I. Tổng Quan Dự Án Robot 4 Bậc Tự Do Ứng Dụng Tiềm Năng
Dự án robot 4 bậc tự do nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để mô phỏng chuyển động trên các phương tiện như tàu thủy, máy bay. Các hệ thống robot 4 bậc tự do đang ngày càng được ưa chuộng do tính hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế như nghiên cứu, diễn tập và giải trí. Trong bối cảnh đó, dự án tập trung vào việc sử dụng robot 4 bậc tự do để mô phỏng chuyển động trên tàu thủy, từ đó kiểm tra và hoàn thiện các tính năng hoạt động của thiết bị trong môi trường phòng thí nghiệm. Việc chế tạo hệ thống robot này vô cùng cần thiết để phục vụ các nghiên cứu chạy thử nghiệm hệ thống trước khi triển khai vào điều kiện thực tế, giúp kiểm soát và tối ưu các thông số của thiết bị. Đề tài này xuất phát từ đề tài “Nghiên cứu phát triển sản phẩm thương mại hóa trạm thu di động tín hiệu truyền hình vệ tinh ứng dụng trên tàu biển” (QG.89).
1.1. Tính Cấp Thiết Của Robot 4 Bậc Tự Do Trên Tàu Thủy
Việc chế tạo robot giúp mô phỏng các chuyển động như chuyển động thực của tàu thủy trong không gian ba chiều. Các thông số chuyển động khác nhau này phục vụ cho việc chạy thử thiết bị trạm thu di động thông tin vệ tinh. Sản phẩm thiết kế, chế tạo robot công nghiệp được trong luận văn này có thể tiếp tục được nghiên cứu phát triển hướng tới các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác cả trong nghiên cứu và thực tiễn.
1.2. Ý Nghĩa Khoa Học và Thực Tiễn Của Ứng Dụng Robot Hàng Hải
Việc chạy thử nghiệm hệ thống trạm thu di động thông tin vệ tinh trong phòng thí nghiệm được mô phỏng như chạy thật của tàu biển. Các chế độ rung, lắc, nghiêng, quay trái phải, chòng chành,… khác nhau ứng với các điều kiện thời tiết khác nhau chỉ có thể thực hiện được khi sử dụng một hệ thống robot được lập trình tự động điều khiển với các hệ thống cảm biến kèm theo. Việc chế tạo robot thành công giúp tiết kiệm chi phí, thời gian, cho nội dung chạy thử hệ thống thiết bị trong điều kiện phòng thí nghiệm. Đánh giá được các thông số đáp ứng, làm việc, độ bền, độ linh hoạt của hệ thống, có thể thử nghiệm trong thời gian dài 24/7 để đánh giá mà trong điều kiện dã ngoại thực tế rất khó thực hiện.
II. Thách Thức Yêu Cầu Thiết Kế Robot Mô Phỏng Chuyển Động
Việc mô phỏng chuyển động của tàu thủy đặt ra nhiều thách thức trong thiết kế robot. Yêu cầu quan trọng là phải tạo ra một mô hình có khả năng tái tạo chính xác các dao động và chuyển động phức tạp của tàu. Mục tiêu là thay thế phương pháp thủ công mô phỏng chuyển động, vốn tốn kém và không hiệu quả, bằng một phương pháp tự động hóa nhanh chóng, đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn. Mô hình robot cần phải mô phỏng sự thay đổi về các góc phương hướng của hệ thống antenna thu phát sóng trên thuyền. Vị trí và phương hướng trong không gian của hệ thống antenna phải được xác định chính xác, liên quan đến khung tham chiếu cố định với tàu.
2.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Chuyển Động Tàu Thủy Hiệu Quả
Thiết kế của đề tài đó là xây dựng được một mô hình robot có khả năng mô phỏng lại được các chuyển động trên tàu thủy. Cụ thể hơn, kết quả của đề tài sẽ mô phỏng lại sự thay đổi về các góc phương hướng của hệ thống antena thu phát sóng đặt trên thuyền. Vị trí và phương hướng trong không gian của một vật thể, trong trường hợp này là hệ thống antena thu phát sóng, được xác định như một vị trí và phương hướng của một khung tham chiếu chính đặt trong một khung tham chiếu khác cố định với vật thể.
2.2. Phương Pháp Biểu Diễn Phương Hướng Vật Thể Trong Không Gian
Để biểu diễn phương hướng có rất nhiều phương pháp, trong đó Leonhard Euler là người tiên phong trong việc này, ông đã tưởng tượng ra 03 khung tham chiếu có thể quay lần lượt vòng quanh nhau và nhận ra rằng bằng cách sử dụng một khung tham chiếu cố định và biểu diễn ba vòng quay, ông có thể dùng biểu diễn bất kỳ khung tham chiếu nào khác trong không gian. Giá trị thu được của biểu diễn ba vòng quay được gọi là các góc Euler [5].
III. Tổng Quan Robot Công Nghiệp Phân Loại Ứng Dụng Thực Tế
Khái niệm robot đã được các nhà khoa học định nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, điểm chung là đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Robot ban đầu xuất hiện dưới dạng đơn giản như tay máy công nghiệp, sau đó phát triển đa dạng để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Sự phát triển không chỉ giới hạn ở cấu trúc mà còn cả điều khiển, với những robot có khả năng “suy nghĩ” và có cảm xúc. Để phân loại robot, ta có thể dựa vào các yếu tố như dạng hình học không gian hoạt động, thế hệ, bộ điều khiển, nguồn dẫn động hoặc kết cấu.
3.1. Phân Loại Robot Theo Hình Học Không Gian Hoạt Động
Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản, có thể bổ sung thêm các bậc chuyển động để tăng độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc. Các loại bao gồm: Robot tọa độ vuông góc (ba chuyển động tịnh tiến), Robot tọa độ trụ (hai tịnh tiến, một quay), Robot tọa độ cầu (một tịnh tiến, hai quay), và Robot khớp bản lề (ba quay).
3.2. Phân Loại Robot Theo Thế Hệ Phát Triển
Theo quá trình phát triển, robot được chia thành các thế hệ: Thế hệ thứ nhất (hoạt động lặp lại theo chu trình), Thế hệ thứ hai (trang bị cảm biến, điều khiển thích nghi cấp thấp), Thế hệ thứ ba (xử lý phản xạ logic, điều khiển thích nghi), Thế hệ thứ tư (lựa chọn đáp ứng tuân theo mô hình tính toán), và Thế hệ thứ năm (sử dụng trí tuệ nhân tạo, nhận dạng tiếng nói, hình ảnh).
3.3. Phân Loại Robot Theo Kết Cấu Động Học
Theo kết cấu động học, robot được phân loại thành hai loại chính: robot nối tiếp và robot song song. Trong kết cấu nối tiếp, tất cả các trục chuyển động được bố trí nối tiếp, mỗi khâu động được liên kết với các khâu khác nhờ các khớp động. Ngược lại, robot song song có thể xem như một chuỗi động học kín, mỗi khâu liên kết với ít nhất hai khâu khác, với tất cả các trục tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên bàn công tác.
IV. Thiết Kế Cơ Khí Robot 4 Bậc Tự Do Lựa Chọn Mô Hình
Trên thị trường hiện có nhiều mô hình robot song song (3 hoặc 4 bậc tự do) để mô phỏng chuyển động trong thí nghiệm và giải trí. Ở Việt Nam, Viện Cơ học đã nghiên cứu và đưa ra sản phẩm thực tế về robot song song 6 bậc tự do (hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí, nhưng chưa được áp dụng rộng rãi. Các nghiên cứu khác thường chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng. Các mô hình robot có sẵn trên thị trường khác nhau về số bậc tự do và chi phí.
4.1. Đánh Giá Các Mô Hình Robot Song Song Hiện Có Trên Thị Trường
Hiện nay, trên thì trường cũng có sẵn rất nhiều mô hình robot song song (3 hoặc 4 bậc tự do) để ứng dụng trong việc mô phỏng các chuyển động phục vụ mục đích thí nghiệm và giải trí. Riêng ở Việt Nam mới chỉ có đề tài nghiên cứu về robot song song 6 bậc tự do (hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí do Viện Cơ học nghiên cứu và đưa ra sản phẩm thực tế; sản phẩm này chưa áp dụng rộng rãi trên thị trường.
4.2. Lựa Chọn Mô Hình Robot Song Song 4 Bậc Tự Do
Dựa trên đánh giá, mô hình robot song song 4 bậc tự do được lựa chọn cho dự án. Mô hình này phù hợp với yêu cầu mô phỏng chuyển động trên tàu thủy, cho phép tái tạo các góc nghiêng, ngẩng, cuộn và chuyển động quay. Việc lựa chọn mô hình này cần cân nhắc đến các yếu tố như độ chính xác, khả năng chịu tải và chi phí.
V. Thiết Kế Điện Tử Robot 4 Bậc Lựa Chọn Linh Kiện
Thiết kế điện tử đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển chính xác các chuyển động của robot. Các thành phần quan trọng bao gồm động cơ, encoder, cảm biến chuyển động và bộ KIT điều khiển. Việc lựa chọn các thiết bị này cần dựa trên các thông số kỹ thuật và yêu cầu của hệ thống robot, đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và chính xác.
5.1. Tính Toán và Lựa Chọn Động Cơ Phù Hợp Cho Robot
Việc lựa chọn động cơ cần dựa trên các yếu tố như mô-men xoắn, tốc độ, và độ chính xác. Các loại động cơ phổ biến bao gồm động cơ bước, động cơ DC servo và động cơ AC servo. Tính toán công suất và kích thước động cơ để đảm bảo khả năng đáp ứng các yêu cầu chuyển động của robot.
5.2. Encoder Đo Lường Vị Trí và Tốc Độ Động Cơ Chính Xác
Encoder được sử dụng để đo lường vị trí và tốc độ của động cơ, cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống điều khiển. Lựa chọn encoder với độ phân giải phù hợp để đảm bảo độ chính xác của chuyển động. Các loại encoder phổ biến bao gồm encoder quang và encoder từ.
5.3. Cảm Biến Chuyển Động Phát Hiện và Đo Lường Gia Tốc Vận Tốc Góc
Cảm biến chuyển động như MPU 6050 được sử dụng để phát hiện và đo lường gia tốc và vận tốc góc của robot. Thông tin từ cảm biến này giúp hệ thống điều khiển điều chỉnh chuyển động để đạt được độ ổn định và chính xác cao nhất.
VI. Điều Khiển Robot 4 Bậc Tự Do Thuật Toán PID Lọc Số
Việc điều khiển robot 4 bậc tự do đòi hỏi các thuật toán phức tạp để đảm bảo độ chính xác và ổn định. Thuật toán PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến được sử dụng để điều chỉnh các tham số của robot. Ngoài ra, các bộ lọc số như Kalman và Complementary giúp loại bỏ nhiễu và cải thiện độ chính xác của hệ thống điều khiển.
6.1. Thuật Toán PID Điều Khiển Chính Xác Chuyển Động Robot
Thuật toán PID là một phương pháp điều khiển vòng kín, sử dụng các thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) để điều chỉnh đầu ra của hệ thống. Các tham số Kp, Ki và Kd được điều chỉnh để đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu. Thử nghiệm thực tế với các bộ thông số PID khác nhau để tìm ra giá trị phù hợp nhất cho robot.
6.2. Bộ Lọc Số Kalman và Complementary Loại Bỏ Nhiễu
Bộ lọc số Kalman và Complementary được sử dụng để loại bỏ nhiễu và cải thiện độ chính xác của cảm biến. Bộ lọc Kalman là một thuật toán đệ quy ước tính trạng thái của hệ thống dựa trên các phép đo có nhiễu. Bộ lọc Complementary kết hợp thông tin từ nhiều cảm biến để tạo ra ước tính chính xác hơn.
