Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm / Selective Compliant Articulated Robot Arm) là một trong những cấu hình robot công nghiệp được ứng dụng phổ biến trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, đặc biệt ở các nguyên công đòi hỏi tốc độ cao và chu kỳ làm việc lặp lại như nhặt - đặt (pick and place), phân loại, đóng gói và lắp ráp linh kiện cơ khí, điện tử. Mặc dù công nghệ chế tạo và ứng dụng robot SCARA đã phát triển mạnh mẽ tại các quốc gia công nghiệp phát triển (Mỹ, Nhật Bản, các nước Tây Âu), tại Việt Nam việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và làm chủ thuật toán điều khiển tốc độ cao cho robot SCARA vẫn còn gặp nhiều hạn chế do điều kiện gia công cơ khí, vật liệu và công nghệ điều khiển chưa được tối ưu hóa.
Đề tài "Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA" được nhóm tác giả Trương Đăng Khoa và Ngô Văn Tửng thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Cái Việt Anh Dũng tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khóa học 2011–2016, nghiệm thu tháng 1/2016). Đề tài nằm trong định hướng nghiên cứu tiếp cận công nghệ robot công nghiệp phục vụ công tác đào tạo và ứng dụng thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 6 nhiệm vụ cụ thể:
- Tìm hiểu và tính toán các bài toán động học của Robot SCARA 4 bậc tự do.
- Thiết kế hệ thống truyền động và lắp đặt động cơ DC Servo cho khớp thứ 4.
- Lắp đặt phễu hút khí nén cho Robot SCARA.
- Thiết kế mạch điều khiển.
- Lập sơ đồ giải thuật điều khiển cho hệ thống.
- Điều khiển vị trí Robot SCARA.
Đối tượng nghiên cứu:
- Động học Robot SCARA 4 bậc tự do.
- Thuật toán điều khiển vị trí Robot SCARA.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển vị trí cho cánh tay robot SCARA.
- Khảo sát đáp ứng vị trí của các khớp trong không gian làm việc và thực nghiệm gắp thả 10 viên bi thép đường kính $\varnothing20\text{ mm}$ chuyển từ khuôn chứa thứ nhất sang khuôn chứa thứ hai bằng cơ cấu hút chân không khí nén.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn định nghĩa:
- Định nghĩa robot công nghiệp theo các tiêu chuẩn quốc tế: Tiêu chuẩn AFNOR (Pháp), RIA (Mỹ), TOCT 25686-85 (Nga) và các quan điểm nghiên cứu của Soska (1985), Schulussel (1985), McKerrow (1986).
- Lý thuyết cấu trúc động học robot chuỗi hở dạng khớp bản lề kết hợp khớp trượt (không gian làm việc dạng hình trụ). Bậc tự do của robot được tính theo công thức:
$$\text{DOF} = 6n - \sum p_k = 6 \times 4 - (5 \times 4) = 4$$
Trong đó số khâu động $n = 4$, số khớp loại 5 là $p_5 = 4$.
- Phương pháp giải tích động học: Sử dụng quy tắc Denavit - Hartenberg (D-H) để gắn các hệ trục tọa độ, lập bảng thông số D-H, thiết lập ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất $^0T_4 = A_1 A_2 A_3 A_4$, xây dựng hệ phương trình động học thuận xác định vị trí điểm tác động cuối $(P_x, P_y, P_z)$ và giải hệ phương trình động học nghịch bằng phương pháp lượng giác kết hợp hàm $\text{atan2}$. Xây dựng ma trận Jacobian kích thước $6 \times 4$ để mô tả mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc đầu công tác.
- Phương pháp tính toán cơ học truyền động đai: Tính toán các thông số hình học (đường kính bánh đai $d_1, d_2$, khoảng cách trục $a$, góc ôm $\alpha_1$, chiều dài đai $L$), phân tích lực căng ban đầu ($F_0$), lực trên nhánh căng ($F_1$), lực trên nhánh chùng ($F_2$), lực vòng ($F_t$), lực căng phụ do lực quán tính ly tâm ($F_v$) và ứng suất cực đại ($\sigma_{\max}$) trong bộ truyền đai răng.
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp mô hình hóa 3D: Thiết kế hình học và kiểm tra kết cấu cơ khí khớp thứ 4 bằng phần mềm CAD (Solidworks).
- Phương pháp thiết kế phần cứng: Thiết kế, thi công mạch công suất DC Servo Driver và mạch đọc xung hồi tiếp encoder độc lập (Quadrature Encoder Interface - QEI).
- Phương pháp lập trình điều khiển: Sử dụng vi điều khiển ARM, xây dựng thuật toán điều khiển vòng kín PID vị trí kết hợp kỹ thuật chia điểm nội suy quỹ đạo; xây dựng giao diện máy tính giám sát đáp ứng thời gian thực qua giao thức truyền thông nối tiếp USART.
- Phương pháp thực nghiệm: Chạy thử nghiệm kiểm chứng đáp ứng di chuyển điểm đơn lẻ, di chuyển theo quy trình liên tục và vận hành gắp thả phôi bi thép thực tế.
Nguồn dữ liệu:
- Sách chuyên khảo, giáo trình cơ điện tử, tài liệu bài báo khoa học trong nước và quốc tế (Anh, Pháp, Indonesia), các đề tài khóa trước tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; catalogue thông số kỹ thuật của nhà sản xuất động cơ DC Servo và thiết bị khí nén.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống robot SCARA 4 bậc tự do trong đề tài được thiết kế, gia công bổ sung kết cấu cơ khí khớp thứ 4, tích hợp hệ thống chấp hành khí nén và xây dựng mạch điều khiển điện tử hoàn chỉnh.
Kết cấu cơ khí và bộ truyền động
Khớp 1 và khớp 2 của tay máy sử dụng bộ truyền sóng Harmonic Gear với tỉ số truyền cao để giảm độ rơ và tăng độ cứng vững. Khớp 3 (khớp tịnh tiến) sử dụng cơ cấu trục vít me bi đường kính $D = 20\text{ mm}$, bước vít $20\text{ mm}$ kết hợp bộ truyền đai. Khớp 4 (khớp xoay định hướng) được thiết kế bổ sung bằng bộ truyền đai răng cao su tiêu chuẩn 160XL nhằm loại bỏ hiện tượng trượt trơn, vận hành êm và đảm bảo độ chính xác vị trí.
| Thông số hình học và động học |
Ký hiệu / Tiêu chuẩn |
Giá trị thiết kế |
| Đường kính bánh đai chủ động |
$d_1$ |
$34\text{ mm}$ ($z_1 = 28$ răng) |
| Đường kính bánh đai bị động |
$d_2$ |
$55\text{ mm}$ ($z_2 = 35$ răng) |
| Khoảng cách trục |
$a$ |
$132\text{ mm}$ (thỏa mãn $0{,}2(d_1+d_2) \le a \le 2(d_1+d_2)$) |
| Góc ôm bánh đai chủ động |
$\alpha_1$ |
$170{,}1^\circ$ (thỏa mãn điều kiện $\alpha_1 \ge 120^\circ$) |
| Chiều dài đai tính toán / tiêu chuẩn |
$L$ |
$400\text{ mm}$ / Dây đai răng 160XL (chu vi $406{,}08\text{ mm}$) |
| Bề rộng răng đai / Chiều cao đai |
$W$ / $H_1$ |
$1{,}35\text{ mm}$ / $2{,}25\text{ mm}$ (chiều cao răng $H_2 = 1{,}2\text{ mm}$) |
| Tỉ số truyền bộ truyền đai |
$i$ |
$1{,}62$ ($n_1 = 4948\text{ rpm} \rightarrow n_2 \approx 3054\text{ rpm}$) |
Hệ thống động cơ và thiết bị khí nén
Robot sử dụng hệ thống động cơ DC Servo có gắn bộ giải mã vòng quay (optical encoder) hồi tiếp vị trí và hệ thống chân không tạo lực giữ vật gắp.
| Vị trí / Thiết bị |
Mã hiệu thiết bị |
Điện áp định mức |
Thông số vận hành chính |
| Động cơ khớp 1 |
R506B-072E |
$24\text{ V}$ |
Công suất $50\text{ W}$, tốc độ $3000\text{ rpm}$, encoder $400\text{ xung/vòng}$ |
| Động cơ khớp 2 |
R506B-072E |
$24\text{ V}$ |
Công suất $50\text{ W}$, tốc độ $3000\text{ rpm}$, encoder $400\text{ xung/vòng}$ |
| Động cơ khớp 3 |
FC9MB40E |
$12\text{ V}$ |
Công suất $30\text{ W}$, tốc độ $2200\text{ rpm}$, encoder $400\text{ xung/vòng}$ |
| Động cơ khớp 4 |
NC5475E (NF5475E) |
$24\text{ V}$ |
Công suất $32{,}46\text{ W}$, tốc độ $4948\text{ rpm}$, encoder 2 pha $200\text{ xung/vòng}$, $700\text{ g}$ |
| Van đảo chiều khí nén |
MPS-322S (Van 3/2) |
$24\text{ V}$ |
Áp suất định mức $5 - 8\text{ bar}$ |
| Van tạo chân không |
VRI 09 |
— |
Áp suất định mức $5\text{ bar}$ |
| Phễu hút chân không |
33969 ISV-1/8 |
— |
Áp suất làm việc $4 - 5\text{ bar}$ |
Hệ thống đồ gá thử nghiệm gồm 2 bộ khuôn chứa bi bằng nhựa nhiều lớp kích thước $140 \times 140\text{ mm}$ ghép chồng (lớp trên cùng dày $10\text{ mm}$ khoét lỗ $\varnothing20\text{ mm}$ định vị bi, lớp giữa trong suốt dày $3\text{ mm}$ khoét lỗ $\varnothing10\text{ mm}$ chống nảy bi, lớp đáy dày $3\text{ mm}$ gắn chân ren suốt $\varnothing4\text{ mm}$ dài $300\text{ mm}$) và 10 viên bi thép hình cầu lấy từ ổ bi công nghiệp.
Mạch điều khiển và kiến trúc phần mềm
Kiến trúc hệ thống điều khiển được phân tầng:
- Vi điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ARM thực hiện nhận lệnh tọa độ từ máy tính qua cổng USART1, tính toán động học nghịch và điều khiển phát xung PWM băm áp cho mạch DC Servo Driver.
- Mạch công suất Driver DC Servo: Mạch cầu H điều khiển đảo chiều và điều chế độ rộng xung cấp nguồn cho động cơ DC Servo.
- Mạch hồi tiếp encoder: Sử dụng khối phần cứng đo xung Quadrature Encoder Interface (QEI) độc lập, tính toán vị trí thực tế và truyền dữ liệu về bộ điều khiển trung tâm qua cổng USART2 nhằm giải phóng thời gian xử lý cho vi điều khiển chính.
- Thuật toán điều khiển: Áp dụng giải thuật PID vị trí vòng kín kết hợp thuật toán PID chia điểm (nội suy quãng đường thành nhiều điểm nhỏ) để hạn chế giật cục và quá điều chỉnh khi chuyển động ở vận tốc cao.
- Phần mềm giao diện trên máy tính: Giao diện điều khiển chính cho phép nhập tọa độ điểm đặt $(x, y, z, \phi)$, gửi chuỗi lệnh điều khiển và giao diện vẽ đồ thị đáp ứng thời gian thực góc quay và vị trí các trục.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Đặt vấn đề
Chương 1 trình bày tổng quan về tầm quan trọng của robot công nghiệp trong sản xuất tự động hóa (lắp ráp, đóng gói, môi trường độc hại). Tác giả tổng hợp các định nghĩa tiêu chuẩn về robot của AFNOR, RIA, TOCT 25686-85; phân tích ưu điểm về không gian làm việc hình trụ và tỷ lệ tầm vươn/kích thước của robot SCARA. Chương này xác định rõ mục tiêu hoàn thiện khớp thứ 4, tích hợp phễu hút khí nén, thiết kế mạch điều khiển và lập trình thuật toán điều khiển vị trí tốc độ cao cho robot SCARA tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; đồng thời giới thiệu tổng quan một số dòng robot SCARA thương mại của DENSO, EPSON, ADEPT và KUKA.
Chương 2. Tổng quan về robot
Chương 2 tổng thuật lịch sử phát triển robot công nghiệp trên thế giới từ năm 1921 (vở kịch R.U.R của Karel Capek), sản phẩm Versatran của AMF (1960) đến sự phát triển của hơn 200 công ty robot hiện đại (Mỹ, Nhật, Tây Âu). Tác giả phân loại robot theo kết cấu (robot chuỗi, robot song song), theo phương pháp điều khiển (điều khiển hở, điều khiển kín điểm-điểm và contour) và theo ứng dụng (hàn, sơn, lắp ráp, chuyển phôi). Chương này đánh giá chi tiết tình hình nghiên cứu SCARA quốc tế (các phương pháp điều khiển động học ngược, phản hồi phân ly phi tuyến, điều khiển thích nghi MRAC, điều khiển trượt) và thực trạng nghiên cứu trong nước (các nghiên cứu tại ĐHBK Hà Nội, Viện KHCNVN, Robot TOSY), chỉ ra hạn chế lớn của nghiên cứu trong nước là chủ yếu dừng ở mô phỏng lý thuyết hoặc phụ thuộc cơ khí nhập ngoại.
Chương 3. Thông số kỹ thuật và Động học Robot SCARA
Chương 3 xây dựng toàn bộ cơ sở giải tích động học cho mô hình robot SCARA:
- Xác định miền làm việc của các khớp: Khớp xoay 1 có góc $\theta_1 \in [-140^\circ, 140^\circ]$, khớp xoay 2 có góc $\theta_2 \in [-150^\circ, 150^\circ]$, khớp trượt 3 có hành trình $d_3 \le 350\text{ mm}$, khớp 4 quay quanh trục thẳng đứng.
| Khâu / Khớp ($i$) |
$a_i$ |
$d_i$ |
$\alpha_i$ |
$\theta_i$ |
| 1 |
$l_1$ |
$d_1$ (hoặc $0$) |
$0^\circ$ |
$\theta_1$ (biến khớp) |
| 2 |
$l_2$ |
$0$ |
$180^\circ$ |
$\theta_2$ (biến khớp) |
| 3 |
$0$ |
$d_3$ (biến khớp) |
$0^\circ$ |
$0^\circ$ |
| 4 |
$0$ |
$d_4$ |
$0^\circ$ |
$\theta_4$ (biến khớp) |
- Thiết lập hệ phương trình động học thuận xác định vị trí đầu tác động cuối:
$$x = P_x = l_2 \cos(\theta_1 + \theta_2) + l_1 \cos\theta_1$$
$$y = P_y = l_2 \sin(\theta_1 + \theta_2) + l_1 \sin\theta_1$$
$$z = P_z = -d_4 - d_3$$
- Giải hệ phương trình động học nghịch:
$$\cos\theta_2 = \frac{P_x^2 + P_y^2 - a_1^2 - a_2^2}{2a_1a_2}, \quad \sin\theta_2 = \pm\sqrt{1 - \cos^2\theta_2} \rightarrow \theta_2 = \text{atan2}(\sin\theta_2, \cos\theta_2)$$
$$\theta_1 = \text{atan2}(S_1, C_1), \quad d_3 = -P_z - d_4, \quad \theta_4 = \theta_1 + \theta_2 - \phi$$
- Thiết lập ma trận Jacobian $6 \times 4$ mô tả mối quan hệ vi phân vận tốc giữa không gian khớp và không gian Decartes. Thống kê chi tiết thông số động cơ DC Servo các khớp và các thiết bị khí nén (van 3/2 MPS-322S, van chân không VRI 09, phễu hút 33969 ISV-1/8, khuôn bi 3 lớp).
Chương 4. Thiết kế và bổ sung khớp thứ 4
Chương 4 tập trung tính toán, lựa chọn và thiết kế chi tiết kết cấu truyền động cho khớp xoay thứ 4:
- So sánh các loại đai (đai dẹt, đai thang, đai tròn, đai hình lược, đai răng), từ đó chọn dây đai răng XL do ưu điểm ăn khớp chống trượt, hiệu suất cao và vận hành êm.
- Lựa chọn động cơ DC Servo NC5475E ($24\text{ V}, 32{,}46\text{ W}, 4948\text{ rpm}$).
- Tính toán thông số hình học bộ truyền: Xác định số răng bánh chủ động $z_1 = 28$ ($d_1 = 34\text{ mm}$), bánh bị động $z_2 = 35$ ($d_2 = 55\text{ mm}$), khoảng cách trục $a = 132\text{ mm}$, góc ôm $\alpha_1 = 170{,}1^\circ \ge 120^\circ$, chiều dài đai tiêu chuẩn chọn dòng 160XL chu vi $406{,}08\text{ mm}$, tỉ số truyền $i = 1{,}62$ cho tốc độ trục bị động $n_2 \approx 3054\text{ rpm}$.
- Phân tích động lực học đai: Tính toán lực căng ban đầu $F_0$, lực căng nhánh căng $F_1 = F_0 + F_t/2$, lực nhánh chùng $F_2 = F_0 - F_t/2$, lực vòng $F_t = 2T_1/d_1$, lực quán tính ly tâm $F_v = q_m v^2$ và xác định biểu đồ ứng suất tổng $\sigma_{\max} = \sigma_1 + \sigma_p + \sigma_u$.
- Xây dựng bản vẽ 3D chi tiết bánh đai chủ động, bánh đai bị động, giá đỡ động cơ và toàn bộ cụm khớp thứ 4 lắp trên cánh tay robot.
Chương 5. Thi công điện – điều khiển và thuật toán
Chương 5 trình bày thiết kế phần cứng và giải thuật điều khiển hệ thống:
- Thiết kế và chế tạo mạch công suất Driver DC Servo, mô phỏng mạch in trên phần mềm chuyên ngành.
- Xây dựng thuật toán xử lý trên vi điều khiển ARM: Lưu đồ ngắt nhận chuỗi dữ liệu điều khiển từ máy tính qua USART1, lưu đồ nhận dữ liệu từ mạch đọc encoder qua USART2, thuật toán điều khiển PID vị trí và thuật toán PID chia điểm trung gian.
- Thiết kế mạch đọc hồi tiếp encoder độc lập sử dụng giao tiếp QEI, giải thuật kiểm tra sự thay đổi xung encoder và gửi dữ liệu phản hồi.
- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát đồ thị đáp ứng vị trí các trục trên máy tính.
Chương 6. Kết quả thực nghiệm, phân tích – tổng hợp
Chương 6 công bố các kết quả chạy thực nghiệm trên mô hình robot SCARA thực tế:
- Thực nghiệm di chuyển điểm đơn lẻ (Point-to-Point): Kiểm tra độ chính xác dừng vị trí tại các tọa độ đặt trước trong không gian làm việc.
- Thực nghiệm di chuyển theo quy trình liên tục: Đánh giá khả năng phối hợp chuyển động 4 trục cùng lúc.
- Thực nghiệm quy trình công nghệ gắp - đặt: Robot thực hiện hút lần lượt 10 viên bi thép từ khuôn 1, nâng lên, di chuyển với tốc độ cao đến vị trí khuôn 2, hạ xuống và nhả bi vào vị trí an toàn.
- Phân tích đồ thị đáp ứng: Đánh giá sai lệch tĩnh, thời gian đáp ứng và độ vọt lố của từng khớp 1, 2, 3, 4 riêng biệt và đồ thị đáp ứng đồng thời 4 trục qua bảng dữ liệu tọa độ thực tế và tọa độ đáp ứng.
Chương 7. Kết luận và hướng phát triển
Chương 7 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của đề tài, đánh giá các ưu điểm về tốc độ, khả năng làm việc chính xác của hệ thống chấp hành cơ - điện - khí nén; thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại và đề xuất các hướng phát triển tiếp theo cho hệ thống.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính của đồ án:
- Giải quyết hoàn chỉnh bài toán động học thuận, động học nghịch và ma trận Jacobian $6 \times 4$ cho robot SCARA 4 bậc tự do, cung cấp công thức giải tích tường minh phục vụ lập trình điều khiển vị trí.
- Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện kết cấu cơ khí khớp thứ 4 sử dụng bộ truyền đai răng 160XL (tỉ số truyền $i = 1{,}62$, góc ôm $170{,}1^\circ$) kết hợp động cơ DC Servo NC5475E và cơ cấu trục vít me bi ($D=20\text{ mm}$, bước $20\text{ mm}$).
- Chế tạo và tích hợp hệ thống kẹp hút khí nén sử dụng van đảo chiều $3/2$ MPS-322S, van tạo chân không VRI 09 và phễu hút 33969 ISV-1/8 ở áp suất làm việc $4 - 5\text{ bar}$.
- Thiết kế, thi công hoàn chỉnh phần cứng mạch DC Servo Driver và mạch đọc xung encoder đa kênh giao tiếp vi điều khiển ARM.
- Xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát trên máy tính, thực nghiệm thành công chu trình gắp thả 10 viên bi thép $\varnothing20\text{ mm}$ giữa hai bộ khuôn mẫu với độ tin cậy cao.
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
- Sử dụng bộ truyền đai răng kết hợp vít me bi cho khớp 4 nhằm triệt tiêu hiện tượng trượt, giảm tải trọng tĩnh lên động cơ và duy trì độ chính xác khi đảo chiều quay ở tốc độ cao.
- Phân tách khối đọc xung encoder (QEI) thành mạch phần cứng riêng biệt kết nối qua USART2 để giảm tải ngắt cho vi điều khiển ARM trung tâm.
- Ứng dụng giải thuật PID chia điểm nội suy quỹ đạo thay vì xuất trực tiếp giá trị đích, giúp giảm sốc cơ khí và hạn chế quá điều chỉnh của các khâu quay.
Đóng góp của đề tài:
- Hoàn thiện mô hình thực nghiệm robot SCARA 4 bậc tự do từ phần cứng cơ khí, mạch công suất đến thuật toán điều khiển, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành Cơ điện tử tại nhà trường.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận trong văn bản:
- Kết cấu cơ khí gia công trong nước vẫn còn độ rơ nhất định, xuất hiện hiện tượng rung lắc nhẹ khi robot chuyển động và dừng ở vận tốc tối đa.
- Hệ thống điều khiển mới dừng lại ở thuật toán điều khiển vị trí điểm-điểm (PTP) và PID chia điểm, chưa thực hiện được điều khiển liên tục theo quỹ đạo vận tốc/gia tốc tối ưu (Contour control) hoặc bù mô-men động lực học.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại, bền vững và thích nghi cao hơn cho robot SCARA như: điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến, điều khiển trượt (Sliding Mode Control), điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC).
- Tối ưu hóa thuật toán điều khiển vận tốc để nâng cao độ mượt mà của quỹ đạo di chuyển.
- Nâng cấp độ cứng vững kết cấu cơ khí và gia công chính xác các chi tiết gá lắp để triệt tiêu rung động ở tốc độ cao.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo máy:
- Phần động học (Chương 3): Cung cấp các bước thiết lập bảng thông số D-H, tính toán ma trận chuyển đổi thuần nhất và nghiệm giải tích động học nghịch rõ ràng, có thể áp dụng trực tiếp cho các mô hình robot SCARA tương tự.
- Phần tính toán cơ khí (Chương 4): Quy trình tính toán kiểm nghiệm bộ truyền đai răng (hình học, góc ôm, lực căng, ứng suất) và chọn động cơ DC Servo là tài liệu thực hành thiết kế cơ điện tử cụ thể.
- Phần mạch điện và giải thuật (Chương 5): Sơ đồ nguyên lý khối Driver, mạch đọc encoder QEI và lưu đồ thuật toán điều khiển PID chia điểm cung cấp giải pháp xử lý thực tế cho các hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục thời gian thực.
Câu hỏi thường gặp
1. Khớp thứ 4 của robot SCARA trong đề tài được thiết kế truyền động bằng cơ cấu gì và thông số ra sao?
Khớp thứ 4 sử dụng bộ truyền đai răng loại 160XL (chất liệu cao su, chu vi $406{,}08\text{ mm}$) truyền động từ động cơ DC Servo NC5475E ($24\text{ V}, 32{,}46\text{ W}, 4948\text{ rpm}$) đến trục xoay vít me bi. Bánh đai chủ động có đường kính $d_1 = 34\text{ mm}$ ($z_1 = 28$ răng), bánh bị động có $d_2 = 55\text{ mm}$ ($z_2 = 35$ răng), khoảng cách trục $a = 132\text{ mm}$, góc ôm bánh chủ động $\alpha_1 = 170{,}1^\circ$ và tỉ số truyền $i = 1{,}62$.
2. Bậc tự do và giới hạn chuyển động của các khớp trên mô hình robot được xác định như thế nào?
Robot có 4 bậc tự do ($\text{DOF} = 4$). Giới hạn làm việc của các biến khớp gồm: Khớp 1 xoay $\theta_1 \in [-140^\circ, 140^\circ]$; Khớp 2 xoay $\theta_2 \in [-150^\circ, 150^\circ]$; Khớp 3 tịnh tiến thẳng đứng với hành trình $d_3 \le 350\text{ mm}$; Khớp 4 xoay quanh trục thẳng đứng.
3. Cơ cấu tác động cuối của robot sử dụng loại thiết bị khí nén nào để hút phôi?
Cơ cấu tác động cuối sử dụng hệ thống hút chân không khí nén gồm: van đảo chiều điện từ 3/2 mã hiệu MPS-322S (điện áp $24\text{ V}$, áp suất $5 - 8\text{ bar}$), van hút chân không mã hiệu VRI 09 (áp suất $5\text{ bar}$) và phễu hút chân không mã hiệu 33969 ISV-1/8 hoạt động ở áp suất $4 - 5\text{ bar}$.
4. Kiến trúc vi điều khiển và thuật toán điều khiển vị trí được triển khai như thế nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển ARM làm khối xử lý trung tâm, giao tiếp với máy tính qua USART1 và nhận dữ liệu phản hồi từ mạch đọc xung encoder QEI riêng biệt qua USART2. Thuật toán điều khiển trên vi điều khiển là giải thuật PID vị trí kết hợp kỹ thuật PID chia điểm nội suy để điều khiển độ rộng xung PWM cấp cho mạch DC Servo Driver.
5. Đối tượng phôi và đồ gá thực nghiệm gắp đặt trong đồ án có đặc điểm gì?
Phôi thử nghiệm là 10 viên bi thép hình cầu $\varnothing20\text{ mm}$ lấy từ ổ bi công nghiệp. Đồ gá gồm 2 bộ khuôn chứa bi 3 lớp kích thước $140 \times 140\text{ mm}$ (lớp trên dày $10\text{ mm}$ có lỗ $\varnothing20\text{ mm}$, lớp giữa trong suốt dày $3\text{ mm}$ có lỗ $\varnothing10\text{ mm}$, lớp đáy dày $3\text{ mm}$ gắn chân thép ren suốt $\varnothing4\text{ mm}$ dài $300\text{ mm}$).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA" của sinh viên Trương Đăng Khoa và Ngô Văn Tửng đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết giải tích và thực nghiệm kỹ thuật cơ điện tử. Đề tài đã xây dựng chính xác mô hình toán học động học thuận, động học nghịch và ma trận Jacobian, đồng thời hoàn thiện thiết kế cơ khí khớp xoay thứ 4 bằng bộ truyền đai răng 160XL kết hợp cơ cấu hút chân không khí nén. Hệ thống phần cứng mạch DC Servo Driver và giải thuật PID chia điểm trên vi điều khiển ARM đã được kiểm chứng hoạt động ổn định qua chu trình gắp thả 10 viên bi thép tốc độ cao, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển quỹ đạo phức tạp hơn trên mô hình robot SCARA thực tế.
