứng điện tử và giải thuật LQR kết hợp; đồng thời phân tích các hạn chế thực tế và vạch ra định hướng hoàn thiện hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Lắp ráp thành công mô hình robot hai bánh có khớp chân thay đổi chiều cao độc lập với khối lượng tổng thể 4,23 kg, dải biến thiên chiều cao linh hoạt từ 230 mm đến 260 mm. Kết cấu 4 khâu đảm bảo thân xe luôn giữ phương nằm ngang song song mặt đất khi nâng hạ.
  • Thi công bo mạch điều khiển chuyên dụng: Thiết kế mạch in PCB tích hợp thành công hai vi điều khiển ATMEGA2560 và ATMEGA328, giao tiếp ổn định với cảm biến MPU9250 và mô-đun RF Zigbee CC2530.
  • Thực thi bộ điều khiển LQR kết hợp: Thuật toán LQR kết hợp thích ứng theo độ cao điều khiển thành công hệ thống giữ được trạng thái cân bằng thẳng đứng, triệt tiêu sai số góc nghiêng thân xe và duy trì góc xoay ổn định khi chuyển dịch giữa hai tư thế thấp nhất (230 mm) và cao nhất (260 mm).
  • Phát triển giao diện C# hoàn chỉnh: Giao diện gồm 4 trang chức năng thu thập và hiển thị chính xác các dữ liệu thực nghiệm về góc tiến, góc nghiêng, góc xoay, điện áp cấp cho hai động cơ bánh xe và độ biến thiên chiều cao theo thời gian thực.
Thông số / Hạng mục Giá trị thiết kế / Thực nghiệm Ghi chú kỹ thuật
Khối lượng robot ($m$) 4,23 kg Cân nặng thực tế toàn bộ hệ thống
Khoảng thay đổi chiều cao 230 mm – 260 mm Phạm vi nâng hạ bằng servo hông DS5180
Bán kính bánh xe ($R$) 0,05 m (Đường kính 100 mm) Bánh xe hợp kim nhôm
Vận tốc mong muốn ($v$) 0,08 m/s Thông số tính toán chọn động cơ
Nguồn cấp động lực 12,6 V (Pin LiPo 3S 3000 mAh) 02 bộ cấp nguồn độc lập cho điều khiển và động cơ
Thuật toán cân bằng LQR kết hợp Điều chỉnh ma trận $K$ thích ứng theo chiều cao

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Tác giả tự đánh giá: So với phần lớn các đề tài nghiên cứu trong nước trước đây chỉ tập trung vào xe hai bánh cân bằng cố định trên địa hình phẳng (như Mai Tấn Đạt, Trương Ngọc Sơn, Nguyễn Minh Tâm), đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm lai giữa chân và bánh xe có thể thay đổi chiều cao chủ động.
  • So với công trình của nhóm nghiên cứu tiền nhiệm tại trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Nguyễn Minh Hoàng và Nguyễn Hữu Lộc, 2023) vốn chỉ thay đổi chiều cao chậm theo thời gian, đồ án này đã thiết kế cơ cấu cơ khí và bộ điều khiển LQR kết hợp hai trạng thái biên giúp hệ thống có khả năng thích ứng linh hoạt hơn tại các độ cao khác nhau.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Mô hình cơ khí do sinh viên tự thiết kế và gia công thủ công nên chưa có cơ sở hay công cụ tiêu chuẩn để đo lường, đánh giá độ bền vững cơ học và sai số tham số mô hình.
  2. Hệ thống sử dụng các linh kiện điện tử phổ thông, không chuyên dụng (mạch cầu L298N, động cơ DC JGB37-520, servo RC DS5180) nên thời gian đáp ứng và hiệu suất truyền động còn tồn tại nhiều giới hạn.
  3. Thử nghiệm thực tế mới chỉ thực hiện bài toán giữ thăng bằng và thay đổi chiều cao tại chỗ, chưa tính toán đến việc di chuyển bám quỹ đạo phức tạp hoặc khả năng mang thêm tải trọng ngoài.
  4. Phạm vi thay đổi chiều cao của robot còn tương đối hẹp, chỉ giới hạn trong dải biến thiên từ 230 mm đến 260 mm (độ dịch chuyển 30 mm).
  5. Việc xác định các thông số trong ma trận trọng số $Q$ và $R$ của bộ điều khiển LQR phụ thuộc vào phương pháp thử sai kết hợp đánh giá chủ quan của người thực hiện, chưa áp dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động để đạt chất lượng điều khiển tối ưu toàn cục.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp phần cứng cơ khí và sử dụng động cơ chuyên dụng có mô-men xoắn lớn, tốc độ đáp ứng cao hơn để mở rộng dải nâng hạ chiều cao và cải thiện độ cứng vững.
  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi hiện đại hoặc điều khiển thông minh tự chỉnh định tham số để bù trừ sai số mô hình và triệt tiêu nhiễu tác động.
  • Mở rộng thuật toán điều khiển để robot có thể di chuyển bám quỹ đạo phẳng, vượt qua chướng ngại vật có chiều cao lớn hơn bán kính bánh xe và kiểm thử khả năng mang tải trọng khi chuyển động.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Robotics đang thực hiện đồ án chuyên ngành, khóa luận tốt nghiệp về hệ thống con lắc ngược hai bánh, robot di động hoặc hệ thống điều khiển phi tuyến.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D): Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán lực và lựa chọn động cơ DC/Servo (mục 3.2.1), phương pháp thiết kế bo mạch vi điều khiển kép ATMEGA2560 - ATMEGA328, và kỹ thuật lập trình giao diện giám sát C# qua sóng RF Zigbee.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Phương pháp thiết kế bộ điều khiển LQR kết hợp (mục 4.4) ứng phó với sự biến thiên mô hình con lắc ngược khi thay đổi trọng tâm theo chiều cao, cùng hệ thống bản vẽ chi tiết 2D gia công cơ khí (chân hông, chân phụ, chân chính, thân robot).

Câu hỏi thường gặp

1. Khối lượng toàn bộ của robot là bao nhiêu và dải thay đổi chiều cao đạt được trong thực nghiệm là bao nhiêu?
Theo số liệu tính toán và kiểm nghiệm thực tế của tác giả (Bảng 3-5 và phần giới hạn đề tài), tổng khối lượng của robot là 4,23 kg và chiều cao có khả năng thay đổi trong phạm vi từ 230 mm đến 260 mm.

2. Động cơ nào được tác giả lựa chọn để dẫn động bánh xe và nâng hạ khớp hông robot?
Hệ thống sử dụng hai loại động cơ:

  • Cụm di chuyển bánh xe sử dụng 02 động cơ DC giảm tốc JGB37-520 tốc độ định mức 37 RPM, có gắn sẵn encoder đọc phản hồi góc quay.
  • Cụm nâng hạ khớp hông thay đổi chiều cao sử dụng 02 động cơ RC Servo DS5180 với mô-men xoắn cực đại 80 kg.cm.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng kết hợp hai vi điều khiển ATMEGA2560 và ATMEGA328?
Do mô hình toán học và giải thuật điều khiển LQR đòi hỏi khối lượng tính toán lớn với chu kỳ lấy mẫu nhanh, tác giả tách rời nhiệm vụ: ATMEGA2560 đóng vai trò điều khiển trung tâm (tính toán giải thuật LQR, đọc encoder, xuất tín hiệu PWM lái động cơ), còn ATMEGA328 phụ trách việc đọc dữ liệu cảm biến quán tính và xử lý truyền thông không dây RF Zigbee, kết nối trao đổi dữ liệu với nhau qua giao thức UART.

4. Khung thân robot và các khâu của chân robot được chế tạo từ những vật liệu gì?
Phần thân robot được in 3D bằng nhựa PLA; phần chân phụ và chân hông được gia công bằng nhựa mica nhằm đảm bảo tính định hình và chịu lực kéo nén phụ; phần chân chính chịu tải trọng toàn bộ hệ thống được gia công bằng hợp kim nhôm để đảm bảo độ bền cơ học.

5. Bộ điều khiển LQR giải quyết bài toán thay đổi chiều cao của robot như thế nào?
Tác giả tuyến tính hóa mô hình động lực học của robot tại hai vị trí biên: tư thế thấp nhất (230 mm) và tư thế cao nhất (260 mm) để thiết kế hai bộ hệ số khuếch đại LQR riêng biệt ($K_{low}$ và $K_{high}$). Sau đó, một bộ điều khiển LQR kết hợp được xây dựng để nội suy liên tục ma trận độ lợi $K$ theo biến trạng thái chiều cao thực tế khi robot thực hiện nâng hạ tư thế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Nhật Tín đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu thông qua việc thiết kế, chế tạo thành công mô hình vật lý robot hai bánh tự cân bằng có khớp chân thay đổi chiều cao từ 230 mm đến 260 mm với khối lượng 4,23 kg. Đề tài đã xây dựng thành công mô hình động lực học phi tuyến, triển khai hiệu quả giải thuật điều khiển LQR kết hợp trên nền tảng vi điều khiển kép ATMEGA2560 - ATMEGA328 và thiết lập giao diện giám sát C# qua mạng không dây Zigbee. Dù còn một số hạn chế về phạm vi chiều cao và thử nghiệm mới dừng ở mức cân bằng tại chỗ, công trình đã đóng góp một giải pháp kỹ thuật rõ ràng, mở ra hướng phát triển thiết thực cho dòng robot di động lai bánh - chân tại Việt Nam.