Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa linh hoạt (Flexible Automation) là yêu cầu sống còn của các dây chuyền sản xuất tiên tiến. Theo thống kê của Liên đoàn Robot Quốc tế (IFR), mật độ robot công nghiệp toàn cầu đã vượt ngưỡng 151 robot trên 10.000 công nhân, trong đó các dòng robot tay máy 6 bậc tự do (6-DOF Articulated Robot) chiếm hơn 65% thị phần ứng dụng gắp đặt, hàn và gia công tinh xảo. Tuy nhiên, việc nội địa hóa quy trình tính toán, thiết kế động lực học và thuật toán điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp vẫn là rào cản lớn đối với các kỹ sư cơ điện tử tại Việt Nam.

Đồ án "Thiết Kế và Mô Phỏng Cánh Tay Robot NACHI-MZ07-01 (6 bậc tự do)" do nhóm sinh viên Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phan Xuân Hiển, giải quyết trọn vẹn bài toán từ khâu mô hình hóa 3D, thiết lập thông số động học/động lực học giải tích, đến tính chọn động cơ và thiết kế hệ thống điều khiển bám quỹ đạo chính xác cao.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| THÔNG TIN DỰ ÁN TỔNG QUAN                                                         |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+
| Tên đề tài        | Thiết Kế và Mô Phỏng Cánh Tay Robot NACHI-MZ07-01 (6-DOF)      |
| Cơ quan thực hiện | Khoa Cơ Khí - Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM         |
| Chuyên ngành      | Cơ Điện Tử (Lớp Cơ Điện Tử - K61)                             |
| Giảng viên HD     | TS. Phan Xuân Hiển                                            |
| Sinh viên TH      | Đặng Bửu Điền, Hà Thiên Phúc, Phùng Văn Nam, Hồ Tuấn Kiều Thiên|
| Công cụ chủ đạo   | SolidWorks 2023, MATLAB R2023b / Simulink, Control Toolbox     |
+-------------------+---------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế cơ khí chính xác: Xây dựng mô hình 3D CAD đầy đủ 6 khâu động học của robot NACHI-MZ07-01 trên SolidWorks chuẩn tỷ lệ 1:1, xác định chính xác ma trận quán tính $J_i$ và tọa độ khối tâm $r_{G_i}$.
  2. Thiết lập mô hình toán học: Thiết lập bảng thông số Denavit–Hartenberg (D-H), giải bài toán động học thuận (Forward Kinematics) và động lực học ngược (Inverse Dynamics) dựa trên phương pháp ma trận giả quán tính và phương trình vi phân biến đổi thuần nhất.
  3. Tính toán động lực học giải tích trên MATLAB: Lập trình giải tự động hệ phương trình vi phân mô tả mô-men xoắn toàn phần $F_i(q, \dot{q}, \ddot{q})$ cho cả 6 khớp.
  4. Tính chọn hệ thống dẫn động: Xác định công suất động cơ servo, mô-men tải cực đại và tỷ số truyền hộp giảm tốc ($i = 10:1$, hiệu suất $\eta = 0.93$) phù hợp cho từng trục khớp.
  5. Tổng hợp bộ điều khiển: Xây dựng mô hình điều khiển đa vùng (PID, PD, PI) và bộ điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực (Pole Placement State-Feedback Control) trên MATLAB/Simulink nhằm tối ưu hóa đáp ứng bám vị trí.

Thông số kỹ thuật danh định của Robot NACHI-MZ07-01

  • Số bậc tự do: 6 bậc tự do (6 khớp quay $R \perp R \parallel R \perp R \perp R$).
  • Tầm với cực đại (Max Reach): $723\text{ mm}$.
  • Kích thước bao ngoài ($W \times D \times H$): $369 \times 490 \times 173\text{ mm}$.
  • Khối lượng bản thể: $17\text{ kg}$.
  • Độ lặp lại vị trí (Repeatability): $\pm 0.03\text{ mm}$ (chuẩn ISO 9283).
  • Kiểu lắp đặt: Linh hoạt (gắn sàn, gắn trần hoặc đặt trong khoang máy gia công CNC).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và so sánh công nghệ

Trong phân khúc robot cánh tay 6-DOF tải trọng nhỏ ($5\text{--}7\text{ kg}$), NACHI-MZ07-01 cạnh tranh trực tiếp với các dòng robot tiêu chuẩn như ABB IRB 120 và KUKA KR 6 AGILUS:

Tiêu chí kỹ thuật NACHI-MZ07-01 (Đề tài nghiên cứu) ABB IRB 120 KUKA KR 6 AGILUS
Bán kính hoạt động $723\text{ mm}$ $580\text{ mm}$ $706.7\text{ mm}$
Độ lặp lại vị trí $\mathbf{\pm 0.03\text{ mm}}$ $\pm 0.01\text{ mm}$ $\pm 0.03\text{ mm}$
Khối lượng cánh tay $\mathbf{17\text{ kg}}$ (Rất nhẹ) $25\text{ kg}$ $51\text{ kg}$
Tủ điều khiển CFD Compact Controller IRC5 Compact KR C4 Compact
Tính linh hoạt lắp đặt Gắn sàn, treo trần, gắn góc nghiêng Gắn sàn, treo trần Mọi tư thế
Ứng dụng chủ đạo Hàn/Cắt laser, mài bóng, bốc xếp Gắp đặt linh kiện điện tử Phay tải nhẹ, gắp tốc độ cao

Phân loại yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Bảng tham số D-H chuẩn xác; ma trận biến đổi thuần nhất $^{i-1}_{i}T$; phương trình động lực học biểu diễn mô-men xoắn $F_1 \dots F_6$; bộ điều khiển PID bám góc khớp ổn định.
  • Should have (Cần có): Mô hình hóa không gian trạng thái $\dot{x} = Ax + Bu$; bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực (Pole Placement) triệt tiêu độ vọt lố.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp thuật toán quy hoạch quỹ đạo điểm - điểm (PTP) mượt bậc 5 (Quintic Polynomial Trajectory).
  • Won't have (Chưa thực hiện đợt này): Nhận dạng tham số thực nghiệm (Parameter Identification) bù ma sát phi tuyến Stribeck trên mô hình phần cứng thật.

Kiến trúc hệ thống tính toán và điều khiển

flowchart TD
    subgraph CAD_Stage ["1. Mô Hình Hóa Cơ Khí (SolidWorks 2023)"]
        SW1["Thiết kế 3D 6 khâu (Link 1 - Link 6)"] --> SW2["Xuất thông số: Khối lượng (m_i), Trọng tâm (r_Gi), Ma trận quán tính (I_i)"]
    end

    subgraph Math_Stage ["2. Toán Học Động Học & Động Lực Học"]
        SW2 --> DH["Bảng thông số D-H: a_i, alpha_i, d_i, theta_i"]
        DH --> MAT["Ma trận biến đổi thuần nhất: T_01 đến T_56 -> T_06"]
        MAT --> LAG["Động lực học Lagrange - Euler / Ma trận giả quán tính J_i"]
    end

    subgraph Simulation_Stage ["3. Mô Phỏng & Điều Khiển (MATLAB R2023b / Simulink)"]
        LAG --> SYM["Giải tích hình thức (Symbolic Math) xuất mô-men F1 - F6"]
        SYM --> MOT["Tính chọn động cơ Servo & Tỷ số truyền i=10:1"]
        MOT --> SIM["Mô hình điều khiển Simulink"]
        SIM --> PID["Bộ điều khiển kinh điển (PID / PD / PI)"]
        SIM --> POLE["Điều khiển phản hồi trạng thái (Pole Placement)"]
    end

    PID --> RES["Đánh giá sai số bám quỹ đạo & Động học khâu tác động cuối"]
    POLE --> RES

Thông số công nghệ và Công cụ sử dụng

  • Phần mềm thiết kế CAD: Dassault Systèmes SolidWorks 2023 SP2.0 (Mass Properties Tool, Coordinate System Assignment).
  • Phần mềm tính toán toán học: MATLAB R2023b (Symbolic Math Toolbox, Control System Toolbox).
  • Môi trường mô phỏng hệ thống: Simulink, Simscape Multibody.
  • Phương pháp phát triển: Mô hình chữ V (V-Model for Mechatronics Systems) kết hợp kiểm thử mô phỏng Software-in-the-Loop (SiL).

Implementation và kết quả

Thiết lập Động học theo Quy ước Denavit – Hartenberg (D-H)

Hệ trục tọa độ được gắn tuần tự từ khâu đế (Base - Frame 0) đến khâu chấp hành cuối (End-Effector - Frame 6).

+--------------------------------------------------------------------+
|                      BẢNG THÔNG SỐ D-H ROBOT NACHI-MZ07-01         |
+--------+------------------+---------------+-------------+----------+
| Khâu i | alpha_{i-1} (rad)| a_{i-1} (mm)  | d_i (mm)    | theta_i  |
+--------+------------------+---------------+-------------+----------+
|   1    |       0          |       0       |    190      |  q1      |
|   2    |     -pi/2        |      50       |      0      |  q2      |
|   3    |       0          |       0       |      0      |  q3      |
|   4    |     -pi/2        |      45       |      0      |  q4 - 90 |
|   5    |      pi/2        |       0       |      0      |  q5      |
|   6    |     -pi/2        |       0       |     50      |  q6 + 30 |
+--------+------------------+---------------+-------------+----------+

Ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát $^{i-1}_{;i}T$ từ hệ tọa độ $i-1$ sang hệ tọa độ $i$:

$$^{i-1}{;i}T = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i \cos\alpha{i-1} & \sin\theta_i \sin\alpha_{i-1} & a_{i-1}\cos\theta_i \ \sin\theta_i & \cos\theta_i \cos\alpha_{i-1} & -\cos\theta_i \sin\alpha_{i-1} & a_{i-1}\sin\theta_i \ 0 & \sin\alpha_{i-1} & \cos\alpha_{i-1} & d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$

Ma trận chuyển đổi toàn phần từ gốc tới điểm công tác:

$$^{0}{6}T = ;^{0}{1}T(q_1) \cdot ;^{1}{2}T(q_2) \cdot ;^{2}{3}T(q_3) \cdot ;^{3}{4}T(q_4) \cdot ;^{4}{5}T(q_5) \cdot ;^{5}_{6}T(q_6)$$

Thiết lập Động lực học ngược qua Ma trận giả quán tính ($J_i$)

Để xác định chính xác lực/mô-men xoắn tác động lên từng khớp mà không bỏ sót tương tác quán tính chéo giữa các khâu khi di chuyển với vận tốc cao, phương pháp ma trận giả quán tính $J_i$ ($4 \times 4$) được áp dụng:

$$J_i = \begin{bmatrix} \frac{-I_{xx} + I_{yy} + I_{zz}}{2} & I_{xy} & I_{xz} & m_i \bar{x}i \ I{xy} & \frac{I_{xx} - I_{yy} + I_{zz}}{2} & I_{yz} & m_i \bar{y}i \ I{xz} & I_{yz} & \frac{I_{xx} + I_{yy} - I_{zz}}{2} & m_i \bar{z}_i \ m_i \bar{x}_i & m_i \bar{y}_i & m_i \bar{z}_i & m_i \end{bmatrix}$$

Phương trình động lực học tổng quát tính lực/mô-men khớp $F_i$:

$$F_i = \sum_{j=i}^{6} \text{Tr}\left( \frac{\partial T_j}{\partial q_i} J_j \left(\frac{\partial T_j}{\partial q_k}\right)^T \right) \ddot{q}k + \sum{j=i}^{6} \sum_{m=1}^{j} \text{Tr}\left( \frac{\partial^2 T_j}{\partial q_i \partial q_m} J_j \left(\frac{\partial T_j}{\partial q_k}\right)^T \right) \dot{q}k \dot{q}m - \sum{j=i}^{6} m_j g^T \frac{\partial T_j}{\partial q_i} r{Gj}^j$$

Trích đoạn mã nguồn tính toán Động lực học Symbolic trên MATLAB

Dưới đây là đoạn mã MATLAB biểu diễn thuật toán tính toán ma trận chuyển đổi và giải tích tự động mô-men xoắn khớp $F_1$:

%==========================================================================
% CHUONG TRINH TINH TOAN DONG LUC HOC ROBOT NACHI-MZ07-01 (6-DOF)
% Truong Dai hoc Giao thong Van tai TP.HCM - Khoa Co Khi
%==========================================================================
clc; clear;
syms t real;
syms q1 q2 q3 q4 q5 q6 real;
syms qd1 qd2 qd3 qd4 qd5 qd6 real;
syms qdd1 qdd2 qdd3 qdd4 qdd5 qdd6 real;

% Khoi luong cac khau (kg) trich xuat tu SolidWorks CAD
m1 = 8.0; m2 = 6.0; m3 = 5.0; m4 = 4.5; m5 = 2.0; m6 = 0.8;
Vg = [0; 0; -9.81; 1]; % Vector gia toc trong truong

% Tham so hinh hoc D-H
a1 = 0;   a2 = 50;  a3 = 0;  a4 = 45; a5 = 0;  a6 = 0;
d1 = 190; d2 = 0;   d3 = 0;  d4 = 0;  d5 = 0;  d6 = 50;
al1 = 0;  al2 = -pi/2; al3 = 0; al4 = -pi/2; al5 = pi/2; al6 = -pi/2;

% Thiet lap cac ma tran bien doi thuan nhat tung khau
T1 = [cos(q1), -sin(q1)*cos(al1),  sin(q1)*sin(al1), a1*cos(q1);
      sin(q1),  cos(q1)*cos(al1), -cos(q1)*sin(al1), a1*sin(q1);
      0,        sin(al1),          cos(al1),         d1;
      0,        0,                 0,                1];

T2 = [cos(q2), -sin(q2)*cos(al2),  sin(q2)*sin(al2), a2*cos(q2);
      sin(q2),  cos(q2)*cos(al2), -cos(q2)*sin(al2), a2*sin(q2);
      0,        sin(al2),          cos(al2),         d2;
      0,        0,                 0,                1];

% Tinh toan mo-men dong luc hoc cho khop 1 (F1)
% Thanh phan gia toc (Inertia term)
term_acc = trace(diff(T1,q1)*J1*transpose(diff(T1,q1)))*qdd1 + ...
           trace(diff(T2,q1)*J2*transpose(diff(T2,q1)))*qdd1;

% Thanh phan van toc (Coriolis & Centrifugal term)
term_vel = trace(diff(diff(T1,q1),q1)*J1*transpose(diff(T1,q1)))*qd1^2 + ...
           trace(diff(diff(T2,q1),q1)*J2*transpose(diff(T2,q1)))*qd1^2;

% Thanh phan trong truong (Gravity term)
term_grav = - m1*transpose(Vg)*diff(T1,q1)*rRG1 ...
            - m2*transpose(Vg)*diff(T2,q1)*rRG2;

F1 = term_acc + term_vel + term_grav;
fprintf('Mo-men tinh toan tren khop 1 (F1):\n');
disp(simplify(F1));

Tính chọn Công suất Động cơ và Hộp giảm tốc

Dựa trên kết quả phân tích động lực học mô-men xoắn lớn nhất khi vận hành đầy tải ($T_{\max}$) và vận tốc góc cực đại của khâu chấp hành:

  • Tỷ số truyền hộp giảm tốc bánh răng: $i = 10:1$.
  • Hiệu suất truyền động tổng cộng: $\eta = \eta_{br} \cdot \eta_{kn} = 0.95 \cdot 0.98 = 0.931 \approx 0.93$.
  • Ví dụ tính toán tại Khớp 6:
    • Mô-men xoắn tĩnh và động trên trục: $M_6 = F_6 \cdot 0.1 = 3.43\text{ N}\cdot\text{m}$.
    • Vận tốc vòng quay lớn nhất của khớp: $n_6 = 166\text{ vòng/phút}$.
    • Công suất tính toán trên trục: $P_6 = \frac{M_6 \cdot n_6}{9.55} = \frac{3.43 \cdot 166}{9.55} = 59.6\text{ W}$.
    • Công suất danh định yêu cầu của động cơ: $P_{dc6} = \frac{P_6}{\eta} = \frac{59.6}{0.93} = 64.1\text{ W}$.
    • Số vòng quay trục động cơ: $n_{dc6} = n_6 \cdot i = 166 \cdot 10 = 1660\text{ vòng/phút}$.
    • Lựa chọn: Động cơ AC Servo công suất danh định $100\text{ W}$, tốc độ định mức $3000\text{ vòng/phút}$ đáp ứng dôi dư an toàn hệ số $k_{sf} = 1.56$.

Tổng hợp và Đánh giá Bộ điều khiển

Đồ án tiến hành khảo sát hai cấu trúc điều khiển bám vị trí góc khớp $\theta_{ref}(t)$:

  1. Bộ điều khiển PID kinh điển: Thiết lập độc lập trên từng kênh khớp với thông số $K_p, K_i, K_d$ được tối ưu hóa qua phương pháp Ziegler-Nichols kết hợp tinh chỉnh trên Simulink Response Optimizer.

  2. Bộ điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực (State-Feedback Pole Placement): Mô hình trạng thái hóa tuyến tính quanh điểm làm việc:

    $$\begin{cases} \dot{x}(t) = A x(t) + B u(t) \ y(t) = C x(t) \end{cases}$$

    Ma trận khuếch đại phản hồi trạng thái $K = \text{place}(A, B, P)$ với vector điểm cực mong muốn $P = [-15 \pm 10j, -20 \pm 5j, -25 \pm 2j]$ giúp hệ thống triệt tiêu dao động nhanh và không bị bão hòa tín hiệu điều khiển.

+-------------------------------------------------------------------------+
| CHỈ SỐ ĐÁP ỨNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VỊ TRÍ GÓC KHỚP                           |
+--------------------------+---------------------+------------------------+
| Thông số đánh giá        | Bộ điều khiển PID   | Phản hồi trạng thái    |
+--------------------------+---------------------+------------------------+
| Thời gian xác lập (ts)   | 0.42 s              | 0.28 s (Nhanh hơn 33%) |
| Độ vọt lố (Overshoot)    | 6.8%                | < 1.2% (Triệt tiêu tốt)|
| Sai số xác lập (e_ss)    | < 0.002 rad         | < 0.0005 rad           |
| Khả năng kháng tải tĩnh  | Trung bình          | Rất cao                |
+--------------------------+---------------------+------------------------+

Đổi mới và đóng góp

  • Mô hình hóa động lực học giải tích tường minh: Thay vì sử dụng các công cụ hộp đen số (Numeric Black-box), đồ án đã thiết lập thành công hệ phương trình vi phân biến đổi giải tích dạng Symbolic trên MATLAB cho toàn bộ 6 khớp, cho phép phân tích trực tiếp ảnh hưởng của ma trận giả quán tính và lực quán tính Coriolis bậc cao.
  • Tối ưu hóa quy trình đồng thiết kế CAD - CAE: Liên kết trực tiếp tham số vật lý (khối lượng, trọng tâm, tensor quán tính) từ SolidWorks 2023 sang môi trường mô phỏng Simulink, giảm thiểu hơn 80% sai số làm tròn trong tính toán lý thuyết.
  • Đóng góp học thuật: Cung cấp tài liệu mẫu chi tiết, hoàn chỉnh về mặt phương pháp luận cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ Điện Tử nghiên cứu dòng robot tay máy 6 bậc tự do Nachi.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Cánh tay robot NACHI-MZ07-01 với cấu hình 6 bậc tự do và tầm với $723\text{ mm}$ được định hướng triển khai trong các trạm tự động hóa công nghiệp chuyên biệt:

  1. Hàn laser và Cắt laser chính xác: Nhờ độ lặp lại vị trí đạt $\pm 0.03\text{ mm}$, robot dẫn hướng đầu phát laser gia công các chi tiết vỏ kim loại phức tạp trong ngành sản xuất ô tô và thiết bị điện tử.
  2. Mài bóng và Đánh bóng tự động: Tích hợp đầu mài linh hoạt, duy trì quỹ đạo gia công tiếp xúc bề mặt cong phức tạp mà không làm hỏng biên dạng chi tiết.
  3. Phân loại và Gắp đặt (Pick-and-Place) tốc độ cao: Kết hợp tủ điều khiển CFD xử lý nhanh lệnh quỹ đạo, tương thích linh hoạt với băng chuyền công nghiệp.
+---------------------------------------------------------------------------------+
| PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ ĐẦU TƯ (ROI) TRẠM ROBOT GIA CÔNG GẮP ĐẶT                     |
+-------------------------------+-------------------+-----------------------------+
| Hạng mục chi phí              | Phương án thủ công| Trạm tự động hóa MZ07-01    |
+-------------------------------+-------------------+-----------------------------+
| Nhân công vận hành / năm      | 240.000.000 VNĐ   | 40.000.000 VNĐ (Bảo trì)    |
| Tỷ lệ lỗi sản phẩm (Defect)   | 2.8%              | < 0.15%                     |
| Thời gian hoàn vốn (Payback)  | N/A               | 14.5 tháng                  |
| Năng suất trung bình / ca     | 450 sản phẩm      | 1.250 sản phẩm (+177%)      |
+-------------------------------+-------------------+-----------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mô hình động lực học hiện tại chưa tính đến tính đàn hồi phi tuyến của các khớp quay (Joint Elasticity) và độ dơ cơ khí (Backlash) của hộp giảm tốc bánh răng.
  • Tác động của ma sát nhiệt và biến dạng nhiệt của kết cấu cánh tay trong quá trình vận hành liên tục chưa được khảo sát chi tiết.

Hướng nâng cấp đề xuất

  • Điều khiển thích nghi thông minh: Ứng dụng bộ điều khiển trượt thích nghi (Adaptive Sliding Mode Control - ASMC) hoặc điều khiển dự báo mô hình (Model Predictive Control - MPC) để tự động bù sai lệch khi tải trọng thay đổi đột ngột.
  • Tích hợp Thị giác máy tính (Robot Vision): Ghép nối camera 3D công nghiệp trên khâu chấp hành cuối (Eye-in-Hand Vision System) để tự động nhận dạng tọa độ phôi gia công trong không gian 3D.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ Điện Tử / Tự Động Hóa: Nguồn tài liệu học tập chuẩn xác về quy trình giải tích động lực học robot 6-DOF sử dụng MATLAB Symbolic và SolidWorks.
  • Kỹ sư R&D Cơ khí & Robot: Khung mẫu (Framework) tính chọn công suất động cơ servo, tỷ số truyền hộp giảm tốc và phân tích động học công nghiệp.
  • Doanh nghiệp vừa và nhỏ (SMEs): Cơ sở dữ liệu kỹ thuật tin cậy để đánh giá tính khả thi trước khi đầu tư lắp đặt robot NACHI-MZ07-01 vào dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu cấu hình máy tính để chạy mô phỏng SolidWorks và MATLAB trong đề tài?

Cấu hình tối thiểu khuyến nghị: CPU Intel Core i5/AMD Ryzen 5 thế hệ 10 trở lên, 16GB RAM, card đồ họa rời hỗ trợ OpenGL (NVIDIA Quadro hoặc GTX/RTX) và tối thiểu 20GB dung lượng trống để xử lý mượt mà các ma trận giải tích Symbolic phức tạp trên MATLAB R2023b.

2. Sự khác biệt giữa ma trận biến đổi thuần nhất D-H chuẩn và D-H cải tiến (Modified D-H) là gì?

Trong đồ án này, nhóm tác giả sử dụng bảng D-H theo quy ước Craig/Modified D-H (trục $X_i$ vuông góc với $Z_i$ và hướng dọc theo đường vuông góc chung), giúp việc đặt hệ tọa độ tại các khớp gốc và khớp cổ tay không bị suy biến khi các trục song song hoặc cắt nhau.

3. Tại sao chọn tỷ số truyền hộp giảm tốc là $10:1$ cho tất cả các khớp?

Tỷ số truyền $10:1$ kết hợp bộ truyền bánh răng song song mang lại sự cân bằng tối ưu giữa mô-men đầu ra yêu cầu và tốc độ quay danh định của động cơ servo ($1600\text{--}3000\text{ vòng/phút}$), đồng thời đảm bảo kích thước cụm dẫn động nhỏ gọn để đặt gọn bên trong thân cánh tay robot.

4. Hệ điều khiển phản hồi trạng thái có ưu thế gì vượt trội so với PID truyền thống?

Bộ điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho phép can thiệp đồng thời vào tất cả các biến trạng thái của hệ thống (vị trí góc và vận tốc góc của từng khâu), triệt tiêu hoàn toàn sự ghép kênh động học giữa các khớp, từ đó giảm độ vọt lố xuống dưới $1.2%$ so với $6.8%$ của PID.

5. Khâu nào trong robot NACHI-MZ07-01 chịu mô-men xoắn lớn nhất khi vận hành?

Khớp số 2 và khớp số 3 luôn chịu tải trọng tĩnh và mô-men uốn lớn nhất do trọng lực của toàn bộ cụm cẳng tay (Link 4, 5, 6) và tải trọng nâng tác động theo cánh tay đòn dài nhất ($L_3 = 420\text{ mm}$, $L_5 = 350\text{ mm}$).

Kết luận

Đề tài "Thiết Kế và Mô Phỏng Cánh Tay Robot NACHI-MZ07-01 (6 bậc tự do)" của nhóm sinh viên Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra: từ việc xây dựng mô hình cơ khí 3D chuẩn xác trên SolidWorks, giải tích toán học hệ phương trình động lực học toàn phần bằng ma trận giả quán tính trên MATLAB, đến việc thiết kế hệ thống điều khiển bám quỹ đạo bền vững. Đây là nền tảng kỹ thuật vững chắc hỗ trợ đắc lực cho công tác nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp chế tạo robot tại Việt Nam.

Để tìm hiểu sâu hơn về các thuật toán điều khiển và nhận trọn bộ file mô phỏng CAD/MATLAB, hãy kết nối với nhóm nghiên cứu hoặc tham khảo các đề tài chuyên sâu liên quan thuộc Khoa Cơ Khí – ĐH Giao thông Vận tải TP.HCM.