Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA ba bậc tự do" được thực hiện bởi sinh viên Vũ Quang Huy, chuyên ngành Hệ thống cơ điện tử thông minh, ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Du (thời điểm hoàn thành: tháng 01/2024).

Bối cảnh thực tiễn của đề tài xuất phát từ quá trình tự động hóa sản xuất công nghiệp, nơi các thiết bị tay máy robot dần thay thế con người thực hiện các thao tác vận hành liên tục, nặng nhọc, nguy hiểm hoặc đòi hỏi tính chính xác và độ lặp lại cao. Trong số các cấu hình robot công nghiệp, robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) nổi bật với cấu trúc động học đặc trưng: cánh tay có tính mềm dẻo, linh hoạt cao trong mặt phẳng ngang (trục Oxy) nhưng lại sở hữu độ cứng vững vượt trội theo phương thẳng đứng (trục Z). Đặc tính này giúp robot SCARA đạt hiệu suất vượt trội trong các dây chuyền lắp ráp linh kiện cơ khí, vi mạch điện tử, thao tác chèn chốt, gắp đặt vật thể (pick and place), hàn xì hoặc khắc laser.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh hệ thống điều khiển cho robot SCARA 3 bậc tự do, từ mô hình hóa lý thuyết đến mô phỏng kiểm chứng chất lượng động lực học. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Khảo sát tổng quan về cấu tạo, nguyên lý vận hành, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của dòng robot SCARA trong công nghiệp;
  2. Xác định các yêu cầu kỹ thuật, thông số hình học và lựa chọn cấu hình phần cứng (cơ khí, thiết bị chấp hành, cảm biến, mạch điều khiển);
  3. Giải bài toán động học thuận và động học ngược nhằm xác định mối quan hệ giữa không gian khớp và không gian thao tác;
  4. Xây dựng phương trình vi phân chuyển động (động lực học thuận và ngược) dựa trên phương pháp Lagrange loại II;
  5. Hoạch định quỹ đạo chuyển động dạng đa thức bậc 3 cho chu trình thao tác gắp – thả vật phẩm;
  6. Mô hình hóa toán học động cơ điện một chiều và hệ thống truyền động vít me – đai ốc bi, khảo sát tính ổn định và sai lệch tĩnh của hệ thống vòng hở;
  7. Thiết kế, hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID nhằm nâng cao tốc độ đáp ứng và triệt tiêu sai số bám;
  8. Xây dựng mô hình 3D trên SolidWorks, tích hợp vào MATLAB/Simscape để mô phỏng, phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật và lập trình giao diện điều khiển.

Đối tượng nghiên cứu là tay máy robot SCARA 3 bậc tự do (gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến – cấu hình RRP). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian làm việc bao gồm tầm với cực đại trong mặt phẳng ngang là 970 mm, hành trình tịnh tiến trục Z từ 0 đến 400 mm, tải trọng phục vụ từ 5 kg đến 10 kg. Về mặt phương pháp, nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa giải tích kết hợp mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink/Simscape và đề xuất cấu hình phần cứng công nghiệp, chưa bao gồm chế tạo thực nghiệm toàn bộ mô hình vật lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Để giải quyết bài toán thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA, tác giả đã phối hợp đồng bộ các cơ sở lý thuyết cơ học tay máy, lý thuyết điều khiển tự động và các công cụ mô phỏng số:

  • Khung lý thuyết động học: Thiết lập bảng thông số Denavit – Hartenberg (D-H) để mô tả cấu hình hình học của chuỗi động học hở 3 khâu. Thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát $T_0^3$ nhằm xác định vị trí và hướng khâu thao tác cuối. Hướng của khâu thao tác được biểu diễn thông qua ma trận cosin chỉ hướng đồng nhất với ma trận góc Cardan ($\alpha, \beta, \eta$). Bài toán động học ngược được giải quyết bằng phương pháp giải tích kết hợp định thức Cramer (Kramer's rule) để tìm nghiệm tường minh cho góc quay các khớp từ tọa độ Descartes của điểm thao tác. Vận tốc điểm thao tác được suy dẫn qua ma trận Jacobi ($J_{TE}$).
  • Khung lý thuyết động lực học: Sử dụng phương trình vi phân Lagrange loại II dạng ma trận để thiết lập mô hình toán học: $$M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) + Q = U$$ Trong đó, ma trận khối lượng $M(q)$ được tổng hợp từ động năng tịnh tiến và động năng quay của từng khâu (sử dụng ma trận Jacobi tịnh tiến $J_T$ và Jacobi quay $J_R$). Ma trận lực Coriolis và lực ly tâm $C(q, \dot{q})$ được tính toán chính xác thông qua các hệ số Christoffel loại một. Vector thế năng trọng trường $G(q)$ được đạo hàm từ tổng thế năng các khâu. Vector lực không thế $Q$ phản ánh ngoại lực tác động lên khâu thao tác cuối.
  • Lý thuyết quy hoạch quỹ đạo: Áp dụng phương pháp nội suy đa thức bậc 3 theo thời gian ($x(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$) nhằm đảm bảo tính liên tục của hàm vị trí và vận tốc, loại bỏ hiện tượng giật cục cơ học trong quá trình khởi động và dừng khớp.
  • Lý thuyết điều khiển tuyến tính và ổn định hệ thống: Động cơ điện DC kích từ độc lập điều khiển bằng điện áp phần ứng được mô hình hóa qua phương trình cân bằng điện áp và cân bằng mô-men trục quay, kết hợp với khâu tích phân của bộ truyền vít me bi ($K = p / (2\pi)$) để thành lập hàm truyền đạt bậc 3 giữa điện áp đầu vào và góc quay/độ dịch chuyển đầu ra. Đánh giá tính ổn định hệ thống thông qua tiêu chuẩn đại số Routh – Hurwitz cho hệ hở và tiêu chuẩn hình học Nyquist cho hệ kín; sai lệch tĩnh được xác định theo định lý giá trị cuối với tín hiệu kích thích hàm nấc $u(t) = 1(t)$.
  • Phương pháp hiệu chỉnh bộ điều khiển PID: Áp dụng luật điều khiển vi tích phân tỷ lệ kinh điển (Proportional – Integral – Derivative) phân kênh độc lập cho từng khớp, sử dụng công cụ tích hợp PID Tuner trong MATLAB để tối ưu hóa bộ ba tham số $K_p, K_i, K_d$.
  • Nguồn dữ liệu: Các thông số khối lượng, tọa độ khối tâm và ma trận mô-men quán tính ($I_{xx}, I_{yy}, I_{zz}$) của các khâu được trích xuất trực tiếp từ mô hình thiết kế CAD trên phần mềm SolidWorks; các thông số động cơ và driver dựa trên dữ liệu kỹ thuật của dòng sản phẩm công nghiệp Yaskawa SGMAV và SGDV-5R5A.

Thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển robot SCARA được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng, tích hợp giữa phần cứng cơ điện tử và mô hình điều khiển số:

[Khối tạo quỹ đạo bậc 3] -> [Bài toán động học ngược] -> [Sai số vị trí e(t)] -> [Bộ điều khiển PID] -> [Mô hình động cơ DC & Driver] -> [Cơ cấu cơ khí 3D (Simscape)]

Kiến trúc cơ khí và động học

Hệ thống cơ khí bao gồm ba trục chuyển động: khớp 1 và khớp 2 là các khớp quay phẳng có trục song song nhau, dẫn động các cánh tay có chiều dài lần lượt là $a_1 = 500\text{ mm}$ và $a_2 = 450\text{ mm}$. Khớp 3 là khớp tịnh tiến theo phương thẳng đứng với trục vít me – đai ốc bi có hành trình $400\text{ mm}$. Bảng thông số D-H của hệ thống được xác lập như sau:

Khâu ($i$) Góc khớp $\theta_i$ Độ dịch trục $d_i$ (mm) Chiều dài khâu $a_i$ (mm) Góc xoắn $\alpha_i$ (rad) Miền giá trị làm việc
1 $q_1$ $d_1 = 500$ $a_1 = 500$ 0 $-165^\circ \le q_1 \le +165^\circ$
2 $q_2$ $d_2 = 100$ $a_2 = 450$ 0 $-147^\circ \le q_2 \le +147^\circ$
3 0 $q_3$ 0 0 $0 \le q_3 \le 400\text{ mm}$

Mô hình hóa toán học đối tượng điều khiển

Hàm truyền đạt tổng quát biểu diễn quan hệ giữa góc quay động cơ $\theta_m(s)$ và điện áp phần ứng $U(s)$ có dạng bậc 3: $$G_{dc}(s) = \frac{\theta_m(s)}{U(s)} = \frac{K_{td}}{T_1 s^3 + T_2 s^2 + s}$$

Trong đó, các hằng số được xác định qua các thông số cơ điện: điện trở phần ứng $R$, điện cảm $L$, hằng số sức điện động $K_e$, hằng số mô-men $K_m$, mô-men quán tính quy đổi $J_{td} = J_m + n^2 J_l$ và hệ số ma sát nhớt quy đổi $B_{td} = B_m + n^2 B_l$. Đối với khâu 3 (khâu tịnh tiến), hàm truyền đạt vị trí dịch chuyển kết hợp tỷ số truyền hộp giảm tốc $n_3$ và hệ số bước vít $K = p / (2\pi)$ tạo thành cấu trúc: $$G_{\text{khâu 3}}(s) = \frac{n_3 K_{td} K}{T_1 s^3 + T_2 s^2 + s}$$

Lựa chọn thiết bị và cấu hình phần cứng

Để chuẩn bị cho việc hiện thực hóa mô hình, đồ án đã tiến hành lựa chọn các phần tử phần cứng công nghiệp tiêu chuẩn:

  • Động cơ chấp hành: Dòng động cơ AC Servo Yaskawa SGMAV với các thông số: dòng điện định mức $4{,}4\text{ A}$, hằng số sức điện động $K_e = 56/60\text{ Vs/rad}$, hệ số mô-men $K_m = 0{,}487\text{ Nm/A}$.
  • Bộ điều khiển động cơ (Driver): Sử dụng driver servo Yaskawa SGDV-5R5A, giao tiếp qua cổng I/O CN1, điều khiển vị trí bằng phương pháp nhận xung/hướng (Pulse/Sign) tần số cao từ bộ điều khiển trung tâm.
  • Khối điều khiển trung tâm: Lựa chọn kit vi điều khiển 32-bit STM32F407 DISCOVERY kết hợp giao tiếp UART/RS232 để truyền nhận dữ liệu với máy tính, xử lý thuật toán phát xung và đọc tín hiệu hồi tiếp từ encoder.

Triển khai mô phỏng trên Simscape Multibody

Tác giả đã chuyển đổi toàn bộ tệp thiết kế CAD từ SolidWorks sang môi trường Simscape Multibody trong MATLAB. Mô hình mô phỏng bao gồm khối Position Reference (phát tín hiệu quỹ đạo đặt), khối thuật toán PID, khối hàm truyền động cơ DC và khối 3D SCARA Robot. Sơ đồ này cho phép kiểm tra trực quan chuyển động không gian, đo đạc trực tiếp mô-men khớp, vận tốc và sai số bám quỹ đạo động học ngược trong điều kiện có tương tác quán tính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về Robot SCARA

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển và cấu trúc động học của robot SCARA. Tác giả phân tích cụ thể các ưu điểm cốt lõi gồm: tốc độ chuyển động nhanh hơn các hệ robot tọa độ Descartes tương đương, độ chính xác định vị và độ lặp lại cao, kết cấu bệ đỡ đơn chiếm diện tích mặt sàn nhỏ. Nhược điểm được chỉ rõ là giới hạn tải trọng (thường dưới 30 kg, phổ biến từ 5 đến 15 kg) và hành trình trục Z ngắn. Chương này cũng phân tích các ứng dụng điển hình trong dây chuyền gắp thả, hàn, lắp ráp linh kiện vi cơ điện tử và khảo sát một số dòng robot thương mại (Denso HM-G, Fanuc SR-6iA, Epson). Phần cuối chương đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật phục vụ bài toán thiết kế: 3 bậc tự do, tải trọng làm việc 5 kg, tầm với 970 mm, hành trình trục Z 400 mm, độ chính xác lặp $\pm 0{,}01\text{ mm}$ cùng các yêu cầu về thuật toán phần mềm nội suy chuyển động.

Chương 2: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

Chương 2 phân tích sâu nguyên lý chuyển động của các cụm khớp: khớp 1 và khớp 2 truyền động xoay thông qua bộ truyền đai hoặc bánh răng; khớp 3 sử dụng trục vít me – đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến dọc trục Z. Tác giả xác lập miền làm việc cụ thể của các trục: khớp 1 xoay $\pm 165^\circ$, khớp 2 xoay $\pm 147^\circ$, hành trình khớp 3 đạt $0 \div 400\text{ mm}$, tải trọng cực đại cho phép đạt 10 kg. Chương này cũng tiến hành phân tích các thành phần cấu thành hệ thống điều khiển: so sánh ưu nhược điểm giữa động cơ bước (vòng hở, điều khiển nửa bước/toàn bước) và động cơ servo (vòng kín, phản hồi encoder độ phân giải cao), phân tích cấu tạo bộ nguồn tổ ong, mạch công suất driver và nguyên lý ghép nối máy tính qua chuẩn RS232/UART với kit Arduino Mega hoặc vi điều khiển.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Đây là chương nội dung trọng tâm của đồ án, triển khai toàn bộ các bước tính toán giải tích và thiết kế thuật toán:

  • Động học: Thiết lập thành công hệ phương trình động học thuận: $$\begin{cases} x = 450\cos(q_1 + q_2) + 500\cos(q_1) \ y = 450\sin(q_1 + q_2) + 500\sin(q_1) \ z = 600 + q_3 \end{cases}$$ Đồng thời giải bài toán động học ngược bằng phương pháp giải tích để tìm $q_1, q_2, q_3$ theo tọa độ điểm tác động cuối $(x_E, y_E, z_E)$.
  • Động lực học: Sử dụng phương pháp Lagrange loại II, tính toán chi tiết ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$ và vector trọng lực $G(q) = [0,; 0,; -m_3 g]^T$. Thiết lập biểu thức lực dẫn động $\tau_1, \tau_2, \tau_3$ tại các khớp khi chịu lực ngoại cảnh $F_z$.
  • Hoạch định quỹ đạo: Thiết kế quỹ đạo không gian theo hàm đa thức bậc 3 cho chu trình gắp đặt vật phẩm gồm 8 giai đoạn liên hoàn: $S \to A' \to A \to \text{Gắp} (1\text{s}) \to AA' \to A'B' \to B'B \to \text{Thả} (1\text{s}) \to BB'$.
  • Mô hình hóa động cơ và khảo sát ổn định: Thiết lập hàm truyền bậc 3 của hệ thống truyền động từng khớp. Áp dụng bảng tiêu chuẩn Routh cho thấy tất cả các hệ số cột 1 đều dương, khẳng định hệ hở ổn định. Đồ trị Nyquist của cả 3 khâu đều không bao điểm $(-1 + 0j)$, chứng minh hệ kín ổn định tuyệt đối. Sai lệch tĩnh với tín hiệu đầu vào hàm nấc đều bằng 0 ($e_\infty = 0$). Tuy nhiên, đáp ứng tự nhiên của hệ hở quá chậm: thời gian xác lập khớp 1 và 2 là 210 giây, khớp 3 lên tới 700 giây.
  • Tổng hợp bộ điều khiển PID: Sử dụng công cụ PID Tuner xác định chính xác bộ thông số cho 3 khớp. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian xác lập giảm mạnh xuống dưới 0,5 giây, độ vọt lố kiểm soát dưới 12%. Kết nối mô hình điều khiển với khối 3D Simscape kiểm chứng chuyển động thực tế.

Chương 4: Lập trình điều khiển

Dựa trên cấu trúc hệ thống và danh mục kỹ thuật, Chương 4 triển khai thiết kế giao diện điều khiển (GUI) trực quan và xây dựng sơ đồ Simulink tích hợp toàn diện. Chương này trình bày kết quả mô phỏng các chế độ vận hành: mô phỏng động học thuận (nhập góc khớp xuất tọa độ đầu công tác), mô phỏng động học nghịch (nhập tọa độ mong muốn tính toán góc quay), điều khiển bám theo các quỹ đạo hình học phức tạp như quỹ đạo tròn và quỹ đạo xoắn ốc trong không gian 3 chiều, cùng chức năng điều khiển đưa robot tự động quay trở về vị trí gốc ban đầu (Home).

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể thông qua số liệu tính toán và mô phỏng được ghi nhận trong văn bản:

  1. Bộ thông số điều khiển PID tối ưu: Xác định chính xác bộ tham số điều khiển cho từng khâu thông qua công cụ PID Tuner trên MATLAB:
Khâu điều khiển Hệ số tỷ lệ ($K_p$) Hệ số tích phân ($K_i$) Hệ số vi phân ($K_d$)
Khâu 1 (Khớp quay 1) 3181,468 17229,578 117,609
Khâu 2 (Khớp quay 2) 5248,967 71094,881 37,143
Khâu 3 (Khớp tịnh tiến 3) 13279,113 68743,440 594,640
  1. Cải thiện triệt để chất lượng đáp ứng động học: Việc ứng dụng bộ điều khiển PID đã giúp rút ngắn căn bản thời gian quá độ so với hệ thống hở ban đầu:
Tiêu chí chất lượng Khâu 1 (Chưa PID $\to$ Đã có PID) Khâu 2 (Chưa PID $\to$ Đã có PID) Khâu 3 (Chưa PID $\to$ Đã có PID)
Độ vọt lố ($%$) $0% \to 10%$ $0% \to 10%$ $0% \to 12%$
Thời gian tăng ($t_r$) $80\text{ s} \to 0{,}06\text{ s}$ $80\text{ s} \to 0{,}06\text{ s}$ $250\text{ s} \to 0{,}01\text{ s}$
Thời gian xác lập ($t_s$) $210\text{ s} \to 0{,}5\text{ s}$ $210\text{ s} \to 0{,}5\text{ s}$ $700\text{ s} \to 0{,}4\text{ s}$
Sai lệch tĩnh ($e_\infty$) $0 \to 0$ $0 \to 0$ $0 \to 0$
  1. Đóng góp kỹ thuật của đề tài:
  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học giải tích cho cấu hình robot SCARA 3 bậc tự do, bao gồm phương trình động học thuận/ngược và hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến Lagrange II;
  • Thiết lập quy trình mô phỏng đồng bộ (Co-simulation) giữa mô hình cơ khí 3D CAD từ SolidWorks chuyển sang Simscape Multibody với sơ đồ thuật toán điều khiển trong MATLAB/Simulink;
  • Hoạch định quỹ đạo trơn dạng đa thức bậc 3 cho bài toán gắp đặt vật thể công nghiệp, kiểm chứng sự trùng khớp giữa tín hiệu đặt và quỹ đạo thực tế với sai số biến khớp tiệm cận 0;
  • Lựa chọn cấu hình phần cứng tương thích công nghiệp (động cơ servo Yaskawa SGMAV, driver SGDV-5R5A, vi điều khiển STM32F407) định hướng cho việc chế tạo thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong báo cáo, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Giả thiết mô hình lý tưởng: Trong quá trình thiết lập phương trình động lực học Lagrange II, tác giả giả thiết mô hình cơ khí là lý tưởng, bỏ qua các thành phần phi tuyến phức tạp trong thực tế như ma sát khô (Coulomb friction), ma sát nhớt phi tuyến tại các ổ bi, độ rơ khớp nối và khe hở của bộ truyền đai/bánh răng.
  • Giới hạn ở mức độ mô phỏng số: Kết quả kiểm chứng của đồ án mới dừng lại ở việc mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink và Simscape Multibody; các giải thuật điều khiển và phương án ghép nối phần cứng vi điều khiển STM32F407 với driver servo Yaskawa chưa được kiểm nghiệm trên mô hình vật lý thực tế chế tạo hoàn chỉnh.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:

  1. Hoàn thiện việc gia công cơ khí chính xác và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình vật lý robot SCARA 3 bậc tự do;
  2. Bổ sung các thông số ma sát thực nghiệm vào mô hình động lực học để nâng cao độ chính xác của mô hình toán;
  3. Nạp thuật toán điều khiển thời gian thực lên vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY, thực hiện ghép nối xung – hướng với driver SGDV-5R5A và đánh giá sai số bám quỹ đạo thực tế bằng cảm biến đo lường độc lập.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot và Cơ khí Chế tạo máy:

  • Tài liệu tham khảo phương pháp luận: Cung cấp hướng dẫn từng bước về việc ứng dụng đại số ma trận D-H và cơ học giải tích Lagrange II để thành lập phương trình động học, động lực học chi tiết cho tay máy công nghiệp.
  • Tài liệu thực hành mô phỏng: Là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp cần kết nối mô hình CAD từ SolidWorks sang Simscape Multibody, kết hợp tinh chỉnh tham số PID bằng công cụ PID Tuner trong MATLAB.
  • Giá trị ứng dụng công nghiệp: Cung cấp phương pháp tính chọn công suất động cơ servo, thiết lập hàm truyền đạt cho cơ cấu vít me – đai ốc bi và cấu hình truyền thông điều khiển vị trí với dòng driver công nghiệp Yaskawa.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc động học của robot SCARA trong đồ án mang đặc tính gì nổi bật so với các cấu hình robot công nghiệp khác?
Robot SCARA trong đồ án có cấu hình 3 bậc tự do gồm 2 khớp quay trục song song và 1 khớp tịnh tiến thẳng đứng (RRP). Cấu trúc này tạo ra đặc tính Selective Compliance (độ mềm dẻo có chọn lọc): cánh tay chuyển động linh hoạt, dễ uốn trong mặt phẳng ngang (Oxy) giúp thao tác nhanh và dễ dàng tiếp cận các vị trí trong vùng làm việc bán kính 970 mm, nhưng lại rất cứng vững theo phương dọc trục Z, đặc biệt thích hợp cho thao tác ấn, đóng chốt hoặc lắp ráp linh kiện mà không bị biến dạng đàn hồi dọc trục.

2. Tại sao hệ thống hở ban đầu bắt buộc phải bổ sung bộ điều khiển PID dù đã được chứng minh là ổn định?
Kết quả khảo sát bằng bảng Routh và đồ thị Nyquist cho thấy hệ hở của cả 3 khâu đều ổn định và có sai lệch tĩnh bằng 0 ($e_\infty = 0$). Tuy nhiên, đáp ứng tự nhiên của hệ hở quá chậm: thời gian tăng trưởng ($t_r$) của khớp 1 và 2 là 80 giây, khớp 3 là 250 giây; thời gian xác lập ($t_s$) của khớp 1 và 2 lên tới 210 giây, khớp 3 lên tới 700 giây. Tốc độ đáp ứng này không đáp ứng được yêu cầu làm việc thời gian thực trong công nghiệp. Bộ điều khiển PID được bổ sung để cưỡng bức hệ thống đạt thời gian xác lập dưới 0,5 giây.

3. Bài toán quy hoạch quỹ đạo gắp đặt vật phẩm được tác giả giải quyết bằng phương pháp nào?
Tác giả sử dụng phương pháp nội suy đa thức bậc 3 theo thời gian ($x(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$). Phương pháp này cho phép thỏa mãn đồng thời các điều kiện biên về vị trí bắt đầu, vị trí kết thúc và triệt tiêu vận tốc tại các điểm chuyển tiếp ($v(0) = 0, v(t_e) = 0$), giúp quỹ đạo chuyển động diễn ra êm ái, vận tốc biến thiên liên tục, không gây hiện tượng sốc động lực học hay rung lắc cơ khí cho cánh tay máy.

4. Khớp chuyển động tịnh tiến thứ 3 được mô hình hóa toán học như thế nào?
Khớp thứ 3 sử dụng bộ truyền trục vít me – đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Mô hình toán học của khâu này là sự kết hợp giữa hàm truyền đạt của động cơ DC kết hợp quán tính tải với khâu tích phân của trục vít me có hệ số khuếch đại $K = p / (2\pi)$ (với $p$ là bước vít), tạo nên hàm truyền đạt bậc 3 giữa điện áp cấp và độ dịch chuyển tịnh tiến.

5. Những thiết bị phần cứng chính nào được đề xuất để hiện thực hóa hệ thống điều khiển?
Đồ án đề xuất cấu hình phần cứng gồm: động cơ AC Servo Yaskawa dòng SGMAV (dòng $4{,}4\text{ A}$, hằng số mô-men $0{,}487\text{ Nm/A}$), bộ điều khiển vị trí Servo Driver Yaskawa SGDV-5R5A nhận tín hiệu xung/hướng qua cổng kết nối CN1, kit vi điều khiển 32-bit STM32F407 DISCOVERY đóng vai trò xử lý trung tâm, phát xung điều khiển và kết nối giao tiếp máy tính thông qua chuẩn UART/RS232.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Vũ Quang Huy đã giải quyết hoàn chỉnh các nội dung cốt lõi trong thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA 3 bậc tự do phục vụ thao tác gắp đặt tự động. Tác giả đã xây dựng thành công hệ thống phương trình giải tích động học và động lực học Lagrange II, mô hình hóa chính xác hàm truyền động cơ kết hợp trục vít me bi và tối ưu hóa bộ điều khiển PID giúp rút ngắn thời gian xác lập từ hàng trăm giây xuống dưới 0,5 giây. Mô hình đồng mô phỏng 3D trên Simscape Multibody đã kiểm chứng độ tin cậy của thuật toán bám quỹ đạo, đồng thời việc xác lập cấu hình phần cứng công nghiệp Yaskawa và STM32F407 tạo tiền đề vững chắc cho việc triển khai chế tạo thực nghiệm mô hình vật lý.