Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Robot SCARA

• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Robot SCARA Tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
• 1.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
• 2.1. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC
• 2.2. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG KHÔNG GIAN THAO TÁC
• 2.3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. MÔ HÌNH HÓA MỘT TRỤC CHUYỂN ĐỘNG, XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN
• 3.2. MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
• 3.3. MÔ HÌNH HÓA CÁC KHÂU
• 3.4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO TOÀN BỘ ROBOT
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH, CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG
• 4.1. SỬ DỤNG MATLAB-SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC CHO MỘT TRỤC CHUYỂN ĐỘNG VÀ CHO TOÀN BỘ ROBOT
• 4.2. ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH, XÁC ĐỊNH SAI LỆCH TĨNH
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 5.2. LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 5.3. CÁC MẠCH ĐIỆN VÀ GHÉP NỐI PHẦN TỬ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn tổng quan thiết kế hệ thống robot SCARA tại BKHN

Việc thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA là một nhiệm vụ trọng tâm trong các đồ án tốt nghiệp robot SCARA tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là tại Viện Cơ khí và Viện Điện tử - Viễn thông HUST. Nghiên cứu này không chỉ củng cố kiến thức nền tảng về cơ điện tử mà còn mở ra hướng ứng dụng thực tiễn cho cánh tay robot công nghiệp. Một hệ thống hoàn chỉnh đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết kế cơ khí chính xác, lựa chọn phần cứng điều khiển phù hợp và xây dựng thuật toán thông minh. Trọng tâm của các dự án này là mô hình hóa, mô phỏng và triển khai một hệ thống điều khiển vòng kín, đảm bảo robot hoạt động ổn định và chính xác theo quỹ đạo đặt trước. Các thành phần như động cơ servo, vi điều khiển STM32 hoặc bộ điều khiển PLC, cùng với giao diện giám sát HMI, là những yếu tố không thể thiếu.

1.1. Mục tiêu và thông số kỹ thuật trong đồ án robot SCARA

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA 3 bậc tự do (2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến). Dựa trên tài liệu gốc của sinh viên Trần Lam Trường (2021), các thông số kỹ thuật cốt lõi được xác định bao gồm: Chiều dài các khâu L1=350mm, L2=350mm; miền tịnh tiến từ 0-400mm; góc quay các khớp là 330° và 294°. Hệ thống phải đạt tốc độ tối đa 20cm/s với độ chính xác lặp lại ±0.1° và tải trọng 0.5kg. Nhiệm vụ không chỉ dừng lại ở việc mô hình hóa hệ thống mà còn phải mô phỏng động lực học, đánh giá tính ổn định và lựa chọn các phần tử điều khiển thực tế. Đây là nền tảng cho các hoạt động nghiên cứu khoa học sinh viên và các luận văn thạc sĩ robot sau này.

1.2. Lựa chọn linh kiện cốt lõi Động cơ servo và vi điều khiển

Thành công của hệ thống phụ thuộc lớn vào việc lựa chọn phần cứng. Động cơ servo Yaskawa được chọn làm cơ cấu chấp hành chính nhờ khả năng điều khiển vị trí chính xác và phản hồi nhanh. Để xử lý các thuật toán phức tạp và xuất tín hiệu điều khiển, vi điều khiển STM32F407 thuộc dòng ARM Cortex-M4 được đề xuất. STM32F407 có ưu điểm về tốc độ xử lý (lên đến 168MHz), số lượng chân I/O dồi dào và hỗ trợ nhiều kênh PWM, phù hợp để điều khiển đồng thời nhiều động cơ. Ngoài ra, các báo cáo thực tập tự động hóa cũng đề cập đến việc sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chống nhiễu cao trong môi trường công nghiệp. Các linh kiện phụ trợ như công tắc hành trình, giao diện HMI Siemens và các mạch công suất cũng được tích hợp để tạo thành một hệ thống nhúng hoàn chỉnh.

II. Phương pháp phân tích động học cho hệ thống robot SCARA

Phân tích động học robot là bước cơ bản và quan trọng nhất trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển. Nó bao gồm hai bài toán chính: bài toán động học thuận và bài toán động học ngược. Việc giải quyết thành công hai bài toán này cho phép xác định vị trí của khâu tác động cuối từ thông số các khớp và ngược lại, tính toán các góc khớp cần thiết để robot di chuyển đến một điểm mong muốn trong không gian làm việc. Đây là tiền đề để xây dựng các thuật toán điều khiển quỹ đạo chuyển động, đảm bảo cánh tay robot công nghiệp di chuyển mượt mà và chính xác. Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) là công cụ chuẩn mực được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ và ma trận biến đổi, giúp đơn giản hóa các phép tính toán phức tạp.

2.1. Giải bài toán động học thuận bằng phương pháp Denavit Hartenberg

Bài toán động học thuận xác định vị trí và hướng của điểm tác động cuối (end-effector) dựa trên giá trị các biến khớp (q1, q2, q3). Theo tài liệu nghiên cứu, phương pháp D-H được áp dụng để thiết lập bảng thông số và các ma trận biến đổi thuần nhất (T) giữa các hệ tọa độ gắn trên từng khâu. Ma trận T30, kết quả của T10 x T21 x T32, mô tả mối quan hệ toàn cục từ hệ tọa độ gốc đến hệ tọa độ cuối. Từ đó, phương trình động học được xác định: xE = a2cos(q1+q2) + a1cos(q1); yE = a2sin(q1+q2) + a1sin(q1); zE = q3 + d1 + d2. Kết quả này là đầu vào không thể thiếu cho các bước mô phỏng robot trên MATLAB và kiểm chứng không gian làm việc.

2.2. Xây dựng thuật toán cho bài toán động học ngược robot SCARA

Ngược lại với động học thuận, bài toán động học ngược robot SCARA có vai trò then chốt trong điều khiển thực tế. Từ tọa độ điểm đến mong muốn (xE, yE, zE), hệ thống phải tính toán được các giá trị biến khớp (q1, q2, q3) tương ứng. Đối với cấu trúc SCARA, bài toán này có thể được giải bằng phương pháp hình học. Kết quả tính toán cho thấy: q2 = arccos((xE² + yE² - a1² - a2²) / (2a1a2)), q1 được tính dựa vào q2, và q3 = zE - d1 - d2. Việc có một lời giải giải tích chính xác giúp giảm tải tính toán cho bộ điều khiển, cho phép lập trình ARM cho robot một cách hiệu quả và đáp ứng thời gian thực.

III. Cách mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điều khiển robot

Mô hình hóa và mô phỏng là giai đoạn không thể thiếu trước khi triển khai phần cứng, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian. Quá trình này cho phép kiểm tra tính đúng đắn của các thuật toán điều khiển, đánh giá độ ổn định của hệ thống và tinh chỉnh tham số để đạt được chất lượng đáp ứng tối ưu. Công cụ chính được sử dụng trong các nghiên cứu tại Bách Khoa Hà Nội là MATLAB-Simulink. Bằng cách xây dựng các sơ đồ khối, người thiết kế có thể mô tả chính xác đặc tính của từng thành phần, từ động cơ điện một chiều, các khâu cơ khí cho đến bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng robot trên MATLAB cung cấp cái nhìn trực quan về đáp ứng của hệ thống trước các tín hiệu đặt, từ đó làm cơ sở để thiết kế bộ điều khiển PID.

3.1. Mô hình hóa động cơ DC và xác định hàm truyền cho các khâu

Để mô phỏng chính xác, mỗi trục chuyển động của robot cần được mô hình hóa. Trọng tâm là động cơ điện một chiều (DC motor), được mô tả bởi các phương trình về điện (định luật Kirchhoff cho mạch phần ứng) và phương trình về cơ (cân bằng momen trên trục động cơ). Từ các phương trình này, hàm truyền G(s) = Ω(s)/U(s) được xác định, thể hiện mối quan hệ giữa điện áp vào và vận tốc góc đầu ra. Hàm truyền này có dạng bậc hai, phản ánh đặc tính điện-cơ của hệ thống. Quá trình này là nền tảng để phân tích độ ổn định bằng các tiêu chuẩn như Nyquist hay Bode và là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển.

3.2. Xây dựng mô hình Simulink cho toàn bộ hệ thống robot

Sau khi có hàm truyền của từng khâu, mô hình hoàn chỉnh của robot được xây dựng trên Simulink. Mô hình này bao gồm các khối chính: khối phát tín hiệu quỹ đạo (Position Reference), khối giải bài toán động học ngược robot SCARA để tính các góc khớp mong muốn, và các khối điều khiển vòng kín cho từng khớp. Mỗi khối điều khiển chứa một bộ điều khiển (ví dụ: PID) và khối hàm truyền của động cơ tương ứng. Thư viện SimMechanics (nay là Simscape Multibody) còn cho phép nhập trực tiếp mô hình CAD 3D từ phần mềm SolidWorks để thực hiện mô phỏng động lực học một cách trực quan và chính xác hơn, kết hợp cả yếu tố cơ khí và điều khiển trong một môi trường duy nhất.

IV. Bí quyết thiết kế bộ điều khiển PID cho robot SCARA BKHN

Hệ thống điều khiển là bộ não của robot, quyết định đến độ chính xác và ổn định. Trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp và các dự án tại Viện Cơ khí BKHN, thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được ưu tiên sử dụng vì tính hiệu quả, đơn giản và dễ triển khai. Bộ điều khiển PID tính toán giá trị sai lệch giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế, sau đó tạo ra một tín hiệu điều khiển để hiệu chỉnh sai lệch đó về không. Việc thiết kế một bộ điều khiển PID hiệu quả đòi hỏi phải lựa chọn chính xác các hệ số Kp, Ki, Kd. Quá trình này thường được hỗ trợ bởi các công cụ phần mềm chuyên dụng để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.

4.1. Nguyên lý và vai trò của thuật toán điều khiển PID

Một bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần. Thành phần tỷ lệ (P - Kp) tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai lệch hiện tại, giúp hệ thống đáp ứng nhanh. Thành phần tích phân (I - Ki) triệt tiêu sai lệch xác lập, đảm bảo độ chính xác khi hệ thống đã ổn định. Thành phần vi phân (D - Kd) phản ứng với tốc độ thay đổi của sai lệch, có tác dụng giảm độ vọt lố và tăng tính ổn định cho hệ thống. Sự kết hợp của ba thành phần này giúp hệ thống điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot bám sát tín hiệu đặt một cách tối ưu, giảm thiểu sai số và đáp ứng tốt với các thay đổi của tải trọng.

4.2. Tinh chỉnh thông số PID bằng công cụ PID Tuner trên MATLAB

Việc lựa chọn thủ công các hệ số Kp, Ki, Kd rất tốn thời gian và khó đạt được kết quả tốt nhất. Công cụ PID Tuner tích hợp trong MATLAB-Simulink là một giải pháp hiệu quả. Dựa trên hàm truyền của hệ thống đã được mô hình hóa, PID Tuner tự động đề xuất một bộ thông số PID tối ưu dựa trên các tiêu chí về thời gian đáp ứng và độ vọt lố. Giao diện đồ họa của công cụ cho phép người dùng tinh chỉnh các thông số và quan sát ngay lập tức sự thay đổi trên đồ thị đáp ứng. Phương pháp này đảm bảo bộ điều khiển được thiết kế không chỉ ổn định mà còn đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn trước khi triển khai trên hệ thống nhúng thực tế.

4.3. Sơ đồ ghép nối phần cứng vi điều khiển STM32 và Driver

Sau khi mô phỏng thành công, bước tiếp theo là triển khai trên phần cứng. Sơ đồ ghép nối cần được thiết kế cơ khí robot và điện tử một cách cẩn thận. Vi điều khiển STM32F407 đóng vai trò trung tâm, nhận tín hiệu từ cảm biến và tính toán để xuất xung điều khiển (PULSE/SIGN) đến các driver của động cơ servo. Mỗi driver Yaskawa SGDV sẽ nhận tín hiệu này để điều khiển vị trí của động cơ. Mạch điện tử cũng bao gồm mạch nguồn cấp cho hệ thống (nguồn 24VDC cho bộ điều khiển, nguồn AC 220V cho driver và động cơ), các mạch bảo vệ và các chân I/O để giám sát trạng thái hoạt động và cảnh báo lỗi. Việc ghép nối đúng kỹ thuật là yếu tố quyết định để hệ thống hoạt động ổn định và an toàn.