Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA" (thuộc học phần Thiết kế hệ thống cơ điện tử / Thiết kế hệ thống điều khiển - mã học phần ME5512) được thực hiện bởi sinh viên Hoàng Xuân Tùng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Hoàng Văn Bạo tại Khoa Cơ điện tử, Trường Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội (năm học 2023-2024).

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, robot SCARA (viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm) là một trong những cấu hình robot được ứng dụng rộng rãi nhờ độ cứng vững theo phương thẳng đứng và độ linh hoạt cao trong mặt phẳng ngang. Cấu hình này đặc biệt phù hợp cho các thao tác gắp đặt linh kiện (pick-and-place), lắp ráp chi tiết nhỏ, khắc laser, in 3D và hàn. Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về độ chính xác bám quỹ đạo và tính liên tục của chuyển động, việc xây dựng một hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop) có khả năng triệt tiêu nhiễu và kiểm soát chính xác vị trí các khớp là vấn đề kỹ thuật trọng tâm.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật: Tổng quan về hệ thống điều khiển, nguyên lý hoạt động và xác định các thành phần của hệ thống điều khiển robot SCARA 4 bậc tự do.
  2. Thiết kế hệ thống điều khiển: Mô hình hóa động học, động lực học, xác định hàm truyền các khâu; đánh giá tính ổn định và sai lệch tĩnh; thiết kế bộ điều khiển PID; lựa chọn các thiết bị phần cứng (cơ cấu chấp hành, cảm biến, thiết bị điều khiển) và thiết kế sơ đồ mạch điện, mạch điều khiển.
  3. Lập trình điều khiển: Xây dựng chương trình điều khiển, thiết kế giao diện vận hành và thực hiện mô phỏng chuyển động của robot trên máy tính.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cấu trúc cơ khí và hệ thống điều khiển vòng vị trí của tay máy SCARA 4 bậc tự do. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bài toán điều khiển vị trí trong không gian khớp và không gian làm việc với quỹ đạo chuyển động gắp thả định sẵn, tải trọng thao tác danh định 6 kg, tầm với 500 mm và hành trình trục thẳng đứng 200 mm trong thời gian thực hiện 15 tuần.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng các hệ thống lý thuyết cơ bản của kỹ thuật cơ điện tử và lý thuyết điều khiển tự động:

  • Lý thuyết động học robot: Sử dụng phương pháp biểu diễn Denavit-Hartenberg (D-H) để gắn các hệ quy chiếu động lên từng khâu, xây dựng các ma trận biến đổi thuần nhất $T_i^{i-1}$, giải bài toán động học thuận xác định vị trí/hướng khâu công tác và bài toán động học ngược bằng phương pháp giải tích (sử dụng định thức Cramer). Ma trận Jacobian tịnh tiến $J_T$ và Jacobian quay $J_R$ được thiết lập để xác định vận tốc và gia tốc của khối tâm cũng như các khâu.
  • Lý thuyết động lực học robot: Ứng dụng phương trình Lagrange loại 2 dạng ma trận cho hệ nhiều vật có liên kết giữ để mô tả động lực học hệ thống: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}}\right) - \frac{\partial T}{\partial q} + \frac{\partial \Pi}{\partial q} = Q_{kt}$$ Trong đó, phương trình vi phân chuyển động rút gọn có dạng ma trận: $M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + g(q) = \tau$, với $M(q)$ là ma trận quán tính, $C(q, \dot{q})$ là ma trận thành phần Coriolis và lực ly tâm tính toán qua các hệ số Christoffel loại 1 ($c_{ijk}$), và $g(q)$ là vector mô-men/lực do trọng trường sinh ra.
  • Lý thuyết điều khiển tuyến tính và mô hình hóa: Phương pháp hàm truyền Laplace mô hình hóa động cơ điện một chiều (DC motor) kích từ độc lập điều khiển bằng điện áp phần ứng, kết hợp mô hình động học bộ truyền vít me - đai ốc bi ở khâu tịnh tiến; tiêu chuẩn ổn định tần số Nyquist; phương pháp đánh giá đáp ứng quá độ qua tín hiệu bước nhảy đơn vị; thuật toán điều khiển vi tích phân tỷ lệ (PID).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp giải tích: Thiết lập hệ phương trình toán học mô tả động học, động lực học và hàm truyền hệ thống.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB và Simulink để tính toán hàm truyền, khảo sát tính ổn định trên đồ thị Nyquist, thiết kế quỹ đạo bằng đa thức bậc 3, tối ưu thông số PID bằng công cụ PID Tuner và mô phỏng phản hồi vị trí từng khớp.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Tính toán chọn lựa thiết bị cơ điện công nghiệp đồng bộ từ tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất (hãng Yaskawa) và lập sơ đồ ghép nối vi điều khiển.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kích thước hình học, khối lượng kết cấu cơ khí và thông số kỹ thuật động cơ servo AC/DC từ bảng số liệu thiết kế ban đầu và catalogue kỹ thuật dòng động cơ SGMAV cùng driver SGDV.

Thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển robot SCARA 4 bậc tự do được thiết kế theo cấu trúc phần cứng và phần mềm như sau:

Thành phần hệ thống Quy cách / Thiết bị lựa chọn Chức năng kỹ thuật trong hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm Board mạch STM32F407 DISCOVERY Nhận lệnh quỹ đạo, xử lý thuật toán điều khiển và xuất xung vị trí
Cơ cấu chấp hành Động cơ servo Yaskawa dòng SGMAV Tạo chuyển động quay cho các khớp xoay và trục vít me
Bộ điều khiển động cơ Servo Driver Yaskawa SGDV-5R5A Điều khiển vòng dòng/vận tốc/vị trí, nhận xung điều khiển vị trí
Cơ cấu biến đổi chuyển động Bộ truyền vít me - đai ốc bi ($p = 25\text{ mm}$) Biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến (khớp 3)
Cảm biến phản hồi Bộ mã hóa vòng quay (Encoder) tích hợp Phản hồi góc quay và vận tốc trục động cơ về driver để khép kín vòng điều khiển
Mạch ghép nối ngoại vi Mạch cách ly, chuyển mức tín hiệu Ghép nối tín hiệu điều khiển giữa STM32F407 và driver servo SGDV

Về kiến trúc điều khiển và phần mềm:

  • Chế độ điều khiển: Servo driver được cấu hình hoạt động ở chế độ điều khiển vị trí (Position Control Mode), sử dụng phương pháp xuất xung (Pulse/Direction) từ vi điều khiển để kiểm soát góc quay và vị trí dịch chuyển.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng: Trên môi trường MATLAB/Simulink, hệ thống hoàn chỉnh được mô hình hóa qua các khối liên kết gồm: Khối phát quỹ đạo đặt (Position Reference), khối bộ điều khiển PID Controller, khối mô hình hàm truyền động cơ DC kết hợp quán tính tải và khối mô hình cơ học SCARA robot.
  • Giao diện người dùng: Thiết kế giao diện điều khiển mô phỏng trực quan trên nền tảng MATLAB GUI, phân tách thành khối hiển thị trạng thái (tọa độ biến khớp, vận tốc, điểm thao tác, thông số PID) và khối chức năng chấp hành (tính toán động học thuận, động học ngược, thiết lập quỹ đạo đường thẳng và đường tròn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

Chương này trình bày tổng quan lịch sử hình thành cấu hình SCARA từ năm 1981 bởi các đơn vị Sankyo Seiki, Pentel, NEC dưới sự định hướng của Giáo sư Hiroshi Makino (Đại học Yamanashi). Tác giả xác định cấu hình tiêu chuẩn gồm 4 bậc tự do (3 khớp xoay và 1 khớp tịnh tiến), trong đó các khớp 1, 2 và 4 sử dụng chuyển động quay dẫn động qua bộ truyền đai hoặc bánh răng, còn khớp 3 sử dụng cơ cấu vít me - đai ốc bi để chuyển đổi chuyển động quay thành tịnh tiến dọc trục z.

Tác giả thiết lập các yêu cầu vận hành phần mềm gồm: dẫn động đường dẫn liên tục trong không gian, chuyển động xen kẽ (joint-interpolated motion), nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn. Hệ thống thông số kỹ thuật chung và thông số thiết kế hình học - khối lượng của từng khâu được tổng hợp chi tiết:

Khâu Chiều dài / Kích thước hình học Khối lượng thành phần Phạm vi / Giới hạn chuyển động Tốc độ tối đa
Khâu 1 $L_1 = 225\text{ mm}$, mặt cắt $200 \times 100 \times 6\text{ mm}$ $m_1 = 19\text{ kg}$ Quay trục 1: $\pm 132^\circ$ $420^\circ/\text{s}$
Khâu 2 $L_2 = 275\text{ mm}$, mặt cắt $200 \times 100 \times 4\text{ mm}$ $m_2 = 6{,}3\text{ kg}$ Quay trục 2: $\pm 145^\circ$ $720^\circ/\text{s}$
Khâu 3 Trục vít $L = 420\text{ mm}$, ren $d_1 = 16{,}7\text{ mm}$, bi $d_b = 3{,}5\text{ mm}$, $p = 25\text{ mm}$ $m_{vitme} = 0{,}84\text{ kg}$, $m_{dai_oc} = 0{,}35\text{ kg}$ Hành trình trục z: $200\text{ mm}$ $1100\text{ mm/s}$
Khâu 4 Trục dẫn hướng $L = 420\text{ mm}$, đường kính $d = 20\text{ mm}$ $m_{truc4} = 1{,}03\text{ kg}$, $m_{thanh} = 0{,}5\text{ kg}$, tải $m_{tai} = 6\text{ kg}$ Quay trục 4: $\pm 355^\circ$ $2000^\circ/\text{s}$

Thông số làm việc tổng thể gồm tầm với cánh tay 500 mm ($225\text{ mm} + 275\text{ mm}$), chu kỳ làm việc 0,36 s (với tải 1 kg), tải trọng tối đa kết cấu đạt 20 kg, độ chính xác lặp vị trí mặt phẳng X-Y đạt $\pm 0{,}02\text{ mm}$ và trục z đạt $\pm 0{,}01\text{ mm}$.

Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển

Nội dung Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa toán học toàn diện và thiết kế bộ điều khiển cho robot:

  • Thiết lập hệ tọa độ và tham số D-H: Khâu 1 ($d_1 = 156\text{ mm}$, $a_1 = 225\text{ mm}$, $\alpha_1 = 0$), Khâu 2 ($d_2 = 95\text{ mm}$, $a_2 = 275\text{ mm}$, $\alpha_2 = \pi$), Khâu 3 ($a_3 = 0$, $\alpha_3 = 0$, biến khớp tịnh tiến $q_3$), Khâu 4 ($d_4 = 51\text{ mm}$, $a_4 = 0$, $\alpha_4 = 0$). Tọa độ điểm thao tác khâu cuối được rút ra: $x_K = a_2 \cos(q_1 + q_2) + a_1 \cos(q_1)$, $y_K = a_2 \sin(q_1 + q_2) + a_1 \sin(q_1)$, $z_K = d_1 + d_2 - q_3 - d_4$.
  • Thiết kế quỹ đạo: Xây dựng quỹ đạo chuyển động gắp thả qua các điểm trong không gian làm việc với dạng đa thức bậc 3 nhằm triệt tiêu hiện tượng thay đổi gia tốc đột ngột, đảm bảo vận tốc biến thiên liên tục. Thời gian thực hiện các cung đoạn được phân bổ: đoạn khởi động SA' (2 s), hạ gắp A'A (2 s), dừng gắp (1 s), nâng AA' (2 s), chuyển dịch A'B' (3 s), hạ thả B'B (2 s), dừng thả (1 s), nâng BB' (2 s).
  • Động lực học: Xây dựng biểu thức động năng, thế năng theo Lagrange loại 2. Tác giả tính toán chi tiết các hệ số Christoffel bậc một $c_{ijk}$ để thành lập ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$, ma trận khối lượng $M(q)$ và vector trọng lực $g(q) = [0;\ 0;\ 9{,}81(m_3 + m_4);\ 0]^T$ (bỏ qua cản nhớt $D\dot{q} = 0$). Rút ra hệ 4 phương trình vi phân chuyển động phi tuyến mô tả mô-men dẫn động $\tau_1, \tau_2, \tau_3, \tau_4$.
  • Xác định hàm truyền và khảo sát ổn định: Thiết lập hàm truyền động cơ DC kích từ độc lập kết hợp cơ cấu chấp hành: $$G(s) = \frac{\theta_m(s)}{U(s)} = \frac{K_m}{s [L J_{td} s^2 + (L B_{td} + R J_{td})s + (K_m K_e + R B_{td})]}$$ Với khâu 3, hàm truyền tích hợp hệ số chuyển đổi trục vít me bi $K = p / (2\pi) = 0{,}025 / (2\pi)$. Sử dụng công cụ tính toán của MATLAB, đồ thị Nyquist của cả 4 khâu đều cho thấy đường cong không bao điểm $(-1 + 0j)$, chứng minh hệ kín ổn định.
  • Khảo sát đáp ứng vòng hở: Khi đặt tín hiệu đầu vào bước nhảy $u(t) = 1(t)$, kết quả phân tích cho thấy sai lệch tĩnh bằng 0 và độ vọt lố 0%, tuy nhiên thời gian quá độ quá lớn (khớp 1 có thời gian tăng $t_r = 105\text{ s}$, thời gian xác lập $t_s = 472\text{ s}$; khớp 2 có $t_r = 94\text{ s}, t_s = 380\text{ s}$; khớp 3 có $t_r = 220\text{ s}, t_s = 956\text{ s}$; khớp 4 có $t_r = 64\text{ s}, t_s = 287\text{ s}$). Do đó, bộ điều khiển PID được thiết kế và tinh chỉnh thông qua công cụ PID Tuner trên MATLAB để rút ngắn thời gian đáp ứng và đảm bảo bám quỹ đạo.
  • Lựa chọn thiết bị: Lựa chọn động cơ servo Yaskawa SGMAV (công suất khâu 4 là 550 W; các thông số động cơ gồm $K_e = 56/60\text{ Vs/rad}$, hệ số mô-men $K_m$ từ 0,467 đến 0,496 Nm/A, hệ số giảm chấn rotor $B_m = 2{,}58 \times 10^{-4}\text{ Nm/s}$), servo driver Yaskawa SGDV-5R5A và vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY.

Chương 3: Mô phỏng điều khiển robot

Chương 3 triển khai xây dựng giao diện điều khiển mô phỏng robot SCARA và kiểm nghiệm các thuật toán:

  • Giao diện điều khiển: Được lập trình bao gồm khu vực hiển thị trạng thái động học (tọa độ biến khớp $q_1, q_2, q_3, q_4$, vận tốc, vị trí điểm thao tác $x, y, z$, các tham số điều khiển PID) và khu vực nút lệnh chức năng.
  • Kết quả mô phỏng động học thuận: Kiểm tra sự biến thiên tọa độ khâu thao tác khi thay đổi trực tiếp các góc khớp và độ dịch chuyển khâu 3.
  • Kết quả mô phỏng động học ngược theo quỹ đạo: Thực hiện mô phỏng chuyển động khâu thao tác bám theo hai dạng quỹ đạo thử nghiệm:
    1. Quỹ đạo đường thẳng: Khâu chấp hành di chuyển chính xác giữa hai điểm tọa độ đã đặt, các góc khớp biến thiên mượt mà theo hàm đa thức bậc 3.
    2. Quỹ đạo đường tròn: Hệ thống giải bài toán ngược liên tục, xuất tín hiệu điều khiển giúp điểm thao tác vẽ trọn vẹn cung tròn trên mặt phẳng làm việc với sai số biến khớp được kiểm soát chặt chẽ.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể có số liệu kiểm chứng qua văn bản:

  • Xác lập đầy đủ hệ thống thông số hình học và cơ học của robot SCARA 4 bậc tự do: tải trọng tính toán $m_{tai} = 6\text{ kg}$, chiều dài hai cánh tay quay $L_1 = 225\text{ mm}$, $L_2 = 275\text{ mm}$, bước trục vít me $p = 25\text{ mm}$, đảm bảo bán kính vùng làm việc tối đa 500 mm và hành trình tịnh tiến trục z đạt 200 mm.
  • Phân tích định lượng đặc tính động học và quá độ vòng hở của 4 trục truyền động:
Trục truyền động Độ vọt lố ban đầu Thời gian tăng ($t_r$) Thời gian xác lập ($t_s$) Sai lệch tĩnh Trạng thái ổn định Nyquist
Khớp 1 0% $105\text{ s}$ $472\text{ s}$ 0 Ổn định (không bao điểm $-1$)
Khớp 2 0% $94\text{ s}$ $380\text{ s}$ 0 Ổn định (không bao điểm $-1$)
Khớp 3 0% $220\text{ s}$ $956\text{ s}$ 0 Ổn định (không bao điểm $-1$)
Khớp 4 0% $64\text{ s}$ $287\text{ s}$ 0 Ổn định (không bao điểm $-1$)
  • Đề xuất giải pháp điều khiển hoàn chỉnh: Ứng dụng bộ điều khiển PID tinh chỉnh bằng PID Tuner trên MATLAB/Simulink nhằm khắc phục hoàn toàn nhược điểm đáp ứng chậm của hệ hở ($t_s$ từ hàng trăm giây xuống mức đáp ứng nhanh trong chu kỳ quỹ đạo 0,36 s); xây dựng cấu hình phần cứng điều khiển vị trí dùng servo Yaskawa SGMAV, driver SGDV-5R5A và bo mạch STM32F407 DISCOVERY.
  • Đóng góp kỹ thuật: Xây dựng trọn vẹn chuỗi công cụ tính toán từ mô hình toán giải tích (D-H, Lagrange loại 2) đến mô hình mô phỏng chuyển động bám quỹ đạo không gian thực (quỹ đạo gắp thả đa thức bậc 3, quỹ đạo đường thẳng, quỹ đạo đường tròn) tích hợp trên giao diện đồ họa trực quan.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Nghiên cứu mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý và mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink; chưa tiến hành gia công chế tạo mô hình cơ khí thực nghiệm để kiểm chứng độ chính xác lặp thực tế ($\pm 0{,}02\text{ mm}$).
  • Mô hình động lực học Lagrange trong tính toán đã giản lược bỏ qua thành phần lực ma sát nhớt ($D\dot{q} = 0$), chưa xét đến ma sát phi tuyến tại các khớp xoay và khớp trượt vít me bi.
  • Thuật toán PID được thiết kế dựa trên mô hình tuyến tính hóa từng trục riêng lẻ, chưa tính đến tương tác phi tuyến ghép kênh mạnh giữa các khớp khi robot chuyển động ở dải vận tốc cực đại ($2000^\circ/\text{s}$).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Chế tạo mô hình phần cứng cơ khí thực tế theo đúng kích thước và kết cấu đã tính toán.
  • Nạp chương trình điều khiển xuống bo mạch vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY để kết nối, truyền xung thực tế tới bộ điều khiển servo Yaskawa SGDV-5R5A và động cơ SGMAV.
  • Bổ sung khâu nhận dạng tham số ma sát và phát triển các thuật toán điều khiển nâng cao (như điều khiển bù mô-men quán tính, điều khiển thích nghi) nhằm đảm bảo chất lượng bám quỹ đạo khi tải trọng thay đổi liên tục.

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 Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Robot và Cơ khí Chế tạo máy khi thực hiện các đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp về tay máy công nghiệp.

Nội dung đồ án có giá trị thực tiễn cao ở các phần:

  • Quy trình chuẩn hóa thiết lập bảng thông số D-H và giải tích bài toán động học thuận - nghịch cho robot SCARA 4 bậc tự do.
  • Phương pháp tính toán ma trận Coriolis thông qua các hệ số Christoffel loại 1 trong phương trình vi phân Lagrange loại 2.
  • Phương pháp quy đổi quán tính tải qua hộp giảm tốc và bộ truyền vít me bi để xây dựng hàm truyền hệ thống truyền động điện trong Simulink.
  • Phương pháp luận kết hợp công cụ PID Tuner và xây dựng giao diện vận hành MATLAB GUI phục vụ giảng dạy, mô phỏng chuyển động robot.

Câu hỏi thường gặp

1. Bảng thông số Denavit-Hartenberg (D-H) và kích thước hình học của robot trong đồ án được xác định như thế nào?
Robot SCARA 4 bậc tự do được gán 4 hệ tọa độ với bộ thông số D-H: Khâu 1 ($\theta_1 = q_1, d_1 = 156\text{ mm}, a_1 = 225\text{ mm}, \alpha_1 = 0$), Khâu 2 ($\theta_2 = q_2, d_2 = 95\text{ mm}, a_2 = 275\text{ mm}, \alpha_2 = \pi$), Khâu 3 ($\theta_3 = 0, d_3 = q_3, a_3 = 0, \alpha_3 = 0$) và Khâu 4 ($\theta_4 = q_4, d_4 = 51\text{ mm}, a_4 = 0, \alpha_4 = 0$). Chiều dài làm việc tổng của hai cánh tay là $225 + 275 = 500\text{ mm}$.

2. Tại sao tác giả lựa chọn đa thức bậc 3 để thiết kế quỹ đạo chuyển động gắp thả vật?
Theo phân tích tại Chương 2, đa thức bậc 3 được chọn vì phương pháp này vừa đơn giản trong thiết kế toán học, vừa đảm bảo tính liên tục của vận tốc tại các điểm chuyển tiếp. Điều này giúp quỹ đạo không bị giật cục, không gấp khúc và triệt tiêu hiện tượng sốc tải cơ học trong quá trình khởi động và dừng của robot.

3. Đặc tính quá độ của hệ thống truyền động hở ban đầu có nhược điểm gì khiến phải thiết kế thêm bộ điều khiển PID?
Mặc dù đồ thị Nyquist chỉ ra hệ kín ổn định và sai lệch tĩnh bằng 0 với độ vọt lố 0%, nhưng thời gian quá độ của hệ khi chưa có bộ điều khiển là quá lớn: thời gian xác lập của khớp 1 là 472 s, khớp 2 là 380 s, khớp 3 lên tới 956 s và khớp 4 là 287 s. Tốc độ đáp ứng này không thể đáp ứng chu kỳ làm việc công nghiệp (yêu cầu khoảng 0,36 s), do đó bắt buộc phải sử dụng PID để kéo giảm thời gian xác lập.

4. Khâu tịnh tiến số 3 sử dụng cơ cấu truyền động gì và quan hệ toán học quy đổi hàm truyền ra sao?
Khâu 3 sử dụng bộ truyền trục vít me - đai ốc bi có bước vít $p = 25\text{ mm}$, đường kính chân ren $16{,}7\text{ mm}$ và đường kính bi $3{,}5\text{ mm}$. Quan hệ biến đổi từ vận tốc góc trục vít $\omega(t)$ sang lượng dịch chuyển $y(t)$ được xác định qua biểu thức $y(t) = \frac{p}{2\pi}\int \omega(t)dt$, tạo ra một khâu tích phân có hệ số $K = \frac{p}{2\pi}$ tích hợp nối tiếp vào hàm truyền động cơ.

5. Những thiết bị phần cứng công nghiệp nào được lựa chọn cụ thể trong phương án thiết kế hệ thống điều khiển?
Tác giả đã tính toán và lựa chọn các thiết bị phần cứng gồm: động cơ servo AC dòng SGMAV của hãng Yaskawa (công suất khâu 4 đạt 550 W), bộ điều khiển servo driver Yaskawa SGDV-5R5A vận hành ở chế độ điều khiển vị trí nhận xung và bo mạch vi điều khiển 32-bit STM32F407 DISCOVERY đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm phát xung điều khiển.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Hoàng Xuân Tùng đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA 4 bậc tự do phục vụ thao tác gắp thả sản phẩm. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học nhiều vật (D-H, Lagrange loại 2) và lý thuyết điều khiển tuyến tính, tác giả đã mô hình hóa chính xác động học, động lực học và hàm truyền của từng trục truyền động. Các kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink và giao diện điều khiển GUI đã kiểm chứng tính ổn định của hệ thống cũng như khả năng bám quỹ đạo đường thẳng và đường tròn khi áp dụng thuật toán điều khiển PID. Nghiên cứu cung cấp cơ sở kỹ thuật hoàn chỉnh để tiến tới bước chế tạo mô hình phần cứng và triển khai điều khiển thực tế trên nền vi điều khiển STM32F407 cùng driver servo công nghiệp.