Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Robot song song điều khiển bằng cáp (Cable-Driven Parallel Robot - CDPR) là một phân nhánh đặc thù của cấu trúc robot song song, trong đó các khâu động cứng truyền thống được thay thế hoàn toàn bằng các sợi cáp mềm linh hoạt kết nối giữa khung cố định và khâu tác động cuối (End-Effector). Nhờ đặc tính cơ học của dây cáp, CDPR sở hữu nhiều ưu điểm vượt bậc so với robot chuỗi hở hoặc robot song song liên kết cứng, bao gồm quán tính chuyển động nhỏ, tỷ số trọng tải trên trọng lượng bản thân cao, tốc độ và gia tốc di chuyển lớn, cùng khả năng mở rộng không gian làm việc tới quy mô công nghiệp lớn mà không đòi hỏi kết cấu khung cồng kềnh. Trên thế giới, công nghệ này đã được áp dụng trong các công trình nổi bật như hệ thống camera trường quay sân vận động SKYCAM hoặc hệ thống thu tín hiệu của kính viễn vọng vô tuyến FAST đường kính 500 m tại Trung Quốc.

Tuy nhiên, việc triển khai CDPR trên quy mô không gian lớn gặp phải rào cản kỹ thuật nghiêm trọng liên quan đến hạ tầng điều khiển. Các mạng công nghiệp truyền thống (như CAN tiêu chuẩn, RS485 hay Ethernet công nghiệp thông thường) bộc lộ nhược điểm lớn về giới hạn khoảng cách truyền dẫn, độ trễ và thời gian chu kỳ phản hồi, gây suy giảm tính linh hoạt và làm giảm tính ổn định trong bài toán đồng bộ đa trục cơ cấu chấp hành. Để giải quyết bài toán này, giao thức truyền thông thời gian thực EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) nổi lên như một giải pháp tối ưu nhờ khả năng tối ưu hóa lớp liên kết dữ liệu, mang lại thời gian chu kỳ dưới 100 μs, độ trôi giao tiếp (jitter) nhỏ hơn 1 μs, cấu hình Master - Slave linh hoạt và chi phí triển khai thấp.

Đề tài tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo Planar Cable Robot" (Mã số đề tài: CDT-48) được thực hiện bởi nhóm tác giả Nguyễn Việt Trung, Lê Đỗ Hậu và Trần Trung Đức dưới sự hướng dẫn của GVC.ThS Tưởng Phước Thọ tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 07/2024). Đề tài tập trung xây dựng một mô hình robot cáp phẳng 3 bậc tự do (Planar Cable Robot), giải quyết bài toán phân bố lực căng và truyền thông điều khiển đồng bộ nhiều trục nhằm ứng dụng trong các tác vụ công nghiệp như cắt laser tấm phẳng khổ lớn hoặc gia công bề mặt 2D.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu, tính toán bài toán động học thuận, động học nghịch, quy hoạch quỹ đạo và phương trình động lực học của mô hình CDPR trong mặt phẳng.
  2. Thiết kế cơ cấu chấp hành, cuộn rulo trữ cáp và hệ thống tời cơ khí nhằm giảm thiểu hiện tượng chồng chéo cáp, nâng cao độ chính xác chuyển động.
  3. Vận dụng kiến thức điều khiển động cơ AC Servo thông qua giao thức truyền thông công nghiệp EtherCAT kết nối với phần mềm điều khiển thời gian thực và mô phỏng trên MATLAB.
  4. Phân tích và cấu hình giao thức truyền thông EtherCAT để điều khiển đồng bộ 4 bộ truyền động cùng lúc theo cấu trúc Master - Slave.
  5. Thực hiện lập trình hệ thống bằng ngôn ngữ bậc cao Structured Text (ST) trên nền tảng phần mềm TwinCAT 3 và xây dựng giao diện vận hành HMI.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc robot cáp song song phẳng 3 bậc tự do (Planar CDPR) điều khiển bằng 4 sợi cáp kết hợp 4 động cơ AC Servo; giải thuật phân bố lực căng dây cáp; giải thuật nội suy quỹ đạo và giao thức truyền thông EtherCAT.
  • Phạm vi không gian: Khung cơ khí thử nghiệm dạng khối lập phương có kích thước bao $1.2 \times 1.2 \times 1.2\text{ m}$, giới hạn không gian làm việc phẳng hữu ích (planar workspace) là $1.0 \times 1.0\text{ m}$.
  • Phạm vi thời gian và thực nghiệm: Đề tài thực hiện trong học kỳ II năm học 2023 - 2024 (nộp báo cáo ngày 30/06/2024); đánh giá thực nghiệm dựa trên các quỹ đạo điểm ngẫu nhiên, quỹ đạo tròn và quỹ đạo vuông, đồng thời so sánh hành vi cơ học giữa dây cước và dây cáp inox.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên sự kết hợp liên ngành giữa động học - động lực học robot song song, nguyên lý chi tiết máy, sức bền vật liệu, giải thuật nội suy CNC và công nghệ điều khiển chuyển động số.

1. Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Mô hình động học và động lực học CDPR: Mô hình hóa không gian làm việc phẳng của khâu tác động cuối với 3 bậc tự do (2 bậc dịch chuyển tịnh tiến $X, Y$ và 1 bậc quay quanh trục $Z$ vuông góc với mặt phẳng làm việc). Thiết lập phương trình ma trận cấu trúc (Structure Matrix / Jacobian Matrix) liên hệ giữa vận tốc khâu công tác và vận tốc thu xả của từng sợi cáp.
  • Bài toán phân bố lực căng cáp bằng Quy hoạch bậc hai (Quadratic Programming): Vì dây cáp chỉ có khả năng chịu kéo chứ không thể chịu nén ($T_i \ge T_{\min} > 0$), hệ thống có 4 dây dẫn động cho 3 bậc tự do trở thành hệ thống thừa dẫn động (redundant actuation). Tác giả thiết lập bài toán tối ưu hóa bậc hai với hàm mục tiêu giảm thiểu năng lượng hoặc cực tiểu hóa bình phương lực căng cáp, đặt trong các điều kiện ràng buộc lực căng $T_{\min} \le T_i \le T_{\max}$ (với giới hạn lực căng lớn nhất thiết lập trong tính toán là $T_{\max} = 20\text{ N}$) nhằm đảm bảo robot luôn ở trạng thái căng cứng và loại bỏ hiện tượng võng cáp.
  • Mô hình thân chịu nén (Compressive Body Model): Khung cơ khí và các liên kết được phân tích như một hệ thống chịu nén đối kháng với tổng hợp lực căng do 4 sợi cáp kéo về các góc.

2. Giải thuật nội suy quỹ đạo chuyển động

Đồ án áp dụng hai giải thuật nội suy kinh điển của hệ thống điều khiển số CNC để tạo quỹ đạo mịn màng cho đầu công tác:

  • Giải thuật vi sai số DDA (Digital Differential Analyzer) trong nội suy đường thẳng: Tính toán khoảng cách dịch chuyển $L = \sqrt{A^2 + B^2}$, trong đó $A$ và $B$ là khoảng cách dịch chuyển mong muốn theo trục $X$ và $Y$. Bộ điều khiển tích lũy các biến $Q_1, Q_2$ và so sánh với $L$ trong từng chu kỳ điều khiển để quyết định phát xung đơn vị BLU (Basic Length Unit) cho trục $X$, trục $Y$ hoặc cả hai trục cùng lúc, đảm bảo sai lệch bám quỹ đạo không vượt quá 1 BLU.
  • Thuật toán xấp xỉ bậc thang và xấp xỉ bậc thang cải tiến trong nội suy cung tròn: Đánh giá hàm sai số bán kính $D_k = X_k^2 + Y_k^2 - R^2$ tại mỗi bước dịch chuyển. Để khắc phục nhược điểm của thuật toán xấp xỉ bậc thang truyền thống (chỉ cho phép từng trục di chuyển đơn lẻ làm tăng thời gian nội suy và giảm độ mượt), tác giả áp dụng thuật toán cải tiến bằng cách bổ sung 3 điều kiện kiểm tra $D_1 = D + X$, $D_2 = D - Y$ và $D_3 = D + X - Y$, cho phép nội suy chuyển động đồng thời cả hai trục $X$ và $Y$ khi giá trị $D_3$ đạt cực tiểu.

3. Phương pháp nghiên cứu và công cụ thực tế

  • Phương pháp mô hình hóa và kiểm nghiệm bền: Thiết kế 3D toàn bộ cụm tời, khung máy và đầu công tác trên phần mềm SolidWorks. Sử dụng mô-đun SolidWorks Simulation (phương pháp phần tử hữu hạn - FEA) để kiểm tra ứng suất tương đương Von Mises, biến dạng tương đương và chuyển vị tại các vị trí chịu lực chính.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng MATLAB để giải hệ phương trình động học thuận - nghịch, mô phỏng quy hoạch không gian làm việc khả thi và tính toán vận tốc góc của trục tời.
  • Phương pháp thực nghiệm điều khiển: Xây dựng phần cứng tủ điện với mạng EtherCAT Master (máy tính cài đặt TwinCAT 3) và 4 Slaves (driver Omron G5), lập trình bằng ngôn ngữ Structured Text (ST) theo chuẩn IEC 61131-3, xuất xung điều khiển vị trí và giám sát lực căng/vận tốc trên giao diện HMI.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tính toán cơ học lý thuyết; thông số danh định của nhà sản xuất Omron cho động cơ và servo driver; dữ liệu trích xuất từ phần mềm SolidWorks FEA; dữ liệu tọa độ thực tế và lực kéo đo đạc trong quá trình vận hành thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống Planar Cable Robot được thiết kế thành một chỉnh thể hoàn chỉnh gồm kết cấu cơ khí, trang thiết bị điện tử - công suất và cấu trúc mạng điều khiển phân tán.

1. Kiến trúc cơ khí và cơ cấu trải cáp chống chồng chéo

Hệ thống cơ khí bao gồm khung chính bằng nhôm định hình kích thước bao $1.2 \times 1.2 \times 1.2\text{ m}$. Cấu trúc khung sử dụng ba loại tiết diện: nhôm $40 \times 40\text{ mm}$ làm 4 trụ đứng chịu lực chính; nhôm $30 \times 30\text{ mm}$ và $20 \times 20\text{ mm}$ làm các thanh giằng liên kết ngang và gá lắp bảng điện. Không gian làm việc phẳng được thiết lập bên trong khung với kích thước hiệu dụng $1.0 \times 1.0\text{ m}$.

Thông số kỹ thuật cơ bản Giá trị danh định
Số bậc tự do (DOF) 3 bậc tự do (mặt phẳng X-Y và góc xoay Z)
Số lượng dây cáp điều khiển 4 sợi cáp độc lập
Kích thước khung bao ngoài $1.2 \times 1.2 \times 1.2\text{ m}$
Không gian làm việc hữu ích $1.0 \times 1.0\text{ m}$
Tải trọng làm việc tối đa $5.0\text{ kg}$
Tải trọng làm việc tối thiểu $0.1\text{ kg}$
Tốc độ di chuyển tối đa $2000\text{ mm/s}$ ($2.0\text{ m/s}$)

Tại bốn góc của khung máy, nhóm tác giả bố trí bốn cụm tời kéo cáp đồng dạng. Để loại bỏ hiện tượng chồng chéo dây cáp trên tang tời (vốn làm thay đổi bán kính quấn dây và gây sai số nghiêm trọng cho mô hình động học), nhóm đã chế tạo cơ cấu trải cáp dẫn hướng đồng bộ:

  • Cuộn rulo trữ cáp: Chế tạo bằng nhựa PLA in 3D, chiều dài cuộn $122\text{ mm}$, khoảng cách giữa các đỉnh rãnh là $4\text{ mm}$, kích thước rãnh định hình $1.5\text{ mm}$, dung lượng trữ cáp $1\text{ m}$.
  • Bộ dẫn dây và truyền động đai: Bộ dẫn dây trượt dọc trên trục vít me M8 (bước ren dẫn $8\text{ mm}$ với 4 đầu mối ren, pitch $2\text{ mm}$). Trục vít me được truyền động từ trục cuộn rulo thông qua bộ truyền đai răng GT2 bản rộng, chiều dài dây đai $L = 200\text{ mm}$.
  • Thông số truyền đai: Bánh đai chủ động $Z_1 = 30$ răng ($d_1 = 20\text{ mm}$); bánh đai bị động $Z_2 = 60$ răng ($d_2 = 40\text{ mm}$); tỷ số truyền $i = Z_1 / Z_2 = 1/2$. Khoảng cách trục tính toán $a \approx 55\text{ mm}$; góc ôm trên bánh đai nhỏ $\alpha \approx 159.5^\circ$.
  • Dây cáp: Sử dụng cáp lụa thép bọc nylon đường kính $1\text{ mm}$, cấu tạo 7 lõi, tải trọng kéo đứt $20\text{ kg}$, tổng chiều dài trang bị $10\text{ m}$.

2. Kiểm nghiệm độ bền kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA)

Tác giả đã tiến hành phân tích ứng suất Von Mises và chuyển vị trên phần mềm SolidWorks Simulation cho từng chi tiết của cụm tời nhằm đảm bảo tính ổn định cơ học:

Bộ phận kiểm nghiệm Vật liệu chế tạo Tải trọng tác dụng Ứng suất tương đương max (MPa) Chuyển vị tối đa (mm) Biến dạng tương đương max
Giá đỡ động cơ AC Thép C45 $F = mg = 12\text{ N}$ (trọng lượng động cơ) $13.68$ $0.044$ $0.000045$
Tấm đế bộ tời Thép C45 $F = mg = 50\text{ N}$ (trọng lượng bộ tời) $0.0906$ $0.0000012$ $0.0000003$
Long đền chịu siết Thép C45 $F = 3\text{ N}$ (lực siết bu lông) $0.4521$ $0.0000030$ $0.0000018$
Tấm mặt phải Thép C45 $F = mg = 25\text{ N}$ (nửa khối lượng tời) $0.7209$ $0.0000230$ $0.0000028$
Tấm mặt trái Thép C45 $F = mg = 25\text{ N}$ (nửa khối lượng tời) $0.8044$ $0.0000230$ $0.0000031$
Bộ điều hướng dây Thép C45 $M = F \cdot d = 25 \times 0.75\text{ N}\cdot\text{m}$ $0.1985$ $0.0000010$ $0.0000008$
Cuộn thu dây (Rulo) Nhựa PLA $M_{\max} = 3.8\text{ N}\cdot\text{m}$ (mô-men xoắn motor) $109.55$ $1.2280000$ $0.0381000$

Kết quả mô phỏng cho thấy các chi tiết gia công từ thép C45 đều có biên độ an toàn rất cao với biến dạng và ứng suất nhỏ. Riêng cuộn thu dây in 3D bằng nhựa PLA chịu ứng suất cục bộ tương đối cao ($109.55\text{ MPa}$) tại vị trí ngàm trục, do đó tác giả lưu ý cần tối ưu hóa mật độ in hoặc thay thế bằng vật liệu nhôm trong các phiên bản công nghiệp tải trọng lớn.

3. Thiết kế hệ thống điện và cấu trúc điều khiển qua mạng EtherCAT

  • Bộ truyền động: Sử dụng 4 động cơ AC Servo Omron mã hiệu R88M-K40030H-S2 (công suất $400\text{ W}$, điện áp $230\text{ V}$, tốc độ định mức $3000\text{ rpm}$, mô-men xoắn cực đại $3.8\text{ N}\cdot\text{m}$, đường kính trục $14\text{ mm}$, khối lượng $1.2\text{ kg}$).
  • Trình điều khiển (Driver): 4 bộ Servo Driver Omron dòng G5 mã hiệu R88D-KN04H-ECT tích hợp sẵn giao diện mạng EtherCAT thời gian thực, hỗ trợ hồ sơ thiết bị CoE (CANopen over EtherCAT - CiA 402).
  • Tính toán cơ sở chọn công suất động cơ: Với vận tốc mong muốn của khớp $v_{\text{desired}} = 2.0\text{ m/s}$ và bán kính cuộn rulo $r_{\text{rulo}} = 0.024\text{ m}$, vận tốc góc yêu cầu trên trục động cơ là $\omega_{\text{motor}} = v_{\text{desired}} / r_{\text{rulo}} = 2.0 / 0.024 = 83.33\text{ rad/s}$. Công suất làm việc tính toán là $P_{\text{lv}} = (F \cdot v) / 1000 = (25 \times 2) / 1000 = 0.05\text{ kW} = 50\text{ W}$. Với hiệu suất ổ lăn $\eta = 0.99$, công suất cần thiết trên trục là $P_{\text{ct}} = 50 / 0.99 = 50.99\text{ W}$. Động cơ $400\text{ W}$ đáp ứng dư công suất để khắc phục quán tính và duy trì dự phòng lực căng.
  • Cấu hình mạng và phần mềm: Máy tính điều khiển đóng vai trò EtherCAT Master chạy phần mềm TwinCAT 3 (môi trường eXtended Automation Engineering - XAE), kết nối với 4 driver (Slave) theo cấu trúc chuỗi móc vòng (daisy chain). Chương trình điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ Structured Text (ST) để xử lý dữ liệu động học, tính toán số xung, giải quyết bài toán vận tốc và lực căng, đồng thời kết xuất dữ liệu lên giao diện điều khiển và giám sát (HMI).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập bức tranh tổng thể về đề tài thông qua việc phân tích nhu cầu ứng dụng các dòng tay máy linh hoạt trong sản xuất hiện đại. Tác giả trình bày chi tiết định nghĩa, cấu tạo của robot song song truyền động bằng cáp (CDPR) và so sánh đặc tính kỹ thuật với robot truyền thống. Lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ tiềm năng của Planar Cable Robot trong các tác vụ mặt phẳng lớn (như máy cắt laser khổ lớn bằng cách treo đầu cắt trên 4 góc cáp) nhưng mạng truyền thông điều khiển phải đủ nhanh để giải quyết bài toán đồng bộ. Chương này cũng công bố mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và sản phẩm dự kiến gồm thuyết minh, bản vẽ kỹ thuật và mô hình vật lý.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa cơ sở khoa học đa ngành phục vụ thiết kế:

  • Nêu ba nguyên tắc chế tạo robot và cơ sở lý thuyết về vật liệu học, dung sai đo lường, nguyên lý chi tiết máy, điện - điện tử và lập trình.
  • Trình bày sâu về giải thuật nội suy trong điều khiển chuyển động: giải thuật DDA cho chuyển động đường thẳng kèm lưu đồ tính toán các biến $Q_1, Q_2, L$; thuật toán xấp xỉ bậc thang kinh điển cho nội suy cung tròn trong 4 góc phần tư chuyển động CW và CCW; phát triển thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến dựa trên việc bổ sung ba biểu thức điều kiện $D_1, D_2, D_3$ nhằm tối ưu hóa chu kỳ điều khiển bằng cách di chuyển đồng thời 2 trục.
  • Tổng quan các công trình nghiên cứu CDPR trên thế giới (hệ thống SKYCAM, kính thiên văn FAST) và tại Việt Nam (nghiên cứu robot in 3D bê tông 8 cáp tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nghiên cứu thuật toán phân bố lực căng 4 cáp, robot cáp quay phim không gian $20 \times 20 \times 10\text{ m}$).

Chương 3: Hệ thống cơ khí

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế và thẩm tra kết cấu cơ khí của Planar Cable Robot:

  • Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống phần cứng và tương tác phần mềm giữa MATLAB, TwinCAT 3 và driver Servo.
  • Công bố bảng thông số kỹ thuật chuẩn (kích thước khung $1.2\text{ m}$, hành trình làm việc $1 \times 1\text{ m}$, vận tốc $2000\text{ mm/s}$, tải trọng $0.1 - 5\text{ kg}$).
  • Thiết kế chi tiết khung nhôm định hình kết hợp hệ thống 4 tời gắn ở 4 góc; thiết kế rulo cuộn cáp ($122\text{ mm}$), puly dẫn hướng và bộ dẫn dây chống chồng chéo.
  • Tính toán chi tiết bộ truyền đai răng GT2 ($Z_1 = 30$, $Z_2 = 60$, khoảng cách trục $a \approx 55\text{ mm}$, góc ôm $159.5^\circ$) truyền động cho vít me bước $8\text{ mm}$.
  • Tính toán lựa chọn động cơ AC Servo Omron $400\text{ W}$ thông qua bài toán cân bằng công suất và mô-men xoắn.
  • Thực hiện kiểm nghiệm ứng suất tương đương, chuyển vị và biến dạng của 7 cụm chi tiết (gá động cơ, tấm đế, long đền, tấm mặt trái/phải, bộ điều hướng, rulo nhựa PLA) trên SolidWorks Simulation.

Chương 4: Động học

Chương 4 đóng vai trò cốt lõi về mặt toán học cho việc điều khiển robot:

  • Xây dựng mô hình hình học và thiết lập công thức tính toán động học nghịch đảo (Inverse Kinematics): xác định chính xác chiều dài 4 sợi cáp $l_i$ ($i = 1 \dots 4$) từ vị trí tọa độ $(x, y)$ và góc xoay $\theta$ của End-Effector.
  • Phân tích động học thuận (Forward Kinematics) và bài toán xác định tọa độ khâu tác động cuối dựa trên chiều dài cáp thực tế.
  • Khảo sát giới hạn định hướng của End-Effector, phân tích 4 trường hợp góc giới hạn $\gamma_1, \gamma_2, \gamma_3, \gamma_4 = 180^\circ$ khi các sợi cáp chạm tới biên không gian khả thi.
  • Xây dựng bài toán phân bố lực căng cáp thông qua thuật toán quy hoạch bậc hai, giải quyết bài toán chống chùng dây với lực căng tối đa $T_{\max} = 20\text{ N}$.
  • Phân tích không gian làm việc khả thi (Wrench-Feasible Workspace), mô hình thân chịu nén của kết cấu khung và thiết lập phương trình vi phân chuyển động (động học vận tốc và động lực học CDPR).

Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển và giải thuật điều khiển

Nội dung chương 5 làm rõ việc hiện thực hóa điều khiển số trên phần cứng thực:

  • Phân tích chuyên sâu về mạng truyền thông công nghiệp: so sánh Ethernet tiêu chuẩn và EtherCAT; làm rõ cơ chế EtherCAT loại bỏ lớp 3 đến lớp 6 trong mô hình mạng OSI giúp đạt chu kỳ dưới $100\text{ }\mu\text{s}$ và jitter dưới $1\text{ }\mu\text{s}$; phân tích cấu trúc Master - Slave và giao thức CANopen (CoE).
  • Giới thiệu thông số phần cứng: động cơ AC Servo Omron R88M-K40030H-S2 và Driver R88D-KN04H-ECT; trình bày chi tiết sơ đồ đấu nối chân tín hiệu, mạch động lực, mạch điều khiển và sơ đồ bố trí thiết bị bên trong tủ điện công nghiệp.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống, giải quyết thuật toán phối hợp vận tốc và điều khiển lực căng theo thời gian thực.
  • Triển khai ngôn ngữ Structured Text (ST) trong môi trường TwinCAT 3 để điều khiển 4 trục đồng bộ, đồng thời thiết kế giao diện điều khiển và giám sát (HMI) mô phỏng và thực thi.

Chương 6: Mô phỏng, thực nghiệm và phân tích

Chương 6 cung cấp các kết quả thực nghiệm kiểm chứng toàn diện các nội dung lý thuyết:

  • Mô phỏng trên MATLAB: thực hiện quy hoạch quỹ đạo chuyển động tròn và chuyển động qua nhiều điểm ngẫu nhiên; trích xuất đồ thị biến thiên chiều dài cáp theo thời gian.
  • Thi công hoàn thiện mô hình thực tế: lắp ráp khung cơ khí, cụm tời xả cáp, đấu nối tủ điện và bố trí thí nghiệm đo đạc lực căng cáp.
  • Tiến hành thực nghiệm chuyển động thực tế trên 3 dạng quỹ đạo: các điểm ngẫu nhiên, quỹ đạo đường tròn và quỹ đạo hình vuông.
  • Thực hiện so sánh đối chứng hành vi cơ học khi sử dụng hai loại cáp: dây cước và dây inox. Phân tích chi tiết các biểu đồ lực căng, vận tốc góc của các bộ thu xả và sai lệch tọa độ bám quỹ đạo hiển thị trên màn hình HMI.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng kết toàn bộ các hạng mục công việc đã hoàn thành trong đề tài, đối chiếu các kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu, chỉ rõ các điểm hạn chế về độ chính xác và đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm phát triển mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật định lượng

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm Planar Cable Robot hoàn chỉnh, đáp ứng các tiêu chuẩn cơ điện tử với các chỉ số hoạt động đo kiểm cụ thể:

  • Kết cấu cơ khí và truyền động: Hệ thống khung nhôm định hình $1.2 \times 1.2 \times 1.2\text{ m}$ vận hành ổn định trong không gian phẳng $1.0 \times 1.0\text{ m}$. Cơ cấu trải cáp với tỷ số truyền đai $i = 1/2$ phối hợp trục vít me M8 bước $8\text{ mm}$ đã loại bỏ hoàn toàn hiện tượng chồng cáp trên tang tời, giữ cố định bán kính quấn dây $r = 24\text{ mm}$.
  • Độ bền chi tiết: Toàn bộ 6 chi tiết kim loại bằng thép C45 đều vượt qua kiểm nghiệm ứng suất tương đương với hệ số an toàn lớn (ứng suất lớn nhất trên gá động cơ chỉ đạt $13.68\text{ MPa}$, nhỏ hơn rất nhiều giới hạn bền của thép C45).
  • Hệ thống điều khiển thời gian thực: Kết nối thành công 4 servo driver Omron G5 qua giao thức EtherCAT, đạt chu kỳ điều khiển đồng bộ ổn định dưới $100\text{ }\mu\text{s}$.
  • Hiệu năng bám quỹ đạo thực nghiệm: Hệ thống thực thi thành công các quỹ đạo chuyển động hình tròn, hình vuông và các điểm ngẫu nhiên. Thực nghiệm đã đo đạc và lượng hóa rõ sự chênh lệch giữa hai loại dây truyền động:
Tiêu chí khảo sát Sử dụng dây cước Sử dụng dây cáp inox
Độ giãn dài dưới tải trọng Độ giãn lớn, thay đổi phi tuyến theo lực căng Độ giãn cơ học rất nhỏ, độ cứng vững vững chắc
Độ ổn định lực căng Dao động lớn, dễ chùng dây tại các góc ngoặt Lực căng duy trì ổn định trong dải quy hoạch ($T \le 20\text{ N}$)
Độ chính xác bám quỹ đạo Sai lệch tọa độ lớn so với quỹ đạo chuẩn HMI Sai số nhỏ, bám sát quỹ đạo đường tròn và hình vuông

2. Đóng góp khoa học và kỹ thuật

  • Tích hợp thành công công nghệ truyền thông công nghiệp tiên tiến EtherCAT vào điều khiển mô hình CDPR tại Việt Nam, mở ra giải pháp mở rộng không gian làm việc của robot cáp lên quy mô hàng chục mét mà không bị suy hao tín hiệu hay trễ chu kỳ điều khiển.
  • Đề xuất và ứng dụng thành công thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trong nội suy cung tròn, giúp bộ điều khiển có thể điều khiển đồng thời 2 trục trong một chu kỳ tính toán, giảm thời gian nội suy và nâng cao độ mượt chuyển động.
  • Hoàn thiện chu trình khép kín từ mô phỏng lý thuyết (MATLAB) đến thiết kế kết cấu, thẩm tra ứng suất (SolidWorks FEA) và triển khai điều khiển thời gian thực trên nền tảng phần mềm công nghiệp chuyên dụng (TwinCAT 3 / Structured Text).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích thực nghiệm và đánh giá của nhóm tác giả trong Báo cáo tốt nghiệp, đề tài còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Độ chính xác bám quỹ đạo: Mặc dù dây cáp inox cho kết quả vượt trội so với dây cước, sai số vị trí giữa tọa độ thực tế và tọa độ chuẩn vẫn tồn tại do biến dạng đàn hồi dư của cáp, khe hở cơ khí tại các ổ bi dẫn hướng và hiện tượng trễ cơ học khi đảo chiều quay.
  • Hệ thống cảm biến lực căng: Hệ thống chưa tích hợp cảm biến đo lực căng trực tiếp tại các đầu neo dây cáp để phản hồi vòng kín (Closed-loop force feedback), việc kiểm soát lực căng hiện tại chủ yếu dựa trên bài toán quy hoạch bậc hai kết hợp giám sát mô-men xoắn của driver Servo.
  • Vật liệu cụm cuộn thu dây: Cuộn thu dây chế tạo bằng phương pháp in 3D nhựa PLA chịu ứng suất tương đương tập trung khá cao ($109.55\text{ MPa}$) và biến dạng đàn hồi $1.228\text{ mm}$, có nguy cơ mỏi hoặc nứt gãy nếu vận hành liên tục dưới tải trọng lớn.

Hướng phát triển tiếp theo được đề xuất:

  1. Chế tạo nâng cấp mô hình CDPR tích hợp công nghệ EtherCAT ở quy mô kích thước lớn hơn, đưa vào kiểm thử trong các môi trường công nghiệp thực tế.
  2. Ứng dụng các thuật toán phân phối lực căng thích nghi có bù độ võng và độ dãn dài đàn hồi của cáp theo thời gian thực nhằm nâng cao độ chính xác định vị.
  3. Thay thế cuộn thu dây in 3D bằng vật liệu hợp kim nhôm gia công CNC và tích hợp cảm biến tải trọng (loadcell) trực tiếp tại đầu công tác để thực hiện điều khiển lai lực - vị trí (hybrid force/position control).

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa và Kỹ thuật Robot: Tài liệu cung cấp ví dụ mẫu mực về quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh, kết nối đồng bộ từ tính toán động học robot song song, mô phỏng số trên MATLAB, thiết kế cơ khí 3D và thẩm tra FEA trên SolidWorks, đến lập trình PLC/SoftPLC chuẩn IEC 61131-3.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển chuyển động (Motion Control): Phần phân tích và cấu hình giao thức truyền thông EtherCAT Master - Slave kết hợp Driver Servo Omron G5 trên nền TwinCAT 3 bằng Structured Text (ST) là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng trực tiếp cho các bài toán điều khiển nhiều trục đồng bộ.
  • Các nhóm nghiên cứu về CDPR: Phương án thiết kế cụm tời kết hợp cơ cấu trải cáp đồng bộ bằng đai răng và vít me M8 giải quyết triệt để bài toán chồng cáp - một vấn đề thường gặp làm giảm độ chính xác trong các nghiên cứu robot dây.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình Planar Cable Robot trong đồ án có những thông số kỹ thuật cơ bản nào về kích thước, số bậc tự do và tải trọng?

Robot được thiết kế với cấu trúc chuyển động phẳng 3 bậc tự do (gồm 2 bậc tịnh tiến trong mặt phẳng $X-Y$ và 1 bậc quay quanh trục $Z$), được dẫn động bởi 4 sợi cáp độc lập. Kích thước khung bao ngoài bằng nhôm định hình là $1.2 \times 1.2 \times 1.2\text{ m}$, cho phép phạm vi làm việc hiệu dụng đạt $1.0 \times 1.0\text{ m}$. Tải trọng làm việc của đầu công tác dao động từ tối thiểu $0.1\text{ kg}$ đến tối đa $5.0\text{ kg}$, tốc độ di chuyển cực đại đạt $2000\text{ mm/s}$ ($2.0\text{ m/s}$).

2. Giải pháp kỹ thuật nào được nhóm tác giả sử dụng để giải quyết tình trạng chồng chéo và rối dây cáp trên cuộn thu xả?

Nhóm tác giả đã thiết kế cơ cấu trải cáp đồng bộ gắn liền trên từng cụm tời. Trục của cuộn rulo trữ cáp (có các rãnh định hình bước $4\text{ mm}$, rãnh sâu $1.5\text{ mm}$) được nối với trục vít me M8 (bước dẫn $8\text{ mm}$) thông qua bộ truyền đai răng GT2 có tỷ số truyền giảm tốc $i = Z_1 / Z_2 = 30 / 60 = 1/2$. Khi động cơ quay làm rulo cuốn cáp, trục vít me quay đồng thời với tốc độ bằng một nửa, dẫn hướng cho con trượt dẫn cáp tịnh tiến đúng một bước ren trên mỗi vòng quay của rulo, giúp cáp luôn rải đều vào rãnh và không bị chồng chéo.

3. Vì sao giao thức truyền thông EtherCAT được lựa chọn thay thế cho các mạng công nghiệp truyền thống trong hệ thống CDPR này?

CDPR triển khai trong không gian lớn đòi hỏi khoảng cách truyền tín hiệu xa và khả năng đồng bộ cực cao giữa các trục động cơ để duy trì lực căng cáp liên tục. Mạng công nghiệp truyền thống bị giới hạn về tốc độ và khoảng cách truyền. EtherCAT loại bỏ các lớp trung gian 3 đến 6 trong mô hình mạng chuẩn OSI, cho phép truyền dữ liệu trực tiếp trong khung Ethernet với thời gian chu kỳ (cycle time) dưới $100\text{ }\mu\text{s}$ và độ trôi giao tiếp (jitter) nhỏ hơn $1\text{ }\mu\text{s}$. Cấu trúc chuỗi móc vòng (daisy chain) của EtherCAT cũng giúp hệ thống dễ dàng mở rộng và tối ưu hóa chi phí đi dây.

4. Thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến trong đồ án có điểm gì khác biệt so với thuật toán xấp xỉ bậc thang truyền thống khi nội suy cung tròn?

Thuật toán xấp xỉ bậc thang truyền thống chỉ cho phép di chuyển đơn trục trong mỗi chu kỳ (hoặc chỉ trục $X$, hoặc chỉ trục $Y$ chuyển động), dẫn đến thời gian nội suy bị kéo dài và quỹ đạo chuyển động có độ nhấp nhô bậc thang lớn. Thuật toán xấp xỉ bậc thang cải tiến bổ sung việc tính toán và so sánh đồng thời ba giá trị sai số $D_1 = D + X$, $D_2 = D - Y$ và $D_3 = D + X - Y$. Khi giá trị $D_3$ là nhỏ nhất, bộ điều khiển cho phép cả hai trục $X$ và $Y$ cùng phát xung dịch chuyển đồng thời trong một chu kỳ, giúp quỹ đạo bám sát đường tròn chuẩn và chuyển động êm hơn.

5. Kết quả thực nghiệm chuyển động cho thấy sự khác nhau như thế nào giữa việc sử dụng dây cước và dây cáp inox?

Trong các bài kiểm tra bám quỹ đạo (quỹ đạo ngẫu nhiên, hình tròn và hình vuông), dây cước bộc lộ độ dãn dài đàn hồi rất lớn dưới tác dụng của tải trọng và lực kéo, làm suy giảm lực căng tại các vùng biên và tạo ra sai lệch vị trí đáng kể giữa tọa độ thực tế và tọa độ chuẩn. Ngược lại, dây cáp inox có mô-đun đàn hồi cao, độ giãn dài cơ học không đáng kể, giúp duy trì lực căng ổn định trong ngưỡng an toàn ($T \le 20\text{ N}$) và đưa quỹ đạo chuyển động thực tế bám sát quỹ đạo quy hoạch trên màn hình giám sát HMI.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo Planar Cable Robot" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán xây dựng hệ thống robot cáp song song phẳng 3 bậc tự do điều khiển bằng 4 động cơ AC Servo. Công trình nổi bật ở việc ứng dụng thành công giao thức truyền thông công nghiệp thời gian thực EtherCAT trên nền tảng TwinCAT 3 kết hợp với giải thuật tối ưu hóa lực căng cáp bằng quy hoạch bậc hai và cơ cấu trải cáp cơ khí chống chồng chéo. Mô hình thực nghiệm đã chứng minh được tính khả thi và độ ổn định cao khi vận hành với dây cáp kim loại, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các dòng robot cáp kích thước lớn ứng dụng trong tự động hóa công nghiệp.