Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất hiện đại, robot công nghiệp đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất lao động, đảm bảo tính đồng đều và chất lượng sản phẩm tại các dây chuyền chế tạo. Tại Việt Nam, hoạt động nghiên cứu và phát triển các hệ thống robot công nghiệp đang được đẩy mạnh tại các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật, tiêu biểu là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA" được thực hiện trong khuôn khổ học phần bắt buộc "Đồ án Thiết kế hệ thống cơ điện tử" (Mã học phần: ME5512, thời gian thực hiện 15 tuần) thuộc chương trình đào tạo Kỹ sư Cơ điện tử, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Đề tài kế thừa và phát triển từ kết quả của đồ án thiết kế hệ thống cơ khí trước đó, nhằm hoàn thiện bài toán điều khiển toàn diện cho một tay máy công nghiệp dạng SCARA 3 bậc tự do.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đề tài bao gồm 4 nội dung chính:

  1. Mô hình hóa hệ thống điều khiển: Tiến hành mô hình hóa động học, động lực học và mô hình toán học cho từng trục chuyển động; xác định hàm truyền đạt của hệ thống cơ - điện; xây dựng mô hình điều khiển cho toàn bộ robot.
  2. Mô phỏng và đánh giá chất lượng: Sử dụng phần mềm MATLAB - Simulink để mô phỏng động lực học một trục và toàn hệ thống; đánh giá tính ổn định thông qua biểu đồ tần số (Nyquist) và xác định sai lệch tĩnh.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển PID; lựa chọn các phần tử phần cứng điều khiển (bộ điều khiển trung tâm, động cơ servo, servo driver, cảm biến); xây dựng bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện cấp nguồn và mạch ghép nối tín hiệu.
  4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động: Xây dựng mô hình mô phỏng 3D trên môi trường CAD/SimMechanics và giao diện người dùng (GUI) để kiểm chứng động học thuận, động học ngược của robot.

Đối tượng nghiên cứu là robot SCARA cấu hình 3 bậc tự do (gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến dạng RR-P). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa giải tích, mô phỏng số và thiết kế hệ thống phần cứng điều khiển nhúng công nghiệp, được hoàn thành vào tháng 9 năm 2021 dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Doanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết chuẩn mực trong lĩnh vực kỹ thuật robot và điều khiển tự động:

  • Lý thuyết động học robot: Sử dụng phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H) để thiết lập hệ tọa độ cục bộ trên các khâu, lập bảng thông số D-H, tính toán các ma trận biến đổi thuần nhất $T_i^{i-1}$, giải bài toán động học thuận, động học ngược vị trí và xác định ma trận Jacobian vận tốc $J_{TE}$.
  • Lý thuyết động lực học robot: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động tổng quát theo phương pháp Lagrange / D'Alembert dạng ma trận: $$M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) = Q$$ Trong đó xác định chi tiết ma trận khối lượng quán tính $M(q)$, ma trận lực ly tâm và Coriolis $C(q, \dot{q})$, vector trọng trường $G(q)$ và vector lực suy rộng $Q$.
  • Lý thuyết mô hình hóa hệ cơ - điện: Xây dựng mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập điều khiển bằng điện áp phần ứng, kết hợp phương trình cơ học rotor có xét đến hộp số giảm tốc ($J_{td}, B_{td}$) và cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc bi. Áp dụng biến đổi Laplace để suy ra hàm truyền đạt liên tục giữa điện áp đầu vào và góc quay/vận tốc đầu ra.
  • Lý thuyết điều khiển tuyến tính và quy hoạch quỹ đạo: Sử dụng tiêu chuẩn ổn định Nyquist để đánh giá miền ổn định của hàm truyền hở; áp dụng phương pháp quy hoạch quỹ đạo chuyển động bằng đa thức bậc ba (Cubic Polynomial) theo thời gian trong không gian thao tác đường thẳng; thiết kế và hiệu chỉnh thông số bộ điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) bằng công cụ PID Tuner trong MATLAB.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết, mô phỏng động học/động lực học trên MATLAB/Simulink/SimMechanics và phương pháp thiết kế kỹ thuật công nghiệp (lựa chọn linh kiện chuẩn công nghiệp, thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn và phối ghép I/O).

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế Đơn vị
Số bậc tự do (DOF) 3 (2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến) Khớp (RR-P)
Chiều dài khâu 1 ($a_1$) 350 mm
Chiều dài khâu 2 ($a_2$) 350 mm
Chiều cao gốc khâu 1 ($d_1$) 340 mm
Khoảng cách bù trục khâu 2 ($d_2$) 110 mm
Phạm vi góc quay khớp 1 ($q_1$) $[-165^\circ; +165^\circ]$ (tổng $330^\circ$) Độ ($^\circ$)
Phạm vi góc quay khớp 2 ($q_2$) $[-147^\circ; +147^\circ]$ (tổng $294^\circ$) Độ ($^\circ$)
Hành trình tịnh tiến khớp 3 ($q_3$) 0 đến 400 mm
Vận tốc chuyển động cực đại 20 cm/s
Độ chính xác lặp $\pm 0.1$ Độ ($^\circ$)
Tải trọng làm việc cực đại 0.5 kg

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc vòng kín (closed-loop control system) nhằm triệt tiêu sai số xác lập và kháng nhiễu tác động từ môi trường.

                  +-------------------------------------------------------------+
                  |                                                             |
                  v                                                             | (Phản hồi Encoder)
[Quỹ đạo đặt] -> [STM32F407] -> (PULS/SIGN) -> [SGDV-5R5A] -> [Động cơ SGMAV] -+-> [Cơ cấu SCARA]

Cấu hình phần cứng và giải pháp ghép nối điều khiển bao gồm:

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch vi điều khiển ARM 32-bit Cortex-M4 STM32F407VGT6 (Discovery Board), xung nhịp tối đa 168 MHz, bộ nhớ Flash 1 MB, SRAM 192 KB, bộ nhớ OTP 512 bytes, điện áp làm việc 1.6V, tích hợp 100 chân I/O, 14 bộ định thời (timer) hỗ trợ xuất PWM điều khiển động cơ, 3 bộ biến đổi ADC 12-bit, 1 bộ DAC, cùng các chuẩn giao tiếp công nghiệp I2C, USART, SPI, CAN, USB-OTG.
  • Hệ thống chấp hành và Driver: Sử dụng 3 bộ động cơ AC Servo và Driver Yaskawa dòng $\Sigma$-V (SGDV-5R5A kết hợp động cơ dòng SGMAV). Động cơ tích hợp sẵn bộ mã hóa xung tuyệt đối (Encoder) độ phân giải cao 20-bit, tương đương 1.048.576 xung/vòng.
  • Phương thức điều khiển vị trí: Driver hoạt động ở chế độ điều khiển vị trí (Position Control Mode - P-CON). Bộ điều khiển trung tâm xuất xung điều khiển thông qua chân PULS (chân số 7, 8 cổng CN1) và chân quy định chiều quay SIGN (chân số 11, 12 cổng CN1). Số xung cần cấp để trục sau hộp giảm tốc quay được $a$ vòng là: $$n_{tong} = 1.048.576 \times k \times a$$ (với $k$ là tỷ số truyền của hộp giảm tốc).
  • Phân bổ tín hiệu I/O: Mỗi servo driver sử dụng tối thiểu 10 chân tín hiệu để điều khiển và giám sát, tổng 3 driver yêu cầu 30 chân I/O từ STM32F407:
    • Tín hiệu đầu vào (Input): PULS (cấp xung), SIGN (chọn chiều), S-ON (cho phép Servo chạy), P-CON (chế độ điều khiển vị trí), P-OT (giới hạn hành trình chiều thuận), N-OT (giới hạn hành trình chiều nghịch).
    • Tín hiệu đầu ra (Output): ALO1, ALO2, ALO3 (mã lỗi cảnh báo), COIN (báo đã đến vị trí đặt), TGON (báo động cơ đạt tốc độ), SRDY (báo trạng thái Servo sẵn sàng).
  • Hệ thống cấp nguồn và bảo vệ: Nguồn động lực sử dụng điện áp 3 pha AC 220V (cấp vào các chân L1, L2, L3 và xuất ra động cơ qua cổng U, V, W). Nguồn điều khiển driver sử dụng điện áp 1 pha AC 220V (chân L1C, L2C). Nguồn nuôi mạch điều khiển và relay là nguồn 24VDC. Hệ thống trang bị đầy đủ các khí cụ bảo vệ: Aptomat tổng 1QF, bộ lọc nhiễu 1FT, khởi động từ nguồn chính 2KM và nguồn điều khiển 1KM, relay trung gian 1Ry, bộ chống sét và bảo vệ quá áp 1SA, 2SA, 3SA, diode dập xung ngược 1D và đèn báo lỗi 1PL.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ thống điều khiển

Chương 1 tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật và cơ sở kế thừa từ đồ án thiết kế cơ khí robot SCARA 3 bậc tự do. Tác giả tiến hành khảo sát các thành phần cấu thành hệ thống điều khiển tự động:

  • Phân tích vai trò của động cơ Servo (chuyển đổi điện năng thành cơ năng chuyển động), cảm biến vị trí (công tắc hành trình giới hạn chuyển động cơ khí).
  • So sánh giải pháp điều khiển giữa PLC (Siemens S7-1200) và vi điều khiển (STM32F407), nêu rõ ưu thế về tính linh hoạt, tốc độ xử lý và khả năng tiếp cận của dòng ARM Cortex-M4.
  • Khảo sát các thành phần mạch điện tử (mạch vi điều khiển, mạch cảm biến, mạch công suất) và màn hình giao diện người - máy HMI (Siemens Touch Panel TP 177A).
  • Xây dựng sơ đồ khối nguyên lý điều khiển vòng kín và bảng thông số hình học, động học mục tiêu của robot.

Chương 2: Động học, động lực học và thiết kế quỹ đạo chuyển động

Chương này tập trung giải quyết trọn vẹn mô hình cơ sở của tay máy:

  • Động học thuận: Thiết lập hệ tọa độ D-H với bảng thông số khâu ($a_1=350\text{ mm}, a_2=350\text{ mm}, d_1=340\text{ mm}, d_2=110\text{ mm}$), xác định phương trình vị trí điểm thao tác cuối $E(x_E, y_E, z_E)$: $$\begin{cases} x_E = a_2 \cos(q_1 + q_2) + a_1 \cos(q_1) \ y_E = a_2 \sin(q_1 + q_2) + a_1 \sin(q_1) \ z_E = q_3 + d_2 + d_1 \end{cases}$$ Góc hướng của khâu thao tác: $\alpha=0, \beta=0, \eta = q_1 + q_2 - \pi/2$.
  • Động học ngược: Xác định biểu thức tính biến khớp ($q_1, q_2, q_3$) theo tọa độ điểm làm việc ($x_E, y_E, z_E$).
  • Thiết kế quỹ đạo thao tác: Thiết kế quỹ đạo đường thẳng cho chu trình gắp - thả mạch điện tử theo đa thức bậc 3 qua chuỗi 8 bước chuyển động giữa các điểm mốc:
    • $S(700, 0, 450) \to A'(0, 400, 350)$: 2 giây
    • $A' \to A(0, 400, 100)$: 2 giây
    • Dừng tại $A$ để gắp mạch: 1 giây
    • $A \to A'$: 2 giây
    • $A' \to B'(400, 0, 350)$: 3 giây
    • $B' \to B(400, 0, 100)$: 2 giây
    • Dừng tại $B$ để thả mạch: 1 giây
    • $B \to B'$: 2 giây
  • Động lực học: Tính toán ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$, vector trọng trường $G(q)$ và vector lực suy rộng $Q$, từ đó suy ra mômen kéo yêu cầu $\tau_1, \tau_2$ tại hai khớp quay và lực đẩy $\tau_3$ tại khớp tịnh tiến vít me bi.

Chương 3: Mô hình hóa hệ thống điều khiển

Tác giả xây dựng mô hình hàm truyền đạt cho các phần tử trong hệ thống:

  • Thiết lập phương trình cơ học trục động cơ qua nguyên lý D'Alembert: $\tau_m = J_{td}\dot{\omega}m + B{td}\omega_m$ (với $J_{td} = J_m + n^2 J_l$, $B_{td} = B_m + n^2 B_l$).
  • Thiết lập hệ phương trình phần ứng động cơ điện một chiều: $U(s) = (Ls + R)I(s) + K_e\omega(s)$ và $M(s) = K_m I(s)$.
  • Xây dựng mô hình động học và động lực học cơ cấu trục vít me - đai ốc bi của khâu 3.
  • Vẽ đồ thị Nyquist cho hàm truyền đạt của từng khâu (khâu 1, khâu 2, khâu 3) để đánh giá tính ổn định hệ thống.
  • Ghép nối các khối hàm truyền trong môi trường MATLAB/Simulink kết hợp mô hình CAD 3D của robot để tạo thành mô hình điều khiển toàn diện.

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá tính ổn định, các chỉ tiêu chất lượng

  • Thực hiện mô phỏng đáp ứng quá độ của hệ thống khi có tín hiệu kích thích hàm nấc đơn vị $u(t) = 1(t)$.
  • Phân tích sai lệch tĩnh và thời gian xác lập trên từng trục chuyển động.
  • Mô phỏng chuyển động bám quỹ đạo của 3 biến khớp ($q_1, q_2, q_3$), đánh giá sự thay đổi vận tốc và sai số vị trí trong toàn bộ chu trình gắp - thả mạch.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

  • Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển PID cho từng khâu chuyển động; sử dụng công cụ PID Tuner trong MATLAB để tinh chỉnh các hệ số $K_p, K_i, K_d$, giúp hệ thống triệt tiêu sai số vị trí và đáp ứng nhanh với tín hiệu quỹ đạo đặt.
  • Lựa chọn thiết bị thực tế: Vi điều khiển STM32F407VGT6 và bộ động cơ - servo driver Yaskawa SGDV-5R5A dòng $\Sigma$-V.
  • Thiết kế chi tiết sơ đồ mạch điện cấp nguồn động lực 3 pha 220V, nguồn điều khiển 1 pha 220V, nguồn vi điều khiển 24VDC và sơ đồ đấu nối chân tín hiệu I/O ở chế độ điều khiển vị trí qua cổng CN1.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Kết quả giải tích và mô hình hóa: Xây dựng thành công hệ phương trình động học thuận, động học ngược, ma trận Jacobian và hệ phương trình vi phân động lực học tường minh cho robot SCARA 3 bậc tự do; xác định chính xác hàm truyền đạt của từng khâu truyền động cơ - điện.
  • Kết quả mô phỏng: Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh trên MATLAB-Simulink kết hợp SimMechanics; thiết kế thành công bộ điều khiển PID đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng động học (bám sát quỹ đạo đặt đa thức bậc 3, sai số bám quỹ đạo nhỏ, triệt tiêu sai lệch tĩnh).
  • Kết quả thiết kế phần cứng: Đề xuất cấu hình phần cứng đồng bộ chuẩn công nghiệp sử dụng vi điều khiển STM32F407VGT6 và hệ truyền động Servo Yaskawa dòng $\Sigma$-V với encoder 20-bit; hoàn thiện sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3 pha/1 pha/24VDC có đầy đủ các cấp bảo vệ và sơ đồ đấu nối 30 chân tín hiệu I/O điều khiển vị trí.
  • Đóng góp học thuật: Hoàn thiện trọn vẹn quy trình thiết kế hệ thống điều khiển cơ điện tử từ khâu tính toán lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng số đến khâu thiết kế sơ đồ đấu nối phần cứng thực tế, làm cơ sở tin cậy cho việc chế tạo và tích hợp robot thực nghiệm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, mô phỏng số trên phần mềm MATLAB-Simulink và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện; chưa tiến hành chế tạo lắp ráp mô hình vật lý hoàn chỉnh và chưa nạp code chạy thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống servo thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tiến hành gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống phần cứng và đấu nối dây dẫn thực tế theo các sơ đồ nguyên lý đã thiết kế.
    • Lập trình firmware thời gian thực trên vi điều khiển STM32F407VGT6 để phát xung điều khiển vị trí và xử lý tín hiệu phản hồi từ 3 bộ servo driver.
    • Tích hợp giao diện điều khiển giám sát trực quan (HMI Siemens TP 177A hoặc phần mềm máy tính) và bổ sung hệ thống thị giác máy tính (Camera) để nhận diện, định vị phôi tự động trên băng chuyền.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot và Hệ thống điều khiển tự động khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về thiết kế và điều khiển tay máy công nghiệp.
  • Giảng viên và kỹ sư nghiên cứu quan tâm đến phương pháp mô hình hóa động học/động lực học SCARA, kỹ thuật mô phỏng liên kết giữa MATLAB-Simulink và CAD 3D, cùng giải pháp đấu nối điều khiển dòng Servo Driver Yaskawa $\Sigma$-V bằng vi điều khiển ARM Cortex-M4.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu trúc động học và các thông số hình học chính của robot SCARA trong đồ án là gì?
Robot có cấu trúc 3 bậc tự do gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RR-P). Kích thước hình học: chiều dài khâu 1 $a_1 = 350\text{ mm}$, chiều dài khâu 2 $a_2 = 350\text{ mm}$, chiều cao gốc $d_1 = 340\text{ mm}$, khoảng cách bù trục $d_2 = 110\text{ mm}$. Phạm vi hoạt động: khớp 1 quay $330^\circ$ ($[-165^\circ; +165^\circ]$), khớp 2 quay $294^\circ$ ($[-147^\circ; +147^\circ]$) và khớp 3 tịnh tiến từ 0 đến $400\text{ mm}$.

2. Quy luật chuyển động của khâu thao tác được thiết kế như thế nào?
Khâu thao tác chuyển động theo quỹ đạo đường thẳng trong không gian làm việc với quy luật độ dời là đa thức bậc ba theo thời gian ($x(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$). Chu trình gắp - thả vi mạch gồm 8 giai đoạn đi qua các điểm mốc $S(700,0,450) \to A'(0,400,350) \to A(0,400,100) \to A' \to B'(400,0,350) \to B(400,0,100) \to B'$, có thời gian dừng 1 giây tại điểm $A$ để gắp và dừng 1 giây tại điểm $B$ để thả.

3. Tác giả đã lựa chọn cấu hình phần cứng điều khiển nào cho robot?
Bộ điều khiển trung tâm là vi điều khiển 32-bit STM32F407VGT6 (ARM Cortex-M4, xung nhịp 168 MHz, 1 MB Flash, 192 KB SRAM). Hệ truyền động chấp hành sử dụng 3 bộ AC Servo Motor và Driver Yaskawa dòng $\Sigma$-V (SGDV-5R5A và động cơ SGMAV), tích hợp bộ mã hóa xung Encoder 20-bit ($1.048.576\text{ xung/vòng}$).

4. Phương thức điều khiển vị trí từ vi điều khiển đến servo driver được thực hiện như thế nào?
Hệ thống sử dụng phương thức phát xung điều khiển vị trí thông qua 2 chân tín hiệu chính trên cổng CN1 của driver: chân PULS (nhận chuỗi xung xác định góc/khoảng cách quay) và chân SIGN (nhận mức logic xác định chiều quay). Số xung điều khiển để quay $a$ vòng trục tải được tính theo công thức $n_{tong} = 1.048.576 \times k \times a$, trong đó $k$ là tỷ số truyền giảm tốc.

5. Hệ thống mạch nguồn và các thiết bị an toàn được bố trí như thế nào?
Mạch điện sử dụng nguồn 3 pha AC 220V cho động lực động cơ (L1, L2, L3), nguồn 1 pha AC 220V cho mạch điều khiển driver (L1C, L2C) và nguồn 24VDC cho vi điều khiển/relay. Hệ thống bảo vệ bao gồm aptomat tổng 1QF, bộ lọc nhiễu 1FT, khởi động từ nguồn chính 2KM, khởi động từ nguồn điều khiển 1KM, relay trung gian 1Ry, bộ bảo vệ chống sét/quá áp 1SA, 2SA, 3SA và diode chống dội xung 1D.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA" của sinh viên Trần Lam Trường đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế theo yêu cầu của học phần Kỹ sư Cơ điện tử tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả đã thiết lập thành công hệ phương trình động học, động lực học, mô hình hóa hàm truyền đạt cơ - điện và thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu trên môi trường MATLAB/Simulink. Đồng thời, đề tài đã xây dựng hoàn chỉnh phương án thiết kế phần cứng với vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407, servo driver Yaskawa $\Sigma$-V và sơ đồ mạch cấp nguồn, bảo vệ đạt tiêu chuẩn công nghiệp.