Ngày nay Robotics đang trở thành một trong những lĩnh vực hấp dẫn và nhiều ứng dụng nhất của khoa học công nghệ nói chung và tự động hóa nói riêng. Có thể nói, Robotics tích hợp gần như tất cả các kiến thức phức tạp của cơ học, điện, điện tử, cơ khí, và điều khiển học. 

Một trong những lĩnh vực quan trọng của Robotics là điều khiển cánh tay robot (manipulator). Cánh tay robot có 2 loại chủ yếu là loại nối tiếp (serial) và song song (parallel). Ngoài ra nó còn được phân loại dựa trên số bậc tự do hay số khớp của cánh tay robot. Số khớp càng cao việc mô phỏng động học và động lực học của cánh tay robot càng phức tạp. 

Thiết kế hệ thống điều khiển cánh tay robot là một lĩnh vực rất hấp dẫn đối với nhiều sinh viên kĩ thuật. Tuy nhiên nó lại hoàn toàn không đơn giản bởi một số lí do:

• Mô hình toán học của robot là rất phức tạp, gây khó khăn cho người làm điều khiển.
• Việc thiết kế mô hình và mô phỏng trực quan là rất quan trọng cho việc thiết kế điều khiển, song còn tương đối phức tạp.

Hình minh họa về mô phỏng động lực tay robot 3 bậc tự do, tương ứng 3 động cơ (hai khớp cầu và một khới xoay)

Ngày nay việc thiết kế điều khiển và mô phỏng robot có thể thực hiện bằng nhiều chương trình mạnh như Matlab Simulink, Adams, 20Sim, Microsoft Robotics, Visual Natran... Mỗi chương trình đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng.

LabVIEW phiên bản 2009 cũng có một module riêng cho việc mô phỏng và điều khiển robot. Nhưng việc này đòi hỏi phải nâng cấp LabVIEW cũng như các vấn đề về bản quyền, và một số thư viện trong đó cũng tương đối phức tạp. Ngoài ra các phiên bản thấp hơn của LabVIEW như 7.1, 8.2, 8.5 vẫn được ưa chuộng và sử dụng phổ biến ở Việt Nam.

Với những lí do đó, tôi mong muốn khởi xướng việc mở một dự án  phát triển thư viện robot đa bậc tự do, bao gồm cả thư viện mô phỏng động học, động lực học, cũng như mô hình 3D để phục vụ việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển cánh tay robot một cách chi tiết và dễ dàng nhất.

Dự án khởi đầu bằng việc thiết kế mô hình 3D cho cánh tay robot nối tiếp 3 bậc tự do và mô phỏng chuyển động trong môi trường có trọng lực. Chương trình gồm 2 phần chính: Tính toán động lực học và hiển thị 3D. Cả 2 đều được thực hiện bởi các chương trình con (Sub VIs) đóng gói gọn có thể sử dụng cho các ứng dụng về sau. 

Video minh họa về mô phỏng động lực tay robot 3 bậc tự do

Tải mô phỏng này [LabVIEW 8.5] hoặc [LabVIEW 2009] 

Có thể thay đổi các thông số vật lí như khối lượng, chiều dài các cánh tay, momen quán tính, vị trí khởi tạo, hệ số ma sát và gia tốc trọng trường. Việc mô phỏng được chạy mặc định trong thời gian 20s, cho phép quan sát chuyển động thực tế của khớp khi không có momen tác dụng (không có điều khiển).

Một trong những phát triển sắp tới của chương trình này, là tiến tới giải quyết bài toán điều khiển con lắc kép ngược. Ta coi cánh tay robot trong trường hợp này là 1 con lắc kép, bằng việc điều khiển moment các khớp, ta có thể điều khiển khớp thứ nhất của cánh tay robot sao cho cân bằng con lắc ngược, đây là một trong những bài toán điển hình của Điều khiển học nâng cao. 

Chương trình mới được xây dựng còn nhiều thiếu sót. Trong thời gian tới chúng tôi sẽ tiến tới xây dựng các modul khác để tính toán mô phỏng động học, động lực học ngược,  thiết kế các bộ điều khiển cho cánh tay robot..., đồng thời xây dựng các mô hình cánh tay robot bậc cao hơn cũng như mô phỏng tương tác trong không gian 3 chiều của robot. Sức mạnh chính của LabVIEW là tính dễ dàng và trực quan cả trong hiển thị và lập trình, hứa hẹn sẽ trở thành một công cụ rất mạnh cho việc thiết kế điều khiển robot.

Chúng tôi cũng nhiệt liệt chào đón các bạn tham gia vào dự án của chúng tôi để cùng nhau chia sẻ kiến thức, mã nguồn và các ý tưởng mới, cũng như nhận xét để giúp dự án hoàn thiện hơn. Hi vọng từ đây chúng ta có thể chung tay xây dựng một cộng đồng LabVIEW Robotics góp phần giúp việc nghiên cứu và học tập Robot ở Việt Nam ngày càng dễ dàng và trực quan hơn.

Đọc tiếp: Thiết kế mô phỏng động lực học tay máy 3 bậc tự do và điều khiển sử dụng LabVIEW

Liên hệ

Đỗ Trung Hiếu, Hocdelam Group, Email: Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.

Động cơ một chiều (DC motor) là một trong những cơ cấu chấp hành thông dụng, dùng để chuyển năng lượng điện (được cấp cho động cơ từ nguồn điện) thành năng lượng cơ (các chuyển động của cơ cấu gắn với động cơ). Ví dụ, động cơ DC dùng xoay cánh quạt để tạo ra gió làm mát căn phòng hoặc làm mát board mạch máy tính hoặc có thể dùng giúp các robot di chuyển (như Robocon, Robot di động,...). Vì lý do này, động cơ DC được nhiều sách, tạp chí, tài liệu đề cập và kỹ sư, nhà nghiên cứu quan tâm nhằm nâng cao hiệu suất, tăng chất lượng điều khiển động cơ. Đồng thời hầu hết các ngành học của các trường kỹ thuật đều đưa bài toán "mô phỏng, thiết kế bộ điều khiển động cơ DC" thành một bài toán quan trọng trong chương trình học. Hiện tại, ở các Đại học tại Việt nam, việc đào tạo điều khiển động cơ DC đã được phổ biến tuy nhiên có những bất cập như sau: