Ngày nay, các robot song song được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp cũng như trong y tế. Loại robot này cũng đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Theo đó trong hầu hết các nghiên cứu, robot song song được mơ hình hóa dưới dạng hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng. Có một số phương pháp xây dựng hệ phương trình động lực học của robot song song bao gồm: phương trình Lagrange dạng nhân tử, phương trình Newton – Euler, nguyên lý công ảo, nguyên lý Jourdain hay các phương trình động lực Kane [27]–[31]. Gần đây, kỹ thuật tính tốn mới đã được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển thông minh [32][33]. Những kỹ thuật tính tốn này cố gắng tránh những hạn chế ở các dạng điều khiển truyền thống và chấp nhận những ảnh hưởng từ sự bất định của các tham số động lực đến bộ điều
O1 O2 O3 A1 P A2 A3 B2 B3 B1 O1 O2 O3 A2 A3 B1 B2 B3 P
17
khiển, sử dụng kinh nghiệm của người thiết kế thay vì sử dụng những tiếp cận tốn học như thơng thường [34] trong đó phải nói đến điều khiển mờ là một ví dụ điển hình. Trong trường hợp này, những thể hiện về toán học của hệ thống đã được điều khiển không thể thu được, không thể diễn tả liên hệ giữa chúng nên rất khó để có thể áp dụng các dạng điều khiển truyền thống để giải quyết vấn đề.
1.4.1 Các nghiên cứu trong nước
Các cơng trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về robot ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, cơ cấu chấp hành và điều khiển [21]–[23]. Các nghiên cứu về động học và động lực học của robot được quan tâm nghiên cứu bởi các khoa Cơ khí ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học [31], [38]–[40]. Các nghiên cứu này đã đạt được những thành tựu đáng kể. Ngoài việc tìm ra các phương pháp giải bài tốn liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động thì các phương trình mơ phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích thiết kế robot. Các cơ sở nghiên cứu về cơ học robot thường do Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Bộ môn Cơ học ứng dụng Đại học Bách khoa Hà nội, Đại học Bách khoa TP.HCM thực hiện. Lĩnh vực điều khiển robot song song từ các phương pháp truyền thống như PD+ bù trọng lực, phương pháp mơ men tính tốn, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng Nơ-Ron, logic mờ, đại số gia tử [41]–[44] … đang được quan tâm ở Việt Nam.
Các vấn đề động học, động lực học của hệ nhiều vật có cấu trúc mạch vịng được các tác giả đề cập trong nhiều cơng trình cơng bố [22] [24] [27] [34]–[37]. Trong đó cách thức thiết lập các phương trình động lực học của hệ bằng các phương trình Lagrange dạng nhân tử, phương trình Newton – Euler… Với các robot song song tác giả sử dụng phương pháp tách cấu trúc và phương pháp Lagarange dạng nhân tử thiết lập phương trình chuyển động của robot. Hai phương pháp số giải bài toán động lực học ngược robot song song đã được đề xuất [31][49]. Phương pháp này dựa trên các phương trình Lagrange dạng nhân tử và phương pháp dựa trên các phương trình vi phân thu gọn về các tọa độ tối thiểu. Đặc biệt phương pháp này rất thuận tiện cho điều khiển robot. Ngồi ra, ba thuật tốn biến đổi phương trình chuyển động của hệ nhiều vật cấu trúc mạch vịng từ dạng phương trình vi phân - đại số sang phương trình vi phân thường để giải bài toán động lực học thuận [50] được đề xuất. Các phương pháp số được đề xuất để giải các phương trình động lực cho cơ hệ chịu liên kết [51][52].
18
Động học robot hỗn hợp (nối tiếp - song song) được tập trung nghiên cứu [53]– [55] qua đó đưa ra tính ứng dụng của các dịng robot này trong lĩnh vực hàn sản phẩm. Phương pháp lý thuyết xoắn vít và dùng tọa độ Plücker [56] nghiên cứu về cấu hình kỳ dị và khả năng tải của tay máy song song với các chân dẫn động phụ phân bố ngồi khơng gian làm việc. Ngoài các hoạt động thơng thường, robot song song cịn được các tác giải nghiên cứu với vai trị trung tâm gia cơng CNC năm trục [57]. Các giải pháp vượt kỳ dị động học ngược cho nhóm máy này được đề xuất trong [58].
Các nghiên cứu cơ bản về robot của Việt Nam đã được công bố trên các hội nghị và tạp chí quốc tế. Trong đó bài tốn về động lực học và điều khiển robot song song đã bắt đầu được các nhà khoa học Việt Nam chú ý đến. Đây là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu này có một đặc điểm chung là được thực hiện dựa trên mơ hình động lực học của robot mô tả chỉ chuyển động của các khâu, khớp trong khi chưa để ý tới động lực học của các hệ dẫn động. Ngoài ra, các giải pháp vượt kỳ dị động học, động lực học để đảm bảo robot song song hoạt động trơn tru cũng chưa được nghiên cứu đầy đủ. Để hoàn thiện hơn và đáp ứng được các yêu cầu công việc tốt hơn rất cần các nghiên cứu đầy đủ hơn nữa về các robot song song này.
1.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Các nghiên cứu của các tác giả ngoài nước đa dạng, từ các nghiên cứu về động học, động lực học dựa trên các phương trình Newton-Euler, Kane, Lagrange đến các cơng trình nghiên cứu phát triển trong các giai đoạn gần đây. Trong đó các tác giả tập trung nhiều vào các vấn đề điều khiển và phân tích kỳ dị robot song song.
Trong các dạng điều khiển robot song song phải kể đến như: điều khiển PD+ bù trọng lực, điều khiển dựa theo mơ men tính tốn [5][48]–[50]. Đây là dạng điều khiển đơn giản dễ áp dụng cho robot song song. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng đáp ứng điều khiển tốt hơn nữa các thuật toán điều khiển mới được nhiều tác giả tập trung nghiên cứu. Bộ điều khiển robot song song kết hợp giữa thuật toán PID và fuzzy [62] được áp dụng và thực nghiệm trên robot Isoglide ba bậc tự do (Hình 1.22). Quá trình mơ phỏng hoạt động được thực hiện trên Matlab, Simulink và SimMechanics. Kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra bộ điều khiển lai giữa Fuzzy và PID đem lại kết quả tốt hơn bộ điều khiển truyền thống.
Bộ điều khiển kết hợp giữa mờ loại 2 và giải thuật di truyền để đạt được chất lượng mong muốn đầu ra của cơ cấu servo [63]. Vấn đề trong quá trình thiết kế bộ điều khiển được giải quyết bằng cách tối ưu thông số của hệ mờ bằng giải thuật di truyền. Động cơ servo được cung cấp một thông tin phản hồi duy nhất là vị trí. Mơ hình hóa, mơ phỏng kết quả hoạt động đã minh họa tính hiệu quả của hệ thống đã
19
được tối ưu. Giải thuật di truyền và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển logic mờ loại hai được trình bày [64]. Đầu tiên, bộ điều khiển logic mờ loại hai được phát triển nhờ giải thuật di truyền sau đó so sánh với sự phát triển với bộ điều khiển mờ loại 1 có các thơng số thiết kế khác nhau. Giải thuật di truyền với các bước tính tốn mơ phỏng lại q trình tiến hóa trong tự nhiên đã đem lại sự hiệu quả cho thuật toán đề xuất.
Hình 1.22: Robot song song Isoglide3 trong phịng nghiên cứu [62]
Trước những phát triển mới của công nghệ đo thông tin của robot trực tiếp từ trong không gian thao tác, các nghiên cứu nhằm điều khiển robot song song trực tiếp từ không gian thao tác đã được đề xuất [65]–[69]. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này các tác giả thường sử dụng các mơ hình dạng đơn giản hóa làm giảm độ chính xác của các thử nghiệm. Một số dạng điều khiển trong không gian thao tác có thể kể đến bao gồm: Điều khiển chỉ với động lực học của khâu chấp hành cuối [69], điều khiển chỉ với động lực học của các chân robot, và điều khiển kết hợp tổng thể động lực học của các chân robot lẫn khâu chấp hành cuối [68][70]. Trong [71], các tác giả đã thiết kế bộ điều khiển cho robot song song cả trong không gian cơng tác lẫn khơng gian khớp, sau đó đáp ứng của các bộ điều khiển đó được so sánh với nhau. Trong cả hai trường hợp, giải thuật di truyền được sử dụng để xác định thông số tối ưu cho các mặt trượt. Hiệu suất, tính bền vững và độ mượt của quá trình điều khiển được so sánh với độ trơn của quỹ đạo bám. Hiệu quả của bộ điều khiển được xác định bằng căn bậc hai của tổng bình phương các sai lệch bám quỹ đạo trong khi độ bền vững được so sánh với bước tăng sai lệch của căn bậc hai sai lệch giữa điều kiện không tải và đầy tải. Thông qua mô phỏng đã chỉ ra rằng điều khiển trong không gian khớp tạo ra sai lệch lớn nhưng cần ít tác động điều khiển. Tín hiệu đáp ứng điều khiển cũng trơn hơn trong trường hợp điều khiển trong không gian khớp.
Kỳ dị động học, động lực học ngược của robot song song cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớn tới khả năng hoạt động trơn tru của robot. Thơng thường, vị trí kỳ dị
20
của robot song song được xác định dựa trên giá trị của định thức ma trận Jacobi [15], sử dụng các phương pháp hình học [23][72] hoặc phương pháp đại số kết hợp với hình học [73]. Các vị trí kỳ dị này có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của robot thậm chí gây biến dạng phá hủy robot. Các thuật toán vượt kỳ dị cả về động học lẫn động lực học đã được đề xuất. Trong các nghiên cứu [74]–[76] đã đề xuất giải pháp vượt kỳ dị động lực học cho robot song song trong khi vẫn giữ được tính ổn định hoạt động của robot. Theo đó, khi robot đi vào vùng kỳ dị, các phương trình động lực của robot song song được hiệu chỉnh sử dụng các đạo hàm bậc cao được sử dụng. Các biến đổi tương tự cũng được áp dụng để vượt kỳ dị động học [77] cho các robot song song.
Các nghiên cứu về robot song song ở ngoài nước là rất đa dạng. Tuy nhiên, cũng như các nghiên cứu trong nước, các nghiên cứu ngoài nước cũng thường chỉ dựa trên cơ sở là mơ hình robot song song được mô tả các khâu khớp mà chưa quan tâm tới ảnh hưởng của hệ dẫn động. Hơn nữa, các vấn đề liên quan thực tế sử dụng như khó bố trí cảm biến thu thập thơng tin các biến khớp bị động ở một số robot song song có kết cấu đặc biệt hoặc trong các trường hợp thiết kế cải tạo từ các robot có sẵn hay đơn giản là muốn hạ giá thành sản phẩm. Ước lượng động học giúp cho bộ điều khiển có được thơng tin các biến khớp bị động này để tính tốn. Đây là việc làm cần thiết để đáp ứng nhu cầu đa dạng trong thiết kế, chế tạo robot song song nhưng chưa được nhiều tác giả tập trung nghiên cứu và hoàn thiện cơ sở lý thuyết.