Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng đồng đều và thay thế con người tại các môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm hoặc các công đoạn lặp đi lặp lại với tần suất cao. Trong các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, đóng gói và phân loại sản phẩm, cánh tay robot công nghiệp dạng SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là cấu cấu chấp hành phổ biến nhờ đặc tính cứng vững theo phương thẳng đứng và tốc độ chuyển động nhanh, linh hoạt trên mặt phẳng ngang.
Tuy nhiên, việc điều khiển cánh tay robot SCARA kết hợp với hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) để gắp và định hướng phôi đang chuyển động liên tục trên băng tải đòi hỏi giải pháp truyền thông điều khiển vị trí có tốc độ cao, độ chính xác tuyệt đối và khả năng chống nhiễu mạnh. Phương pháp phát xung truyền thống thường bộc lộ nhiều hạn chế về giới hạn tần số xung khi chạy tốc độ cao, sụt áp và dễ bị nhiễu tín hiệu do chiều dài đường dây. Để giải quyết vấn đề này, mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III của hãng Mitsubishi Electric được ứng dụng nhằm liên kết đồng bộ bộ điều khiển lập trình và các bộ điều khiển động cơ servo.
Đề tài "Điều khiển cánh tay 4 trục dùng mạng SSCNET III" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Nguyễn Anh Tuấn và Trần Nhật Nam dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm tại Bộ môn Tự động Điều khiển, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (thời gian thực hiện từ tháng 04/2022 đến tháng 08/2022).
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Xây dựng và lắp ráp hoàn thiện kết cấu cơ khí, đảm bảo giảm thiểu tối đa sai lệch do quán tính chuyển động tốc độ cao từ phần khung robot EPSON có sẵn và các chi tiết gia công mới.
- Thiết kế sơ đồ bố trí, thi công tủ điện điều khiển an toàn, gọn gàng và đạt yêu cầu kỹ thuật công nghiệp.
- Xây dựng giải thuật điều khiển và lập trình hệ thống: phát hiện, gắp và đặt chính xác 6 loại sản phẩm mẫu mang ký tự biểu tượng được huấn luyện trước (U, T, E, K, 1, 8) lên các vị trí tương ứng trên khay cố định, trong điều kiện băng tải chuyển động liên tục không dừng và sản phẩm xuất hiện với góc xoay ngẫu nhiên.
- Thiết kế giao diện vận hành và giám sát trực quan trên màn hình HMI.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cánh tay robot SCARA 4 bậc tự do kết hợp camera công nghiệp Cognex và hệ thống điều khiển vị trí AC Servo đa trục của Mitsubishi. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình thực nghiệm phân loại phôi tròn (đường kính 25 mm, khối lượng 50 g) di chuyển trên băng tải kích thước 180 mm × 100 mm.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tiếp cận
Nghiên cứu được xây dựng trên các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điều khiển tự động và cơ điện tử:
- Cơ sở động học robot SCARA: Ứng dụng quy tắc bàn tay phải để thiết lập hệ tọa độ tham chiếu và các hệ tọa độ suy rộng; sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg (DH) để xây dựng ma trận biến đổi thuần nhất giữa các khâu liên kết, phục vụ tính toán bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch hình học.
- Lý thuyết điều khiển vị trí (Positioning Control): Phân tích cấu trúc hệ thống định vị nhiều trục bao gồm bộ điều khiển trung tâm (Controller), bộ khuếch đại truyền động (Motor Driver) và cơ cấu truyền động cơ khí (bánh răng, đai răng, puly, vít me).
- Hệ thống AC Servo: Nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ 3 pha nam châm vĩnh cửu tích hợp encoder quang học độ phân giải cao; các chế độ điều khiển cơ bản gồm điều khiển vị trí (Position), điều khiển tốc độ (Speed) và điều khiển mô-men (Torque).
- Mạng truyền thông servo SSCNET III: Nguyên lý giao tiếp nối tiếp quang học tốc độ 50 Mbps, chu kỳ quét truyền thông đạt 0,44 ms, cơ chế truyền nhận dữ liệu đồng bộ giữa PLC và nhiều servo driver trên cùng một tuyến cáp quang, hỗ trợ thiết lập hệ tọa độ tuyệt đối (Absolute Positioning System).
- Thị giác máy tính công nghiệp (Machine Vision): Nguyên lý định vị tọa độ phôi, nhận diện ký tự mẫu, đo lường kích thước và dẫn hướng cho cánh tay robot theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Hình ảnh Tự động (AIA).
Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán giải tích:
- Thiết lập mô hình toán học giải phương trình động học thuận và nghịch trên phần mềm MATLAB.
- Lập trình nhúng thuật toán điều khiển vị trí và xử lý tọa độ thời gian thực trên PLC Mitsubishi dòng Q bằng ngôn ngữ Ladder Diagram.
- Thực nghiệm kiểm thử từng phần cứng (đo góc quay, kiểm tra truyền thông quang, hiệu chuẩn camera) và thử nghiệm toàn diện trên mô hình vật lý ở các dải tốc độ băng tải khác nhau.
Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Mitsubishi Electric, EPSON, Cognex và dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên hệ thống phần cứng tại phòng thí nghiệm.
Thiết kế và triển khai hệ thống
Kiến trúc phần cứng
Hệ thống điều khiển cánh tay robot SCARA 4 trục được tích hợp từ các khối chức năng chính:
| Khối chức năng |
Thiết bị sử dụng |
Thông số kỹ thuật / Đặc tính |
| Khung cánh tay robot |
Khung cơ khí EPSON G6-551S |
Cấu trúc SCARA 4 bậc tự do; chiều dài link 1 $L_1 = 300\text{ mm}$, link 2 $L_2 = 250\text{ mm}$, độ cao cơ sở $d_1 = 391\text{ mm}$ |
| Khung chân đế & Bệ đỡ |
Khung thép đặc gia công |
Khối lượng hơn 100 kg nhằm chống rung lắc do quán tính chuyển động tốc độ cao |
| Bộ điều khiển trung tâm |
Mitsubishi Q26UDVCPU |
Dòng Q-CPU hiệu năng cao, xử lý logic và tính toán số học dấu phẩy động |
| Module điều khiển vị trí |
Mitsubishi QD75MH4 & QD75MH1 |
Module phát lệnh điều khiển qua mạng SSCNET III; QD75MH4 điều khiển 4 trục robot, QD75MH1 điều khiển 1 trục băng tải |
| Động cơ Servo trục 1 |
Mitsubishi HG-KR43 |
Công suất 400 W, quán tính thấp |
| Động cơ Servo trục 2 |
Mitsubishi HG-KR43B |
Công suất 400 W, có tích hợp phanh hãm điện từ |
| Động cơ Servo trục 3 |
Mitsubishi HG-KR23B |
Công suất 200 W, truyền động tịnh tiến trục Z qua vít me/đai |
| Động cơ Servo trục 4 |
Mitsubishi HF-KP23B |
Công suất 100 W, dẫn động xoay cơ cấu chấp hành |
| Động cơ kéo băng tải |
AC Servo Mitsubishi 100 W |
Kết hợp bộ truyền đai - puly tỉ số truyền 1,5 |
| Bộ điều khiển Servo (Driver) |
Mitsubishi MR-J3W-44B & MR-J4W2-22B |
Dòng đa trục tích hợp giao tiếp quang SSCNET III, có pin nuôi duy trì tọa độ tuyệt đối |
| Hệ thống thị giác máy |
Camera Cognex In-Sight |
Thu nhận hình ảnh, định vị tọa độ tâm phôi, nhận diện ký tự và xác định góc xoay |
| Cơ cấu chấp hành cuối |
Nam châm điện công nghiệp |
Hút và nhả phôi tròn kim loại thông qua tín hiệu đóng/ngắt từ PLC |
Bảng tham số Denavit-Hartenberg (DH)
Cánh tay robot SCARA trong mô hình được thiết lập hệ trục tọa độ theo bảng tham số DH:
| Khớp ($i$) |
Độ lệch khớp $d_i$ (mm) |
Chiều dài khâu $a_{i-1}$ (mm) |
Góc xoắn khâu $\alpha_{i-1}$ ($^\circ$) |
Góc khớp $\theta_i$ ($^\circ$) |
| 1 |
391 |
300 |
0 |
$\theta_1$ (biến thiên) |
| 2 |
0 |
250 |
0 |
$\theta_2$ (biến thiên) |
| 3 |
$-d_3$ |
0 |
180 |
0 (tịnh tiến) |
| 4 |
0 |
0 |
0 |
$\theta_4$ (biến thiên) |
Mô hình toán học động học robot
-
Động học thuận:
Ma trận biến đổi tổng quát từ hệ tọa độ gốc đến khâu chấp hành cuối $T_{0,4}$:
$$T_{0,4} = \begin{bmatrix} \cos(\theta_1 + \theta_2 - \theta_4) & -\sin(\theta_1 + \theta_2 - \theta_4) & 0 & 300\cos(\theta_1) + 250\cos(\theta_1 + \theta_2) \ \sin(\theta_1 + \theta_2 - \theta_4) & \cos(\theta_1 + \theta_2 - \theta_4) & 0 & 300\sin(\theta_1) + 250\sin(\theta_1 + \theta_2) \ 0 & 0 & 1 & 391 - d_3 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
Tọa độ điểm cuối của cơ cấu chấp hành:
- $P_x = 300\cos(\theta_1) + 250\cos(\theta_1 + \theta_2)$
- $P_y = 300\sin(\theta_1) + 250\sin(\theta_1 + \theta_2)$
- $P_z = 391 - d_3$
-
Động học nghịch:
Để đảm bảo tính an toàn trong không gian làm việc thực tế, nhóm tác giả cố định cấu hình chuyển động theo trường hợp $\theta_2 < 0$:
- $d_3 = 391 - P_z$
- $\theta_2 = -\arccos\left(\frac{P_x^2 + P_y^2 - 300^2 - 250^2}{2 \times 250 \times 300}\right)$
- $\theta_1 = \text{atan2}(P_y, P_x) - \arccos\left(\frac{300^2 + P_x^2 + P_y^2 - 250^2}{2 \times 300 \times \sqrt{P_x^2 + P_y^2}}\right)$
Giải thuật điều khiển và phần mềm
- Giải thuật gắp vật động trên băng tải: Camera Cognex chụp ảnh phôi khi đi qua vùng quan sát, xác định tọa độ $(X_c, Y_c)$ và góc xoay $\theta_c$. Dữ liệu được gửi sang PLC qua giao thức truyền thông công nghiệp. PLC tính toán bù trừ quãng đường di chuyển của phôi dựa trên tốc độ tức thời của băng tải và thời gian đáp ứng của cơ cấu chấp hành, sau đó giải phương trình động học nghịch để xuất lệnh điều khiển nội suy các trục servo qua mạng SSCNET III.
- Môi trường lập trình:
- GX Works2: Viết chương trình điều khiển trung tâm bằng ngôn ngữ Ladder, tính toán số học động học nghịch và điều khiển chu trình tự động.
- GT Designer: Thiết kế giao diện vận hành HMI gồm các màn hình: khởi động, phân quyền đăng nhập, bật/tắt servo, Jog từng trục, hiển thị/xóa lỗi, thiết lập gốc tọa độ, chế độ tự động và giao diện kiểm tra động học.
- In-Sight Explorer: Thiết lập lưới hiệu chuẩn camera, cấu hình công cụ nhận dạng mẫu ký tự và xuất dữ liệu tọa độ.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng robot công nghiệp và xử lý ảnh vào dây chuyền sản xuất hiện đại; phân tích ưu thế vượt trội của dòng robot SCARA trong các tác vụ bốc xếp, phân loại tốc độ cao. Xác định mục tiêu thiết kế, nội dung nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và nêu rõ các giới hạn kỹ thuật của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Cung cấp tổng quan về lịch sử phát triển, cấu trúc cơ học và vùng làm việc của robot SCARA; trình bày quy tắc bàn tay phải và phương pháp Denavit-Hartenberg. Xây dựng chi tiết hệ phương trình ma trận động học thuận và công thức hình học động học nghịch. Giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển vị trí, cấu tạo động cơ AC Servo, các dòng driver Mitsubishi MR-J3-B, MR-J4-B, mạng truyền thông quang SSCNET III và các ứng dụng chính của thị giác máy tính công nghiệp.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Xác định các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống bốc xếp sản phẩm; phân tích thông số cơ khí của cánh tay robot EPSON G6-551S và tính toán bảng thông số DH cụ thể. Thiết kế kết cấu cơ khí phụ trợ (băng tải, bàn đỡ phôi, khung chân đế thép đặc > 100 kg). Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điện, tính toán lựa chọn công suất động cơ servo cho 4 trục (400 W, 400 W, 200 W, 100 W), chọn PLC Q26UDVCPU, module QD75MH4/QD75MH1 và cơ cấu gắp nam châm điện.
Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển
Mô tả chi tiết nguyên lý vận hành toàn hệ thống; trình bày các lưu đồ thuật toán: lưu đồ hoạt động tổng thể, lưu đồ gắp vật động trên băng tải, thuật toán tính toán bù trừ tọa độ theo vận tốc và giải thuật lưu trữ mảng tọa độ nhiều vật thể. Chuyển đổi công thức toán học động học thuận và nghịch sang khối lệnh Ladder trên phần mềm GX Works2. Thiết kế hệ thống giao diện người - máy (HMI) trên phần mềm GT Designer và cấu hình xử lý ảnh trên phần mềm In-Sight Explorer.
Chương 5: Kết quả thực hiện
Trình bày hình ảnh thực tế của mô hình phần cứng sau khi hoàn thiện, kết cấu tủ điện điều khiển công nghiệp; kết quả nhận diện và phân loại của camera Cognex đối với 6 ký tự mẫu; độ chính xác khi bám bắt phôi đang chuyển động trên băng tải; kết quả xoay phôi thẳng theo góc định trước và hiển thị các màn hình chức năng trên giao diện HMI.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành so với các mục tiêu đề ra ban đầu; tổng kết các bài học kinh nghiệm trong quá trình thi công cơ khí, đấu nối điện và lập trình điều khiển; đề xuất các hướng nâng cấp và mở rộng hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả thực nghiệm chính
- Về phần cứng:
- Chế tạo thành công mô hình cánh tay robot SCARA 4 trục hoàn chỉnh trên cơ sở tái cấu trúc khung cơ khí EPSON G6-551S kết hợp hệ thống khung thép chịu lực khối lượng hơn 100 kg.
- Thi công hoàn chỉnh tủ điện điều khiển công nghiệp, tích hợp PLC Mitsubishi Q26UDVCPU, module định vị QD75MH4/QD75MH1, driver MR-J3W-44B và MR-J4W2-22B kết nối qua mạng cáp quang SSCNET III.
- Về chức năng điều khiển và phân loại:
- Hệ thống nhận diện, gắp và phân loại chính xác 6 sản phẩm mẫu mang các biểu tượng U, T, E, K, 1, 8 và đặt vào đúng các vị trí quy định trên khay chứa.
- Cơ cấu chấp hành xoay phôi thẳng theo góc định trước nhờ sự phối hợp giữa trục 3 và trục 4.
- Hệ thống thực hiện bám bắt và gắp phôi thành công khi phôi di chuyển liên tục trên băng tải.
- Ngưỡng giới hạn vận hành:
- Tốc độ di chuyển tối đa của băng tải mà hệ thống xử lý ảnh nhận diện và bám bắt chính xác đạt đến 3000 mm/phút. Vượt quá ngưỡng này, camera bắt đầu xuất hiện hiện tượng bỏ sót phôi do giới hạn thời gian xử lý và chụp ảnh.
Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài
- Hiện thực hóa thành công việc nhúng trực tiếp thuật toán giải bài toán động học ngược của robot SCARA vào chương trình logic PLC dòng Q bằng tập lệnh Ladder Diagram, đảm bảo tốc độ tính toán chu kỳ quét nhanh.
- Ứng dụng thành công mạng truyền thông quang SSCNET III trong việc điều khiển đồng thời nhiều trục servo, giúp tinh gọn tối đa hệ thống dây dẫn tín hiệu, loại bỏ triệt để hiện tượng nhiễu xung và tận dụng tính năng nhớ vị trí tuyệt đối (không cần dò lại gốc tọa độ sau khi mất nguồn).
- Xây dựng giải thuật bù trừ chuyển động cho phép robot gắp chính xác vật thể đang di động trên băng tải mà không cần dừng chuyển động của dây chuyền.
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế được ghi nhận
- Xử lý ảnh: Nhóm nghiên cứu chỉ sử dụng các công cụ cấu hình có sẵn trong phần mềm In-Sight Explorer của Cognex, chưa nghiên cứu và tối ưu hóa sâu các thuật toán xử lý ảnh chuyên sâu.
- Tốc độ làm việc: Hệ thống bị giới hạn ở tốc độ băng tải 3000 mm/phút; khi nâng tốc độ cao hơn, camera xuất hiện hiện tượng mất nhận diện và bỏ sót sản phẩm.
- Tính toán động lực học: Do sử dụng lại khung cơ khí cũ của hãng EPSON nên đồ án chưa thực hiện bài toán tính toán động lực học chi tiết để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động theo mô-men quán tính thực tế.
- Đồng bộ chuyển động: Hệ thống thực hiện bốc xếp phôi lên bệ đỡ cố định, chưa triển khai bài toán đồng bộ phức tạp giữa các trục servo ở tốc độ cực hạn.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nghiên cứu các giải thuật xử lý ảnh nâng cao nhằm giảm thời gian trễ nhận diện, nâng cao ngưỡng tốc độ vận hành của băng tải vượt mốc 3000 mm/phút.
- Tính toán đầy đủ mô hình động lực học của robot để xây dựng các bộ điều khiển bù quán tính và ma sát, giúp chuyển động mượt mà hơn ở gia tốc lớn.
- Mở rộng chức năng phân loại cho nhiều chủng loại sản phẩm có hình dạng, màu sắc và kích thước phức tạp hơn; tích hợp thêm các cảm biến kiểm tra lỗi ngoại quan bề mặt.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án có giá trị tham khảo hữu ích cho:
- Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Robotics: Cung cấp tài liệu thực hành hoàn chỉnh về việc tích hợp hệ thống điều khiển PLC dòng Q với mạng truyền thông servo tốc độ cao SSCNET III.
- Kỹ sư tích hợp hệ thống tự động hóa công nghiệp: Tham khảo cấu trúc chương trình Ladder tính toán động học nghịch robot SCARA, phương pháp cấu hình module điều khiển vị trí QD75MH và giải thuật phối hợp thị giác máy tính trong bài toán bốc xếp sản phẩm động trên băng chuyền.
Câu hỏi thường gặp
1. Cánh tay robot SCARA trong mô hình sử dụng các kích thước hình học và thông số DH nào?
Robot sử dụng khung cơ khí EPSON G6-551S với các thông số: chiều dài khâu thứ nhất $L_1 = 300\text{ mm}$, chiều dài khâu thứ hai $L_2 = 250\text{ mm}$, chiều cao trục cơ sở $d_1 = 391\text{ mm}$. Khớp 3 là khớp tịnh tiến dọc trục Z ($d_3$ thay đổi) và khớp 4 là khớp quay xoay cơ cấu chấp hành cuối.
2. Mạng truyền thông SSCNET III có ưu điểm và thông số hoạt động như thế nào trong đồ án?
Mạng SSCNET III kết nối PLC với các driver servo bằng cáp quang, đạt tốc độ truyền thông 50 Mbps với chu kỳ truyền 0,44 ms. Hệ thống giúp chống nhiễu tuyệt đối, giảm thiểu số lượng dây nối, kiểm soát toàn bộ thông số servo trên một mạng và cho phép thiết lập hệ tọa độ tuyệt đối (nhớ vị trí khi mất nguồn mà không cần dạy lại điểm).
3. Cấu hình động cơ servo trên các trục của robot được lựa chọn với công suất bao nhiêu?
Theo đúng tiêu chuẩn nhãn dán trên khung EPSON G6-551S, nhóm tác giả đã trang bị: trục 1 dùng động cơ 400 W (HG-KR43), trục 2 dùng động cơ 400 W có phanh (HG-KR43B), trục 3 dùng động cơ 200 W có phanh (HG-KR23B) và trục 4 dùng động cơ 100 W có phanh (HF-KP23B).
4. Nghiệm của bài toán động học nghịch được nhóm tác giả lựa chọn dựa trên quy ước nào?
Để đảm bảo an toàn cho vùng không gian xung quanh người vận hành, hệ thống được lập trình cố định chuyển động theo cấu hình nghiệm góc $\theta_2$ âm ($\theta_2 < 0$), từ đó xác định duy nhất góc khớp $\theta_1$ và độ dịch chuyển tịnh tiến $d_3 = 391 - P_z$.
5. Giới hạn tốc độ của băng tải khi hệ thống vận hành thực nghiệm là bao nhiêu?
Hệ thống hoạt động chính xác ở dải tốc độ băng tải dưới 3000 mm/phút. Khi tốc độ băng tải đạt và vượt quá 3000 mm/phút, camera Cognex bắt đầu xuất hiện hiện tượng không nhận biết kịp thời và bỏ sót sản phẩm.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Điều khiển cánh tay 4 trục dùng mạng SSCNET III" đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và tích hợp thành công mô hình robot SCARA 4 bậc tự do kết hợp camera công nghiệp Cognex và PLC Mitsubishi Q26UDVCPU. Hệ thống chứng minh tính hiệu quả của mạng truyền thông cáp quang SSCNET III trong việc điều khiển định vị đa trục tốc độ cao, xử lý mượt mà tác vụ nhận diện và gắp 6 loại phôi chuyển động trên băng tải. Mặc dù còn hạn chế về mặt thuật toán xử lý ảnh chuyên sâu và giới hạn tốc độ băng tải ở mức 3000 mm/phút, đồ án cung cấp một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh và là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.
