1. GIỚI THIỆU

Robot dây là một dạng robot song song trong đó cơ cấu chấp hành cuối được điều khiển thông qua nhiều dây cáp kết hợp với các cơ cấu căng dây. So với các loại robot song song truyền thống, robot dây có ưu điểm nổi bật là khối lượng nhẹ và khả năng làm việc trong không gian rộng. Một số hệ thống robot dây đã được phát triển và ứng dụng trong thực tế như Robocane dùng trong cảng tàu hay các hệ thống robot phục vụ lắp ráp và xử lý vật thể có kích thước lớn.

Bên cạnh những ưu điểm đó, robot dây cũng tồn tại một số hạn chế, đặc biệt là yêu cầu các dây cáp luôn phải được duy trì trạng thái căng. Trong một số trường hợp, lực căng âm không thể thực hiện được, do đó cần có các giải pháp thiết kế phù hợp. Nghiên cứu này tập trung vào mô hình robot dây dạng lai, trong đó chuyển động tịnh tiến được tạo ra bởi các dây cáp song song, còn chuyển động quay được thực hiện thông qua cơ cấu nối tiếp. Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu chủ yếu xem xét chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng.

Bài báo hướng đến việc xây dựng mô hình động học và phát triển chương trình mô phỏng cho các cơ cấu robot dây phẳng, qua đó đánh giá khả năng làm việc của chúng trong các nhiệm vụ cụ thể.

2. MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT DÂY

Robot dây phẳng được mô tả như một hệ thống trong đó điểm tác động cuối được liên kết với các điểm cố định thông qua nhiều dây cáp. Các dây cáp này được điều khiển nhằm tạo ra chuyển động mong muốn của cơ cấu chấp hành trong mặt phẳng. Trong nghiên cứu, hai cấu trúc được xem xét là robot ba dây cáp và bốn dây cáp, tương ứng với các đa giác nền là tam giác và hình vuông.

Mỗi dây cáp được gắn vào một điểm cố định trên nền và nối đến điểm tác động cuối. Chiều dài và góc của từng dây cáp thay đổi tùy theo vị trí của điểm tác động. Theo lý thuyết, nếu các dây cáp có thể thay đổi chiều dài linh hoạt thì điểm tác động có thể di chuyển đến mọi vị trí bên trong vùng làm việc được xác định bởi đa giác nền.

Trong phân tích động học, hai bài toán cơ bản được xem xét là động học vị trí và động học vận tốc. Đối với động học vị trí, bài toán ngược được đặt ra nhằm xác định chiều dài các dây cáp khi biết trước vị trí của điểm tác động cuối. Ngược lại, bài toán thuận yêu cầu xác định vị trí điểm tác động khi biết chiều dài các dây cáp. Bài toán này được giải dựa trên việc xác định giao điểm của các đường tròn tương ứng với từng dây cáp.

Đối với động học vận tốc, mối quan hệ giữa vận tốc của điểm tác động và tốc độ thay đổi chiều dài dây cáp được thiết lập thông qua ma trận Jacobian. Mối quan hệ này cho phép phân tích khả năng điều khiển chuyển động của robot cũng như đánh giá hiệu suất hoạt động của từng cấu trúc.

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trên cơ sở các mô hình động học đã xây dựng, chương trình mô phỏng được phát triển bằng phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra khả năng làm việc của robot dây trong các nhiệm vụ cụ thể. Trong quá trình mô phỏng, điểm tác động cuối được điều khiển di chuyển theo quỹ đạo hình tròn trong mặt phẳng.

Hai mô hình robot ba dây cáp và bốn dây cáp được thiết lập với điều kiện có cùng diện tích vùng làm việc để đảm bảo tính công bằng khi so sánh. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai mô hình đều có khả năng điều khiển điểm tác động di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Tuy nhiên, cơ cấu bốn dây cáp thể hiện ưu thế hơn khi yêu cầu lực căng dây nhỏ hơn, giúp hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng hơn.

Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy mô hình động học được xây dựng có độ chính xác và khả năng ứng dụng cao trong việc phân tích và thiết kế robot dây.

4. KẾT LUẬN

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình động học và chương trình mô phỏng cho hai loại robot dây phẳng gồm ba dây cáp và bốn dây cáp. Kết quả cho thấy các mô hình này có khả năng điều khiển chuyển động điểm tác động một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Trong đó, cơ cấu bốn dây cáp thể hiện ưu điểm vượt trội hơn về mặt năng lượng và độ ổn định so với cơ cấu ba dây cáp. Đây là cơ sở quan trọng để phát triển các hệ thống robot dây trong các ứng dụng thực tế.

Trong tương lai, nghiên cứu có thể được mở rộng theo hướng phân tích động lực học và xây dựng bộ điều khiển hoàn chỉnh nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống robot dây.