Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án "Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do" được thực hiện bởi sinh viên Trịnh Quang Đông (lớp CK.04 – K62, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Giang Nam vào tháng 1 năm 2021.

Về bối cảnh thực tiễn, tác giả chỉ ra rằng nhu cầu tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất và lắp ráp công nghiệp đang gia tăng liên tục nhằm thay thế sức lao động của con người trong các môi trường nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm và độc hại. Báo cáo dẫn chứng số liệu thống kê tại Mỹ vào năm 2000, trong đó robot hàn và xử lý phôi chiếm khoảng 78% tổng lượng robot công nghiệp hoạt động, trong khi robot phục vụ công tác lắp ráp chiếm khoảng 10%. Xu hướng phát triển công nghệ đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tối ưu hóa cấu trúc cơ khí (sử dụng vật liệu nhẹ, bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất cao), hoàn thiện mô hình cơ học (động học, động lực học, khử rung, tránh va chạm) và áp dụng các giải thuật điều khiển thông minh. Trong bối cảnh đó, cấu hình robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) với đặc tính độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng và độ linh hoạt cao trong mặt phẳng ngang trở thành đối tượng nghiên cứu phù hợp cho các thao tác gắp thả, phân loại và lắp ráp chi tiết.

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là tính toán, thiết kế cơ khí và xây dựng hệ thống điều khiển cho một robot SCARA 3 bậc tự do (hai khớp quay và một khớp tịnh tiến). Các nhiệm vụ và thông số kỹ thuật thiết kế cụ thể được đề ra như sau:

  1. Xác lập kích thước kết cấu cánh tay: Khoảng cách giữa các trục khớp quay $L_1 = 350\text{ mm}$ và $L_2 = 350\text{ mm}$, tổng tầm với phẳng đạt $700\text{ mm}$.
  2. Thiết lập hành trình chuyển động: Miền tịnh tiến trục thẳng đứng từ $0\text{ mm}$ đến $300\text{ mm}$; phạm vi góc quay các khớp đạt $330^\circ \times 294^\circ$.
  3. Giới hạn vận tốc làm việc: Vận tốc di chuyển cực đại của hệ thống là $20\text{ cm/s}$.
  4. Độ chính xác lặp: Sai số vị trí lặp cho phép là $\pm 0.1^\circ$.
  5. Tải trọng nâng thiết kế: Khối lượng công tác tối đa ở khâu thao tác là $0.5\text{ kg}$.
  6. Chỉ tiêu chất lượng điều khiển: Độ vọt lố của hàm điều khiển không vượt quá $20%$, thời gian đáp ứng quá độ đạt $0.5\text{ s}$.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là tay máy công nghiệp dạng SCARA 3 bậc tự do phục vụ thao tác công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc mô hình hóa hình học, giải bài toán động học và động lực học hệ thống, quy hoạch quỹ đạo chuyển động, trích xuất tham số quán tính từ mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks, mô phỏng hệ thống điều khiển bám vị trí trên MATLAB/Simulink và đề xuất cấu hình phần cứng điều khiển trên cơ sở PLC Siemens S7-1200.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu sử dụng hệ thống khung lý thuyết cơ học và kỹ thuật điều khiển tự động kinh điển:

  • Lý thuyết động học tay máy: Áp dụng phương pháp tham số Denavit – Hartenberg (D-H) để gắn hệ tọa độ lên các khâu, thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất nhằm giải bài toán động học thuận và xác định nghiệm giải tích cho bài toán động học nghịch.
  • Lý thuyết quy hoạch quỹ đạo chuyển động: Ứng dụng mô hình đa thức bậc ba (Cubic Polynomial Trajectory) để nội suy quy luật chuyển động của biến khớp và tọa độ thao tác theo thời gian với các điều kiện biên về vận tốc và vị trí đầu - cuối: $$x_E(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$$ Trong đó các hệ số xác định theo công thức: $a_0 = x_0$, $a_1 = 0$, $a_2 = \frac{3(x_e - x_0)}{t_e^2}$, $a_3 = -\frac{2(x_e - x_0)}{t_e^3}$.
  • Lý thuyết động lực học hệ truyền động cơ – điện: Kết hợp nguyên lý D'Alembert cho phần chuyển động cơ học và định luật Kirchhoff cho mạch điện phần ứng của động cơ servo một chiều (DC Servo Motor). Phương trình vi phân mô tả mối liên hệ giữa mômen điện từ $\tau_m$, mômen quán tính tương đương quy đổi về trục động cơ $J_{eff}$, hệ số giảm chấn tương đương $B_{eff}$, suất phản điện động $v_b(t) = K_b \dot{\theta}_m(t)$ và điện trở - điện cảm phần ứng ($R, L$).
  • Lý thuyết điều khiển tuyến tính: Đánh giá tính ổn định hệ hở và hệ kín bằng tiêu chuẩn đại số Routh-Hurwitz, tiêu chuẩn tần số Nyquist và biểu đồ Bode; thiết lập cấu trúc điều khiển phản hồi vị trí kinh điển PID (Proportional – Integral – Derivative).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp giải tích: Xây dựng các biểu thức toán học tường minh cho mô hình động học, biến đổi Laplace để suy ra hàm truyền đạt $G(s)$ của từng trục chuyển động.
  • Phương pháp trích xuất dữ liệu tham số từ mô hình CAD 3D: Thiết kế kết cấu chi tiết trên phần mềm SolidWorks, gán vật liệu thực tế để phần mềm tự động tính toán khối lượng, tọa độ khối tâm và ma trận mômen quán tính ($J_l$) của từng cụm khâu chịu tải.
  • Phương pháp mô phỏng số và tối ưu hóa tham số: Sử dụng công cụ MATLAB/Simulink để kiểm chứng tính ổn định, khảo sát sai lệch tĩnh và ứng dụng công cụ PID Tuning nhằm tìm bộ tham số tối ưu thỏa mãn chỉ tiêu thời gian đáp ứng và độ vọt lố.

Nguồn dữ liệu tham chiếu trong đồ án gồm các thông số kỹ thuật của dòng robot công nghiệp DENSO HM-4070G (HM-G Series) và các hằng số điện - cơ của động cơ servo 80ST-M02430 trích xuất từ catalog nhà sản xuất cùng các giáo trình chuyên ngành kỹ thuật robot.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế hệ thống theo hai phân hệ chính: cơ cấu cơ khí và kiến trúc điều khiển điện tử - truyền động.

Về cấu trúc cơ khí, robot được thiết kế gồm 3 khâu động chính với vật liệu chế tạo thân vỏ là hợp kim nhôm đúc A356 nhằm giảm thiểu khối lượng và quán tính chuyển động:

  • Khớp 1 và Khớp 2: Là các khớp quay thực hiện chuyển động định vị trong mặt phẳng ngang. Cơ cấu dẫn động sử dụng kết hợp bộ truyền đai răng và hộp giảm tốc Cycloidal (Xyclon). Bộ truyền đai răng mang lại ưu điểm vận hành êm, chịu va đập tốt, không đòi hỏi bôi trơn thường xuyên và cho phép bố trí khoảng cách trục linh hoạt. Hộp giảm tốc Cycloidal đảm bảo tỷ số truyền lớn trong kết cấu nhỏ gọn, khả năng chịu quá tải cao và triệt tiêu độ rơ hồi chuyển (backlash).
  • Khớp 3: Là khớp tịnh tiến theo phương thẳng đứng (trục Z). Cơ cấu truyền động sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi với bước vít $P = 0.025\text{ m}$ để biến đổi chuyển động quay từ động cơ thành chuyển động tịnh tiến có độ chính xác cao và ma sát thấp.
  • Cơ cấu thao tác cuối (End-Effector): Lựa chọn tay kẹp mã hiệu CHS2-S68 vận hành theo cơ cấu đóng mở vít me – đai ốc nhằm kẹp giữ đối tượng gia công.
Hạng mục thông số Robot SCARA trong đồ án Robot tham chiếu DENSO HM-4070G
Số bậc tự do 3 bậc (2 quay, 1 tịnh tiến) 4 bậc tự do
Tầm với cánh tay $700\text{ mm}$ ($L_1 = 350\text{ mm}, L_2 = 350\text{ mm}$) $700\text{ mm}$
Hành trình trục đứng Z $0 - 300\text{ mm}$ $200\text{ mm}, 300\text{ mm}, 400\text{ mm}$
Tải trọng làm việc cực đại $0.5\text{ kg}$ $10\text{ kg}$
Độ chính xác lặp $\pm 0.1^\circ$ (góc khớp) $\pm 0.02\text{ mm}$ (XY), $\pm 0.01\text{ mm}$ (Z)
Vận tốc chuyển động cực đại $20\text{ cm/s}$ Khâu 1: $450^\circ/\text{s}$; Khâu 2: $667^\circ/\text{s}$; Khâu 3: $2780\text{ mm/s}$
Cơ cấu truyền động chính Đai răng, Hộp số Cycloidal, Vít me bi Hộp giảm tốc công nghiệp tích hợp
Vật liệu kết cấu chính Hợp kim nhôm A356 Hợp kim công nghiệp đúc

Về kiến trúc điều khiển phần cứng, hệ thống đề xuất tích hợp bộ điều khiển lập trình công nghiệp PLC Siemens SIMATIC S7-1200 làm thiết bị điều khiển trung tâm. Tín hiệu điều khiển vị trí từ PLC được gửi tới Driver servo mã hiệu EP100(B) để cấp phát động lực cho các động cơ servo dòng KSR 80Series (và động cơ servo DC 80ST-M02430). Hệ thống phần cứng hỗ trợ ba chế độ vận hành cơ bản:

  1. Chế độ điều khiển vị trí (Position Mode): Phát xung tốc độ cao từ PLC điều khiển góc quay khớp bám theo quỹ đạo đặt.
  2. Chế độ điều khiển tốc độ (Speed Mode): Duy trì vận tốc làm việc của các khâu theo yêu cầu công nghệ.
  3. Chế độ điều khiển mômen/lực (Torque Mode): Kiểm soát dòng điện phần ứng phục vụ các thao tác tiếp xúc lực.

Nội dung chính theo từng chương

Yêu cầu thiết kế

Phần này định hình bài toán kỹ thuật thông qua việc lượng hóa các ràng buộc: chiều dài cánh tay $L_1 = 350\text{ mm}, L_2 = 350\text{ mm}$; hành trình tịnh tiến $0 - 300\text{ mm}$; góc quay khớp đạt $330^\circ \times 294^\circ$; tốc độ chuyển động cực đại $20\text{ cm/s}$; độ chính xác lặp $\pm 0.1^\circ$; tải trọng tối đa $0.5\text{ kg}$; độ vọt lố điều khiển $\le 20%$ và thời gian đáp ứng quá độ đạt $0.5\text{ s}$.

Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp

Chương 1 khái quát lịch sử hình thành robot từ thuật ngữ trong tác phẩm kịch của Karl Capek (1921), sự xuất hiện của robot trên điện ảnh qua phim Metropolis (1926), robot đi bộ Eluto (1939) tại triển lãm New York, các tay máy công nghiệp năm 1948 cho đến chiếc máy CNC đầu tiên năm 1952 tại MIT. Tác giả dẫn ra hai định nghĩa tiêu biểu của McKerrow (1986) và Schluessel (1985), đồng thời tổng hợp cấu trúc một hệ thống robot gồm: tay máy, hệ thống truyền dẫn động, hệ thống điều khiển và hệ thống cảm biến (camera, encoder).

Chương này cũng phân loại bài toán điều khiển robot thành: điều khiển thô (điều khiển vị trí, tốc độ bám quỹ đạo trong không gian khớp hoặc Đề-các) và điều khiển tinh (điều khiển lực, trở kháng khi tiếp xúc môi trường); phân biệt điều khiển hở dùng động cơ bước với điều khiển kín (điều khiển điểm – điểm PTP và điều khiển đường liên tục contour). Cuối chương, tác giả đối chiếu thông số dòng robot DENSO HM-4070G để định hình phương án thiết kế mô hình 3 bậc tự do với các cơ cấu truyền động: đai răng, hộp giảm tốc Cycloidal, vít me – đai ốc bi và cơ cấu gẹp CHS2-S68.

Chương 2: Tính toán động học, động lực học

Nội dung chương tập trung giải quyết bài toán biến đổi hình học cho robot SCARA:

  • Thiết lập hệ tọa độ và lập bảng thông số Denavit – Hartenberg (D-H): Với khâu 1 mang thông số biến khớp $q_1$, độ dịch chuyển gốc $d_1$, chiều dài khâu $a_1$; khâu 2 mang thông số $q_2, d_2, a_2$.
  • Thiết lập hệ phương trình động học thuận: Xác định tọa độ vị trí và hướng của điểm thao tác cuối $(x_E, y_E, z_E)$ trong hệ tọa độ gốc dựa trên ma trận chuyển đổi $T_0^3$.
  • Giải bài toán động học nghịch: Tính toán giá trị biến khớp $(q_1, q_2, d_3)$ tương ứng với tọa độ vị trí làm việc mong muốn nhằm phục vụ công tác quy hoạch chuyển động.
  • Xây dựng phương trình động lực học tổng quát làm cơ sở cho mô hình hóa hệ truyền động.

Chương 3: Không gian làm việc và thiết kế quỹ đạo robot

Chương 3 khảo sát và vẽ đồ thị biểu diễn không gian làm việc của robot dưới dạng 2D và 3D. Tác giả xây dựng thuật toán quy hoạch quỹ đạo gắp - thả vật bằng đa thức bậc ba trong hai trường hợp:

  • Quy hoạch quỹ đạo trong không gian khớp: Xác định quy luật thay đổi góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc của từng khớp chuyển động giữa điểm đầu và điểm cuối.
  • Quy hoạch quỹ đạo trong không gian thao tác (hệ tọa độ Đề-các): Thiết lập chuyển động thẳng của đầu công tác, sau đó thông qua động học nghịch để suy ngược lại quy luật góc quay của các khớp.

Kết quả đồ thị cho thấy phương pháp quy hoạch trong không gian khớp tạo ra các đường cong biến thiên vận tốc và gia tốc trơn tru, trong khi quy hoạch trong không gian thao tác giúp kiểm soát chính xác đường đi hình học của bàn kẹp trong không gian 3 chiều.

Chương 4: Mô hình hóa các khâu của robot

Chương 4 là phần trọng tâm về kỹ thuật điều khiển tự động, tiến hành mô hình hóa toán học cho từng trục truyền động điện một chiều:

  • Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cơ học: Áp dụng nguyên lý D'Alembert cho hệ trục động cơ và tải thông qua hộp số tỷ số truyền $n$, rút ra mômen quán tính tổng quy đổi $J_{eff} = J_a + J_m + n^2 J_l$ và hệ số cản tổng $B_{eff} = B_m + n^2 B_l$.
  • Thiết lập phương trình điện phần ứng: Áp dụng định luật Kirchhoff với điện trở $R$, điện cảm $L$ và hằng số phản điện động $K_b$. Do độ tự cảm $L$ rất nhỏ, tác giả rút gọn mô hình toán học động cơ DC.
  • Đối với khâu 3 tịnh tiến: Bổ sung phương trình hàm truyền của trục vít me đai ốc bi với bước vít $P = 0.025\text{ m}$: $$Y(s) = \frac{P}{2\pi s} \Omega(s)$$
  • Trích xuất tham số quán tính từ SolidWorks: Mômen quán tính tải trọng của các khâu được đo đạc chính xác trên mô hình 3D ($J_{l1} = 4\text{ kg}\cdot\text{m}^2, J_{l2} = 0.82\text{ kg}\cdot\text{m}^2, J_{l3} = 310\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$).
  • Kiểm tra tính ổn định: Các hàm truyền hở $G_1(s), G_2(s), G_3(s)$ đều thỏa mãn điều kiện cần và đủ của tiêu chuẩn Routh. Khảo sát hệ kín qua biểu đồ Nyquist cho thấy đồ thị không bao điểm cực $(-1 + j0)$, và biểu đồ Bode đều thể hiện độ dự trữ biên độ ($G_m$) cùng độ dự trữ pha ($P_m$) dương, khẳng định hệ thống làm việc ổn định.
  • Phân tích sai lệch tĩnh: Thiết lập hàm truyền hồi tiếp âm đơn vị trên Simulink, chứng minh sai lệch xác lập với tín hiệu đầu vào hàm nấc $1(t)$ bằng 0 ($e_{st} = 0$).

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Tác giả xây dựng cấu trúc bộ điều khiển PID cho từng trục và tích hợp toàn bộ mô hình robot trên MATLAB/Simulink. Bằng việc ứng dụng công cụ PID Tuning kết hợp mô hình 3D xuất sang môi trường mô phỏng, tác giả lựa chọn các hệ số khuếch đại ($K_p, K_i, K_d$) tối ưu. Đồ thị mô phỏng phản hồi cho thấy biến khớp bám sát giá trị quỹ đạo mong muốn, triệt tiêu sai lệch tĩnh, đảm bảo độ vọt lố không vượt quá $20%$ và thời gian xác lập dưới $0.5\text{ s}$ theo đúng yêu cầu thiết kế ban đầu.

Chương 7: Xây dựng mạch điều khiển robot bằng PLC Siemens S7-1200

Chương này đề xuất sơ đồ phần cứng điều khiển công nghiệp:

  • Cấu hình thiết bị: Sử dụng PLC Siemens SIMATIC S7-1200 phối ghép cùng bộ điều khiển truyền động Driver servo EP100(B) và động cơ Servo KSR 80Series.
  • Nguyên lý vận hành: Thiết lập các ngõ vào/ra điều khiển xung và hướng (Pulse/Direction) cho ba chế độ làm việc: điều khiển vị trí (Position), điều khiển tốc độ (Speed) và điều khiển mômen/lực (Torque), đảm bảo khả năng ứng dụng thực tế trong dây chuyền sản xuất tự động.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả cụ thể với số liệu đo kiểm trong môi trường mô phỏng:

  • Thiết lập thành công mô hình giải tích động học thuận, động học nghịch và hàm truyền đạt động cơ - cơ cấu truyền động cho 3 trục robot SCARA, tích hợp mômen quán tính thực tế từ SolidWorks ($J_{l1} = 4\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, $J_{l2} = 0.82\text{ kg}\cdot\text{m}^2$).
  • Đánh giá định lượng tính ổn định của hệ thống truyền động: Toàn bộ 3 trục đều vượt qua tiêu chuẩn Routh, biểu đồ Bode đạt độ dự trữ biên độ và dự trữ pha lớn hơn 0, biểu đồ Nyquist không bao điểm $(-1 + j0)$, và sai lệch tĩnh đạt giá trị lý thuyết $e_{st} = 0$.
  • Hệ thống điều khiển PID được tinh chỉnh đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật đã đặt ra: độ vọt lố nhỏ hơn $20%$, thời gian đáp ứng quá độ đạt $0.5\text{ s}$, sai số bám quỹ đạo biến khớp tiệm cận 0.

Đóng góp của tác giả bao gồm việc kết hợp nhất quán quy trình thiết kế kỹ thuật từ mô hình hóa hình học 3D (SolidWorks) sang trích xuất tham số vật lý cho mô hình toán học giải tích, kiểm chứng qua mô phỏng động lực học và điều khiển (MATLAB/Simulink), đồng thời xây dựng phương án mạch điều khiển phần cứng thực tế với PLC Siemens S7-1200 và driver servo công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế chính của đồ án nằm ở phạm vi triển khai:

  • Đề tài tập trung chủ yếu vào tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D và mô phỏng trên phần mềm; chưa tiến hành gia công chế tạo mô hình cơ khí thực tế và chưa có dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ phần cứng hoàn chỉnh.
  • Trong mô hình toán học động lực học truyền động, điện cảm phần ứng $L$ được xấp xỉ coi bằng 0 để rút gọn bậc của hàm truyền; các yếu tố phi tuyến phức tạp như độ rơ hộp số, biến dạng đàn hồi của đai răng và ma sát phi tuyến chưa được đưa vào mô hình khảo sát.
  • Hệ thống điều khiển chưa tích hợp thuật toán xử lý va chạm hoặc cảm biến lực đa trục tại đầu công tác.

Hướng phát triển tiếp theo mà đồ án hướng tới:

  • Hoàn thiện chế tạo cơ khí thực tế dựa trên bản vẽ kết cấu hợp kim nhôm A356, lắp ráp hoàn chỉnh cụm truyền động vít me bi và hộp số Cycloidal.
  • Đấu nối và nạp chương trình điều khiển từ PLC Siemens S7-1200 sang Driver servo EP100(B) trên mô hình thực, đo đạc sai số lặp và kiểm chứng các chỉ tiêu đáp ứng.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống thị giác máy (camera) và cảm biến xúc giác để phát triển thuật toán điều khiển thông minh, hỗ trợ nhận diện vật thể và tự động tránh va chạm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa. Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất nằm ở quy trình xây dựng hàm truyền động cơ kết hợp khâu truyền động cơ khí (đai răng, hộp giảm tốc, vít me bi), phương pháp trích xuất mômen quán tính chính xác từ phần mềm SolidWorks để phục vụ tính toán động lực học, và phương pháp kiểm tra tính ổn định hệ thống qua các công cụ Routh, Nyquist, Bode trên MATLAB/Simulink.

Câu hỏi thường gặp

1. Robot SCARA trong đồ án có các thông số kết cấu và thông số làm việc cơ bản nào?
Robot có kết cấu 3 bậc tự do (2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến) với chiều dài hai khâu quay $L_1 = 350\text{ mm}$ và $L_2 = 350\text{ mm}$ (tổng tầm với phẳng $700\text{ mm}$), hành trình tịnh tiến trục Z đạt $0 - 300\text{ mm}$. Tải trọng nâng thiết kế tối đa là $0.5\text{ kg}$, tốc độ di chuyển cực đại đạt $20\text{ cm/s}$, và độ chính xác lặp là $\pm 0.1^\circ$.

2. Đồ án đã sử dụng những cơ cấu truyền động cơ khí cụ thể nào cho các trục?
Các khớp quay 1 và 2 sử dụng bộ truyền đai răng kết hợp hộp giảm tốc Cycloidal (Xyclon) nhằm đạt tỷ số truyền cao và giảm độ rơ. Khớp tịnh tiến 3 sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi với bước vít $P = 0.025\text{ m}$. Đầu công tác trang bị cơ cấu kẹp CHS2-S68 đóng mở bằng vít me – đai ốc, và vật liệu chế tạo thân khâu là hợp kim nhôm A356.

3. Phương pháp quy hoạch quỹ đạo nào được sử dụng và có đặc tính gì?
Tác giả áp dụng thuật toán nội suy đa thức bậc ba ($x_E(t) = a_0 + a_1 t + a_2 t^2 + a_3 t^3$) cho cả không gian khớp và không gian thao tác Đề-các. Quy hoạch trong không gian khớp giúp biến thiên vận tốc và gia tốc trơn tru, hạn chế rung động, trong khi quy hoạch trong không gian thao tác đảm bảo đầu kẹp chuyển động chính xác theo đường thẳng phục vụ chu trình gắp thả.

4. Tính ổn định của hệ thống truyền động các trục được chứng minh bằng các công cụ nào?
Tính ổn định của hàm truyền hệ hở và hệ kín được kiểm chứng đồng thời qua ba phương pháp: thỏa mãn điều kiện cần và đủ của tiêu chuẩn đại số Routh-Hurwitz; đồ thị Nyquist không bao điểm cực $(-1 + j0)$; và đồ thị Bode có độ dự trữ biên độ ($G_m$) cùng độ dự trữ pha ($P_m$) đều mang giá trị dương. Phân tích toán học cũng chứng minh sai lệch tĩnh với tín hiệu đầu vào hàm nấc đạt $e_{st} = 0$.

5. Cấu hình phần cứng điều khiển được đề xuất gồm những thiết bị nào?
Hệ thống phần cứng điều khiển bao gồm bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200, Driver servo EP100(B) và động cơ Servo dòng KSR 80Series (cùng thông số động cơ servo DC 80ST-M02430), cho phép vận hành ở 3 chế độ: điều khiển vị trí (Position), điều khiển tốc độ (Speed) và điều khiển mômen (Torque).

Kết luận

Đồ án của sinh viên Trịnh Quang Đông đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế toàn diện hệ thống robot SCARA 3 bậc tự do từ mô hình cơ khí đến giải thuật điều khiển. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động học giải tích, trích xuất tham số vật lý từ mô hình 3D SolidWorks, mô phỏng kiểm chứng ổn định và tinh chỉnh PID trên MATLAB/Simulink. Kết quả mô phỏng khẳng định hệ thống đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kỹ thuật về sai lệch tĩnh bằng 0, độ vọt lố dưới 20% và thời gian đáp ứng $0.5\text{ s}$. Đồ án cung cấp giải pháp thiết kế khả thi và phương án phần cứng điều khiển đồng bộ bằng PLC Siemens S7-1200 phục vụ các ứng dụng tự động hóa lắp ráp công nghiệp.