Tripteron Parallel Axes - Hướng tiếp cận mới cho robot ba trục tốc độ cao, chi phí thấp

Trong bối cảnh sản xuất thông minh, các hệ thống cơ khí tự động ngày càng được yêu cầu đáp ứng đồng thời ba tiêu chí: vận hành nhanh, chính xác và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, trong thực tế, tốc độ cao và chi phí thấp thường là hai yếu tố khó dung hòa do những giới hạn về thiết kế và công nghệ. Trước thách thức đó, các cơ cấu song song (Parallel Mechanisms) đang trở thành một hướng nghiên cứu và ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa. Nghiên cứu của tác giả thuộc Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh (UEH) đã tập trung phân tích một hướng tiếp cận tiêu biểu là Tripteron Parallel Axes - biến thể của cơ cấu Tripteron truyền thống - cho thấy tiềm năng đơn giản hóa cấu trúc cơ khí, nâng cao tốc độ vận hành và vẫn bảo đảm độ chính xác định vị, phù hợp với các ứng dụng tự động hóa có yêu cầu hiệu năng cao nhưng chi phí đầu tư hợp lý.

Từ robot Tripteron truyền thống đến hướng tiếp cận trục song song

Robot Tripteron là một dạng robot cho phép đầu công tác di chuyển theo ba hướng không gian mà không bị xoay. Điểm đặc trưng của loại robot này là toàn bộ động cơ được đặt cố định trên bệ đỡ, thay vì di chuyển cùng các cánh tay như ở nhiều robot thông thường. Nhờ đó, robot có thể vận hành ổn định hơn, ít rung lắc và phù hợp với các ứng dụng cần tốc độ cao và độ chính xác tốt.

Tuy nhiên, trong các thiết kế Tripteron ban đầu, ba trục chuyển động thường được bố trí vuông góc với nhau. Cách bố trí này giúp việc tính toán chuyển động trở nên thuận tiện, nhưng lại khiến robot có kích thước lớn, chiếm nhiều không gian và khó lắp đặt trong những môi trường làm việc hạn chế. Đồng thời, hệ thống dẫn hướng phức tạp theo ba phương vuông góc cũng làm tăng chi phí chế tạo và bảo trì.

Xuất phát từ những hạn chế đó, cấu hình Tripteron Parallel Axes được đề xuất với cách bố trí ba trục chuyển động song song. Nhờ sắp xếp này, toàn bộ bộ phận truyền động có thể đặt trên cùng một mặt phẳng, giúp kết cấu robot trở nên gọn gàng hơn. Trong khi đó, các bộ phận liên kết vẫn đảm bảo đầu công tác di chuyển theo ba hướng cần thiết. Kết quả là robot vẫn giữ được khả năng chuyển động linh hoạt theo không gian, nhưng có kích thước nhỏ hơn, nhẹ hơn và dễ lắp đặt hơn so với thiết kế vuông góc truyền thống. Điều này đặc biệt phù hợp với các hệ thống sản xuất quy mô nhỏ, các mô hình robot phục vụ đào tạo, cũng như những ứng dụng tự động hóa cần tiết kiệm không gian và chi phí.

Kết quả nghiên cứu: Hiệu năng, độ chính xác và tính khả thi trong ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu hình Tripteron Parallel Axes có tiềm năng ứng dụng cao trong các hệ thống tự động hóa nhẹ, nơi yêu cầu đồng thời tốc độ, độ chính xác và chi phí hợp lý. Trong thiết kế này, mỗi trục chuyển động thẳng được dẫn động bằng đai răng hoặc vitme nhẹ, với động cơ đặt cố định tại một đầu trục. Cách bố trí này giúp giảm khối lượng các bộ phận chuyển động, từ đó hạn chế rung lắc và cho phép robot di chuyển nhanh hơn. Chuyển động từ động cơ được truyền qua đai hoặc thanh trượt đến một cụm tay đòn song song, đưa chuyển động thẳng đến đầu công tác. Ba nhánh chuyển động song song này phối hợp với nhau tạo thành một cấu trúc liên kết ổn định, cho phép đầu công tác di chuyển theo ba hướng không gian mà không bị xoay.

Cấu trúc động học của robot tripteron trục song song. Nguồn: Trịnh Đức Cường - Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh.

Một ưu điểm quan trọng của cấu hình này là khả năng vận hành nhanh nhưng vẫn ổn định. Do động cơ không di chuyển cùng các tay robot, quán tính của hệ thống được giảm đáng kể. Nhờ đó, robot có thể đạt gia tốc cao mà không cần sử dụng động cơ công suất lớn. Đồng thời, cấu trúc song song giúp phân bố lực đều, tăng độ cứng tổng thể và giảm biến dạng khi robot chịu tải. Với hành trình mỗi trục khoảng 300-400 mm, robot có thể tạo ra không gian làm việc thực tế khoảng 500 × 500 × 200 mm. Kích thước này đủ đáp ứng các ứng dụng phổ biến trong sản xuất nhẹ, phòng thí nghiệm, hoặc các mô hình đào tạo kỹ thuật. Kết quả thử nghiệm cho thấy robot đạt độ chính xác định vị khoảng ±0,05 mm, tức là sai lệch rất nhỏ so với vị trí mong muốn, đáp ứng tốt yêu cầu của các thao tác chính xác.

Về điều khiển, Tripteron Parallel Axes có lợi thế lớn ở sự đơn giản trong lập trình. Do các trục hoạt động song song và gần như độc lập, mối quan hệ giữa chuyển động của từng trục và vị trí đầu công tác khá trực quan. Điều này cho phép sử dụng các bộ điều khiển phổ biến theo hệ tọa độ không gian (Cartesian), vốn đã quen thuộc trong công nghiệp. Nhờ đó, robot có thể dễ dàng lập trình và vận hành trên các nền tảng như Arduino, PLC hoặc bộ điều khiển công nghiệp thông dụng, mà không cần xử lý các thuật toán phức tạp.

Trong mô hình thử nghiệm, robot được lắp trên khung nhôm định hình với ba trục song song đặt cách nhau 120 mm. Mỗi trục sử dụng động cơ bước kết hợp cảm biến vị trí (encoder) để theo dõi chính xác chuyển động. Kết quả đo đạc cho thấy robot đạt tốc độ di chuyển tối đa khoảng 2 m/s và gia tốc 5 m/s², phù hợp với các hệ thống pick-and-place tốc độ cao.

Mô phỏng hệ thống pick-and-place (hệ thống tự động gắp và đặt sản phẩm) sử dụng tripteron trục song song. Nguồn: Trịnh Đức Cường - Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh.

Các mô phỏng và thử nghiệm thực tế cũng cho thấy robot vận hành ổn định trong toàn bộ vùng làm việc chính, không xuất hiện các vị trí mất kiểm soát chuyển động. Khi chịu tải 50 N (tương đương tải trọng của các vật nhẹ đến trung bình), độ biến dạng của hệ thống chỉ khoảng 0,02 mm, cho thấy kết cấu đủ cứng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác.

Một kết quả đáng chú ý khác là tính linh hoạt khi mở rộng quy mô. Nếu cần không gian làm việc lớn hơn, hệ thống có thể được mở rộng bằng cách tăng chiều dài trục và đai truyền mà không phải thay đổi hệ điều khiển. Điều này rất phù hợp với các ứng dụng như in 3D khổ lớn hoặc dây chuyền gắp - đặt theo băng tải. Về chi phí, nghiên cứu ước tính một mô-đun Tripteron Parallel Axes kích thước trung bình chỉ tốn khoảng 40–50% chi phí so với các thiết kế Tripteron bố trí vuông góc truyền thống, trong khi tốc độ và độ chính xác gần như tương đương.

Đóng góp nghiên cứu và hàm ý cho phát triển robot tự động hóa

Tripteron Parallel Axes đánh dấu một bước tiến quan trọng trong tư duy thiết kế robot song song theo hướng đơn giản hóa cấu trúc nhưng vẫn bảo đảm hiệu năng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, thay vì theo đuổi các cơ cấu phức tạp và tốn kém, vẫn có thể đạt được tốc độ cao, độ chính xác ổn định và độ cứng vững tốt thông qua một kiến trúc gọn nhẹ, dễ chế tạo và dễ bảo trì. So với các dòng robot song song phổ biến như Delta hay Stewart, Tripteron Parallel Axes có cấu trúc đơn giản hơn đáng kể, giúp giảm chi phí đầu tư và chi phí vận hành mà không làm suy giảm hiệu quả làm việc.

Về mặt ứng dụng, mô hình robot này đặc biệt phù hợp với các tác vụ tự động hóa nhẹ như gắp - đặt sản phẩm, định vị chính xác, in 3D khổ lớn, đo lường kỹ thuật và các mô-đun robot phục vụ đào tạo. Nhờ nguyên lý điều khiển đơn giản và khả năng mở rộng linh hoạt, Tripteron Parallel Axes có thể được sử dụng như một nền tảng mở cho sinh viên, giảng viên và nhà nghiên cứu thử nghiệm các giải pháp điều khiển hiện đại, từ đó rút ngắn khoảng cách giữa nghiên cứu học thuật và ứng dụng thực tiễn.

Mặc dù còn giới hạn về tải trọng, thiết kế này vẫn cho thấy tiềm năng phát triển trong tương lai. Khi được kết hợp với cảm biến thông minh và các phương pháp điều khiển tiên tiến, Tripteron Parallel Axes có thể được mở rộng thêm các bậc tự do để đáp ứng những nhiệm vụ phức tạp hơn, phù hợp với xu hướng robot linh hoạt trong sản xuất thông minh.

Từ góc độ chính sách và phát triển nguồn lực, nghiên cứu này gợi mở một hướng đi quan trọng cho Việt Nam trong lĩnh vực tự động hóa: ưu tiên các giải pháp công nghệ hiệu quả - chi phí hợp lý - dễ triển khai, thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào các hệ thống nhập khẩu đắt đỏ. Việc phát triển và ứng dụng những mô hình robot như Tripteron Parallel Axes không chỉ góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ, mà còn tạo nền tảng vững chắc cho giáo dục và nghiên cứu robotics trong nước.

Trong dài hạn, đây là cơ sở để hình thành một hệ sinh thái nghiên cứu - đào tạo - ứng dụng robot gắn với nhu cầu thực tế của doanh nghiệp và địa phương, qua đó thúc đẩy quá trình chuyển đổi số, tự động hóa và phát triển công nghiệp theo hướng bền vững.

Tác giả: Trịnh Đức Cường - Viện Công nghệ thông minh và tương tác - Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh

Đây là bài viết nằm trong chuỗi bài lan tỏa nghiên cứu và kiến thức ứng dụng với thông điệp “Research Contribution For All - Nghiên cứu vì cộng đồng” do UEH phối hợp với Báo và Phát thanh, Truyền hình Khánh Hòa thực hiện nhằm mục tiêu đồng hành cùng sự phát triển bền vững của tỉnh Khánh Hòa. UEH trân trọng kính mời Quý độc giả cùng đón xem bản tin Tri thức khoa học tiếp theo.